一種無霍爾組件的直流有刷電動機剎車控制方法及其系統的製作方法
2023-05-17 19:40:56
專利名稱：一種無霍爾組件的直流有刷電動機剎車控制方法及其系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及直流有刷電動機(Direct Current Brushed Motor)的剎車方法與系統，尤其是涉及一種無霍爾組件(Hall Sensor)的直流有刷電動機剎車控制方法及其系統。
背景技術：
在一般的直流無刷電動機(Brushless Motor)控制系統中，多數安裝有霍爾組件，因此可直接獲得轉速FG(Frequency Generator)信號，或是利用三相控制信號經由外部晶片生成轉速信號。而當轉速信號為零時，即表示電動機完成剎車進入停止狀態。
另外，許多直流有刷電動機也包含霍爾組件，以具有較好的控制性能並易於獲得反饋(Feedback)信號。但在價格逐漸低廉的消費市場中，此種電動機無法滿足成本需求，因此需要一種結構較簡易的無霍爾組件的直流電動機。
然而，使用無霍爾組件的電動機有多種以往不存在的問題亟待解決，其中之一便是電動機的剎車(停止)問題。
一般電動機剎車的方法有兩種第一種為立即停止向電動機提供電流，使電動機失去動力而逐漸進入停止狀態。但此種方式所需時間較長，無法快速達到完全停止的目的，在許多場合無法滿足使用需求。第二種為提供電動機反向電流(Reverse Current)而使其有較大的減速度(Deceleration)，以迅速完成剎車動作。但在無轉速信號反饋的直流電動機系統中，此方法不易準確得知電動機是否為完全靜止不動的狀態，尤其在負載(Load)不同時，有可能會發生提前停止剎車動作或是剎車過度造成反轉的現象。
請參考圖1，為現有技術中具有霍爾組件的無刷直流電動機系統的電路方框圖。現有技術中具有霍爾組件的直流無刷電動機系統100可直接檢測並反饋電動機轉速。處理單元(Processing Unit)101經由電動機驅動器(Driver)102驅動直流無刷電動機103，電動機103轉動之後再經由電動機驅動器102產生轉速信號，提供給予處理單元101進行轉速控制及剎車控制。但是，此系統的缺點是價格較高，且電路複雜度較高。
我國臺灣省第584836號專利提出一種利用檢測無霍爾組件直流電動機的電樞電流(Armature Current)，來計算電動機係數及轉速的控制裝置與方法。此方法需要分別依據不同的電動機進行數學運算以得到電動機係數，程序可移植性較低。另外，此方法使用一差動放大電路(Differential Amplifiercircuit)來計算電樞電流，但無法確保所使用電阻間的匹配及解決噪聲幹擾問題，故計算出的電樞電流亦有誤差。因此，利用這一有誤差的電樞電流代入公式，其所推導出的電動機係數與轉速的準確度較低。而且，該專利是用來計算電動機係數及轉速，並未披露如何進行剎車控制。
發明內容
針對上述缺陷，本發明解決的技術問題在於提供一種無霍爾組件的直流有刷電動機的剎車控制方法。
為達成上述目的，本發明之無霍爾組件的直流有刷電動機剎車控制方法，包括1)將無霍爾組件的直流有刷電動機預先剎車後，檢測該直流有刷電動機的電樞電流值作為靜止電樞電流值；以及
2)當收到剎車命令時，進行該電動機的剎車動作，並同時檢測該電動機的電樞電流值，直到其等於所述靜止電樞電流值。
其中所述步驟1)包括11)檢測該直流有刷電動機的電樞電流值；12)根據上述檢測的電樞電流值，產生周期性變化的剎車控制信號，並在該剎車控制信號處於低電平狀態時，檢測該電動機的電樞電流值；以及13)若連續測量達到預定次數的電樞電流值皆相同時，則停止產生所述剎車控制信號，並將所測得的電樞電流值記錄為所述靜止電樞電流值。
優選地，所述步驟12)的剎車控制信號的低電平的狀態為無電壓狀態。
優選地，所述步驟12)的剎車控制信號的低電平的狀態為電壓為0。
優選地，所述步驟12)還包括根據每次測得的電樞電流值的差距量的變化，改變剎車控制信號的電壓。
所述的無霍爾組件的直流有刷電動機剎車控制方法，所述步驟2)包括21)產生一周期性變化的剎車控制信號；22)在所述剎車控制信號的低電平期間，檢測所述電動機的電樞電流值，記錄為檢測電樞電流值；以及23)比較所述電動機的檢測電樞電流值與所述靜止電樞電流值，若所述檢測電樞電流值等於所述靜止電樞電流值，則停止產生所述剎車控制信號。
優選地，所述步驟21)還包括根據每次測得的電樞電流值的差距量的變化，改變的剎車控制信號的電壓。
本發明同時提供一種無霍爾組件的直流有刷電動機剎車控制系統，包括處理單元，根據剎車命令，產生周期性變化的剎車控制信號；電動機驅動器，接收所述周期性變化的剎車控制信號，產生電動機驅動信號；直流有刷電動機，接收該電動機驅動信號的驅動；電流檢測裝置，在該剎車控制信號的低電平期間檢測該直流有刷電動機的電樞電流值，並將檢測到的電樞電流值輸出至所述處理單元；其中，所述處理單元在所述電樞電流值等於所述靜止電樞電流值時，則停止產生所述剎車控制信號。
優選地，所述處理單元在接收到所述剎車命令之後，產生固定電壓值的所述剎車控制信號或者根據所述電流檢測裝置所測得的電樞電流值調整所述剎車控制信號的電壓值。
優選地，所述處理單元為中央處理器。
相對於現有技術，本發明的有益效果是首先，本發明提供的方法通過檢測電樞電流值判斷電機是否停轉，可以精確、快速地控制直流電動機在短時間內完全剎車停轉的目的。其次，本發明提供的方法可應用在不同的直流有刷電動機上而得到相同的效果，能避免電動機的組件誤差值、電路偏移、電動機的個別差異所造成的影響。這是由於，該方法針對每一臺電動機都進行靜止電樞電流檢測，並獲得該電動機的靜止電樞電流值。將該值用於剎車，可以避免電動機之間的差異影響剎車的精確性。
圖1為現有技術中具有霍爾組件的無刷直流電動機系統的電路方框圖；圖2是本發明實施例中無霍爾組件的直流有刷電動機剎車控制方法流程圖；圖3是圖2中的預先剎車過程的流程圖；圖4為脈波檢測電流方式時的剎車控制信號的輸出波形；圖5是圖2中的執行剎車過程的流程圖；圖6是本發明實施例中無霍爾組件的直流有刷電動機剎車控制系統電路方框圖。
元件標號說明100 具有霍爾組件的無刷直流電動機系統101 處理單元102 電動機驅動器103 直流無刷電動機600 無霍爾組件的直流有刷電動機剎車控制系統603 直流有刷電動機604 電流檢測裝置具體實施方式
本發明的原理是通過檢測直流有刷電動機的電樞電流值，以得知是否有因電動機轉動造成的反電動勢(Back Electromotive Force)而產生的電流。
本發明在系統啟動時，先將電動機預先剎車，檢測並記錄電動機靜止時的靜止電樞電流值。
在需要將電動機剎車時，利用反向電流迅速將電動機減速，並持續檢測電樞電流值，將該電樞電流值與靜止電樞電流值進行比較。當該電樞電流值與靜止電樞電流值相等時，即表示電動機為靜止狀態，停止提供反向電流並完成剎車動作。
由於電流值相同，即表示電動機轉動而產生的反電動勢亦相同，所以電動機達到和預先剎車(原先靜止狀態)相同的轉速，即轉速為零，也就完成了直流有刷電動機剎車控制的動作。
請參照圖2，為本發明無霍爾組件的直流有刷電動機剎車控制方法的流程圖。該方法包括如下步驟步驟S202，將無霍爾組件的直流有刷電動機預先剎車後，檢測電動機的電樞電流值作為靜止電樞電流值。該步驟僅需在系統啟動時執行一次即可。
步驟S204，檢查是否接收到剎車命令，若是，跳到步驟S206；若否，則重複本步驟。
步驟S206，進行電動機的剎車動作，並同時檢測電動機的電樞電流值，直到電動機的電樞電流值等於步驟S202所述的靜止電樞電流值。
圖3是圖2中的預先剎車過程的流程圖。以下根據該圖說明預先剎車過程的步驟。
步驟S302，檢測電動機的電樞電流值。
步驟S304，根據步驟S302所檢測的電樞電流值產生具有反向電壓的周期性剎車控制信號，以使該直流有刷電動機進行減速動作。
步驟S306，檢測電樞電流。在剎車控制信號為低電壓時，檢測電樞電流值。此為脈寬檢測電流方式，於稍後說明。所述的剎車控制信號為低電壓是指剎車控制信號的電壓為0或無電壓的狀態。
步驟S308，檢查是否在預設次數N(N為正整數)的連續脈寬周期中所測得的電樞電流值皆相同。若是，則跳到步驟S310。若否，則回到步驟S306。
步驟S310，停止產生剎車控制信號，同時將所測得的電樞電流值記錄為靜止電樞電流值。
本發明在進行預先剎車的減速過程中，是利用脈寬檢測電流來檢測電動機的電樞電流值。以下詳細說明脈寬檢測電流方式。
圖4為所述脈寬檢測電流方式的剎車控制信號的輸出波形。如該圖所示，該剎車控制信號為周期性脈寬信號。在每個脈寬周期中，在一部份時間輸出控制電壓，如圖4中的第一、第二控制電壓(即反向電壓或高電壓)，其餘時間則不輸出控制電壓(即剎車控制信號為低電壓或無電壓狀態或電壓為0)。在不輸出控制電壓時，電動機的電流即完全由電動機的反電動勢產生，此時可進行電流檢測。從第k(k為正整數)次檢測電流值開始，若在預設次數N的連續脈寬周期中所測得的電樞電流值皆相同，即表示此直流電動機在足夠長的時間內沒有轉速上的變化，因此可判定電動機的轉速為0。在檢測電流過程中，可根據每次測得的電樞電流值的差距量而改變控制電壓。例如，各電流檢測值差距量較大時，可提供較大的電動機控制電壓(如第一控制電壓)。而各電流檢測值差距量變小時，可提供較小的電動機控制電壓(如第二控制電壓)。
圖5是圖2中執行剎車過程的流程圖。
步驟S502，產生具反向電壓的周期性剎車控制信號。
步驟S504，在剎車控制信號的電壓為0時檢測電動機的電樞電流值。
步驟S506，判斷所測得的電樞電流值是否等於靜止電樞電流值。若是，則跳到步驟S508；若否，則回到步驟S504。
步驟S508，電動機已處於靜止狀態，停止產生剎車控制信號。
由於在剎車控制信號的每個脈寬檢測電流中，一部分脈寬時間中有電壓，而在其餘時間內電壓為0，以期檢測到的電樞電流值為原完全靜止狀態下的靜止電樞電流值，與直流電動機轉動所產生的反電動勢而形成的電流值的總和。當檢測到的電樞電流值和原完全靜止狀態下的靜止電樞電流值相同時，即表示電動機產生的反電動勢為零，電動機為靜止狀態。
值得注意的是，不論在預先剎車過程或執行剎車過程，若持續供應控制電壓給電動機，而不檢測電樞電流，有可能會造成電動機的反轉。由於本發明利用了電路的速度遠快於電動機機械反應速度的特性，並在預先剎車過程或執行剎車過程中密切地監控電動機的電樞電流，所以可以精確地控制所有的剎車過程。
圖6是本發明無霍爾組件的直流有刷電動機剎車控制系統的電路方塊圖。此系統600包含處理單元101、電動機驅動器102、直流有刷電動機603與電流檢測裝置604。處理單元101系根據剎車命令來產生具反向電壓的周期性剎車控制信號。電動機驅動器102接收此剎車控制信號後產生電動機驅動訊號來驅動直流有刷電動機603。電流檢測裝置604在每一個脈寬周期的低電平(即無電壓狀態或電壓為0)時間內檢測電動機的電樞電流值，並將所測得的電樞電流值輸出至處理單元101。
另外，處理單元101在接收到預先剎車命令或剎車命令之後，也會根據電流檢測裝置604所測得的電樞電流值來調整剎車控制信號的電壓值。例如，各電流檢測值差距量較大時，可提供電壓較高的剎車控制信號。而各電流檢測值差距量變小時，可提供電壓較低的剎車控制信號。
其中，處理單元101可以用一般的中央處理器來實施，電流檢測裝置604可利用電阻與運算放大電路來實施。
本發明可應用在不同的直流有刷電動機上而有相同的效果，能避免電路上的組件誤差值、電路偏移、電動機的個別差異所造成的影響。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種無霍爾組件的直流有刷電動機剎車控制方法，其特徵為，包括步驟1)將無霍爾組件的直流有刷電動機預先剎車後，檢測該直流有刷電動機的電樞電流值作為靜止電樞電流值；以及2)當收到剎車命令時，進行該電動機的剎車動作，並同時檢測該電動機的電樞電流值，直到其等於所述靜止電樞電流值。
2.根據權利要求1所述的無霍爾組件的直流有刷電動機剎車控制方法，其特徵為，其中所述步驟1)包括11)檢測該直流有刷電動機的電樞電流值；12)根據上述檢測的電樞電流值，產生周期性變化的剎車控制信號，並在該剎車控制信號處於低電平狀態時，檢測該電動機的電樞電流值；以及13)若連續測量達到預定次數的電樞電流值皆相同時，則停止產生所述剎車控制信號，並將所測得的電樞電流值記錄為所述靜止電樞電流值。
3.根據權利要求2所述的無霍爾組件的直流有刷電動機剎車控制方法，其特徵為，所述步驟12)的剎車控制信號的低電平的狀態為無電壓狀態。
4.根據權利要求2所述的無霍爾組件的直流有刷電動機剎車控制方法，其特徵為，所述步驟12)的剎車控制信號的低電平的狀態為電壓為0。
5.根據權利要求2所述的無霍爾組件的直流有刷電動機剎車控制方法，其特徵為，所述步驟12)還包括根據每次測得的電樞電流值的差距量的變化，改變剎車控制信號的電壓。
6.根據權利要求1所述的無霍爾組件的直流有刷電動機剎車控制方法，其特徵為，所述步驟2)包括21)產生一周期性變化的剎車控制信號；22)在所述剎車控制信號的低電平期間，檢測所述電動機的電樞電流值，記錄為檢測電樞電流值；以及23)比較所述電動機的檢測電樞電流值與所述靜止電樞電流值，若所述檢測電樞電流值等於所述靜止電樞電流值，則停止產生所述剎車控制信號。
7.根據權利要求6所述的無霍爾組件的直流有刷電動機剎車控制方法，其特徵為，所述步驟21)還包括根據每次測得的電樞電流值的差距量的變化，改變的剎車控制信號的電壓。
8.一種無霍爾組件的直流有刷電動機剎車控制系統，包括處理單元，根據剎車命令，產生周期性變化的剎車控制信號；電動機驅動器，接收所述周期性變化的剎車控制信號，產生電動機驅動信號；直流有刷電動機，接收該電動機驅動信號的驅動；其特徵為，進一步包括電流檢測裝置，在該剎車控制信號的低電平期間檢測該直流有刷電動機的電樞電流值，並將檢測到的電樞電流值輸出至所述處理單元；其中，所述處理單元在所述電樞電流值等於所述靜止電樞電流值時，則停止產生所述剎車控制信號。
9.根據權利要求8所述的無霍爾組件的直流有刷電動機剎車控制系統，其特徵為，所述處理單元在接收到所述剎車命令之後，根據所述電流檢測裝置所測得的電樞電流值調整所述剎車控制信號的電壓值。
10.根據權利要求8所述的無霍爾組件的直流有刷電動機剎車控制系統，其特徵為，所述處理單元為中央處理器。
全文摘要
本發明提供一種無霍爾組件的直流有刷電動機剎車控制方法與系統。在該系統啟動時先將電動機預先剎車，以檢測並記錄電動機靜止時的靜止電樞電流值。之後，在需要將電動機剎車時，輸出反向控制電壓，並檢測電樞電流值。當所檢測的電樞電流值與靜止電樞電流值相等時，即完成直流有刷電動機剎車控制的動作。本發明可以在任何狀態下，在短時間內完成將直流有刷電動機完全剎車停轉的目的，同時，可應用在不同的直流有刷電動機上而得到相同的效果。
文檔編號B60T8/60GK1872598SQ20051007304
公開日2006年12月6日 申請日期2005年5月30日 優先權日2005年5月30日
發明者黃興生, 馮文俊 申請人:凌陽科技股份有限公司