CN1142290A - 直流电动机的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明所述装置包括：插装在电动机201一端与蓄电池EB的正极之间的FET206、当电源EB的开关220变为断开时使此前在电动机201中流通的电流进行循环的二极管203、作为用于检测在电动机201中流通的电流值的装置的分流电阻203a、差动放电器203b和低通滤波器203c，对FET206的通/断进行PWM控制以使由此检测出的电流值与目标值相一致的控制装置250，控制装置250在电源EB的开关变为断开时设定微小值作为目标值，把该微小值的电流供给电动机201。其结果，不用附加多余的部件，以低成本保护用以驱动带辅助电动机的自行车电动机的FET。

Description

直流电动机的控制装置

本发明涉及一种直流电动机的控制装置，适用于对例如驱动自行车的辅助电动机这种直流电动机进行PWM控制。

在现有技术中，这种带辅助电动机的自行车已经公知了，其在检测加给脚踏板的踏力的同时由电动机产生与该踏力相配合的辅助转矩，通过该辅助转矩与由人力所产生的踏力的合力来驱动车轮。在这种带辅助电动机的自行车上，为了使骑车人能够舒适地骑行，就必须正确地产生与加给脚踏板的踏力相对应的辅助转矩。

辅助转矩的控制一般是通过对供给电动机的电流进行PWM控制来进行的。在此情况下，通过给开关元件(例如FET的栅极)输出控制信号，把由微型计算机等控制装置运算出的占空比的脉冲电流输出给电动机。在FET和电动机之间大多装有继电器，用于在主开关变为断开时以及在FET损坏时停止驱动***。

在带辅助电动机的自行车中进行这种控制：在第一预定速度Vth1(例如时速23km)以上时逐渐减小对应于踏力的辅助转矩的比例，并且当达到第二预定速度Vth2(例如，时速26km)时使其为零。由此，当车速变到第一阈值Vth1以上时，根据其超过量而逐渐减小PWM脉冲的占空比，当达到第二预定速度Vth2时，使占空比变为零，则由电动机产生的辅助转矩不会产生，中断电动机的PWM控制。

因此，上述这种继电器是使用通过主开关变为关断而切断给励磁线圈的供电以切断电路的常开型继电器，则在主开关变为关断之后电路电压降低，当降到某种程度以下时，继电器的接点分离。由此，在到达继电器接点分离的过程中，电动机的感应电压会作为反向电压而加在FET的栅极。源极之间，成为FET的故障原因。

在到达第二预定速度Vth2时进行控制以使辅助转矩为零，此时，从该时刻供给电动机的电流的占空比为零。由此，控制FET以维持关断状态。在此情况下，虽然给电动机的供电中断了，但由于电动机因惯性不会立即停止而作为发电机工作，因而在电动机的端子之间继续产生感应电压，与上述情况一样，成为FET的故障原因。

因此，作为FET就必须采取下列措施：采用栅极-源极间的额定电压高的类型的FET，或者通过***齐纳二极管而使栅极-源极间电压的上限成为一定的，等等。

但是，能够耐高压的齐纳二极管和FET一般是昂贵的，对此，由于存在引起高成本的问题，则在谋求低成本的情况下，就需要通过上述以外的措施来保护FET。

鉴于上述问题，本发明提供一种直流电动机的控制装置，不增加制造成本，而能够在主开关意外变成断开的情况下，保护FET这种开关元件。

为了解决上述问题，本发明第一方案是：在直流电动机的控制装置中，包括：开关装置，它插装在直流电动机的一端与电源之间；循环装置，它使在上述开关装置变为关断状态时，上述直流电动机中流通的电流在该直流电动机中循环；电流检测装置，检测在上述直流电动机中流通的电流值；控制装置，对上述开关装置的通/断进行PWM控制以使由上述电流检测装置检测出的电流值与目标值相一致，其特征在于，上述控制装置在上述直流电动机以惯性旋转时，设定微小值作为上述目标值，把该微小值的电流提供给上述直流电动机。

本发明的第二方案，其特征是，上述控制装置在上述电源的开关变为断开时，设定微小值作为上述目标值，把该微小值的电流供给上述直流电动机。

本发明的第三方案，其特征是，上述控制装置在上述目标值为零时，设定微小值作为上述目标值，把该微小值的电流供给上述直流电动机。

本发明的第四方案，其特征是，上述控制装置在开始上述微小值的电流供给之后，经过预定时间后，使上述微小值为零。

图1是表示适用本发明第一实施例的带辅助电动机的自行车结构的方框图；

图2是表示该实施例中的带辅助电动机的自行车的电动机附近的电路结构的图；

图3是表示该实施例工作的流程图；

图4是表示第二实施例的工作的流程图；

图5是表示在适用第三实施例的带辅助电动机的自行车的结构中，目标电流值运算装置的构成图；

图6是表示该实施例中的目标电流值运算装置的特性图；

图7是表示变形例中的带辅助电动机的自行车的电动机附近的电路构成图。

A、第一实施例

A-1：第一实施例的构成

下面参照图1至图3对本发明的一个实施例进行说明。图1是表示使用实施例的直流电动机控制装置的带辅助电动机的自行车驱动***的方框图。如图1所示，该驱动***大致由产生由人的踏力引起的转矩的第一驱动源100、根据供电产生辅助转矩的第二驱动源200、把从第一驱动源和第二驱动源产生的各转矩进行合计而传递给自行车后轮的驱动传动机构300所构成。

其中，第一驱动源100具有接受骑车人的踏力的脚踏板101和检测通过该脚踏板101而加到驱动传动机构300上的转矩的转矩检测装置102。第二驱动源200具有根据由蓄电池(在该图中未图示)供电而产生转矩的电动机201、把该转矩作为辅助转矩而传递给驱动传动机构300的减速机构202和控制给电动机201的电流的控制装置250。其中，如以下说明那样，控制装置250控制给电动机201的电流，以得到与由转矩检测装置102所检测出的转矩相配合的辅助转矩。

输入I/F(接口)251是从转矩检测装置102输入表示人力产生的转矩大小的转矩信息的电路。转矩运算装置252对该转矩信息进行预定的运算，计算出代表应该由电动机201产生的辅助转矩的转矩数据。目标电流值运算装置253从由转矩运算装置252求出的转矩数据和由车速检测装置400检测的车速数据进行运算而求出作为目标值的电流值，即上述辅助转矩。

另一方面，输入I/F255根据由电流检测装置203所输出的检测信号而输入实际在电动机201中流通的电流。偏差运算装置256求出作为目标的电流值与实际流通的电流值的差分。控制量运算装置257进行所需控制量(例如在PWM控制的情况下，施加给电动机201的脉冲占空比的校正量)的运算，以使该差分为零。输出调整装置258根据上述控制量进行在电动机201中流通的电流控制。

按照这种结构，由转矩检测装置102检测骑车人踏下脚踏板所施加的转矩。接着，由转矩运算装置252计算出与该转矩相配合的辅助转矩的大小，从而得到该辅助转矩，由目标电流值运算装置253求出所需的目标电流值，输出给偏差运算装置256。通过由偏差运算装置256→控制量运算装置257→输出调节装置258→电流检测装置203→输入I/F255→偏差运算装置256这样的路径所组成的闭环来对电动机电流进行负反馈控制，由该负反馈控制使电动机201的电流与目标电流值相一致。

下面参照图2对电动机201附近的电路构成进行说明。如该图所示，在蓄电池EB的正负极之间串联连接有Nch(沟道)型FET206、电动机201(的线圈)和分流电阻203a。其中，FET206控制给电动机201的通电。在FET206关断的状态下，应形成电动机201所产生的电流(循环电流)的路径，二极管201a对电动机201和分流电阻203a并联连接，而担任不使电流突变的任务。

在电动机201中流通的电流和在FET206为关断状态下通过二极管201a流通的电流的总和，即代表由电动机201所产生的辅助转矩的电流在分流电阻203a中流过。在该分流电阻203a两端之间产生的电压降由差动放大器203b进行检测，放大，并由低通滤波器203c进行平滑。这样，由分流电阻203a、差动放大器203b和低通滤波器203c构成电动机电流的检测装置，表示在电动机201中流通的电流的平均值的电压信号被提供给控制装置250。

自举电路204和栅极驱动电路205构成输出调节装置258，所说的输出调节装置258用于使FET206按来自控制装置250的PWM脉冲进行接通/关断，之所以设置这些电路是由于下面的理由。即，在此例中，由于从电动机201看在低电位侧设置分流电阻203a，而成为把开关用的FET206插在电动机201和蓄电池EB的正极之间的结构。

因此，如图2所示，在FET206的源极未接地而同电动机相连的结构下，FET206的源极电位根据电动机201的工作而变化。在此情况下，为了使FET206的导通电阻稳定，即使在FET206成为导通状态时的源极电位变动，也需要在栅极-源极之间一直施加恒定的偏置电压。为此，而设置自举电路204和栅极驱动电路205。

自举电路204由降压电路204a、二极管204b和电容器204c构成。其中，降压电路204a把由蓄电池EB供给的24V直流电压进行降压而输出12V的直流电压；二极管204b的阳极同降压电路204a的输出端相连，其阴极同栅极驱动电路205相连；电容器204c的一端同二极管204b的阴极相连，另一端同FET206的源极相连。根据这种结构，给电容器204c的充电是借助降压电路204a通过二极管204b来进行，但由于电容器204c没有释放蓄积的电荷的路径，所以常常是充电到一定电压。栅极驱动电路205对于由控制装置250产生的PWM脉冲施加二极管204b的负极电压(对电容器204c另一端的端电压)，并提供给FET206的源极。

在FET206的源极和电动机201之间***继电器210。继电器210是通过给其励磁线圈通电来接通电路，通过停止通电来切断电路的常开型继电器。在该继电器210的励磁线圈中，根据控制装置250的控制来进行励磁电流的供给/停止。控制装置250因由蓄电池EB供给电流而工作。在控制装置250与蓄电池EB之间***主开关220。当主开关220断开时，控制装置250检测电源电压的下落，由此进行用于停止控制的处理。即，当控制装置250确认了电源电压的下落时，进行控制以停止给继电器210的励磁线圈的通电。控制装置250借助在设在内部的电容器等中所蓄积的电能，在电源的供电停止之后的一段时间内仍能工作。

A-2：第一实施例的工作

下面参照图3对实施例的直流电动机的控制装置的工作进行说明。图3是表示当带辅助电动机的自行车行驶而输出辅助转矩时、主开关220被断开时的动作的流程图。虽然主开关220已被断开，但由于电动机201因惯性不会立即停止而作为发电机工作，因而在电动机201的端子之间产生图2中箭头方向的感应电压V_φ。在FET206刚关断时，以前在电动机201中流通的电流通过二极管201a而以图中的逆时针方向循环，由于在FET206的栅极·源极之间施加了正向电压，则尽管施加了感应电压V_φ也不会发生问题。

因此，一方面循环电流急剧衰减，而另一方面与其相比，由于电动机201的旋转不会立即停止，则感应电压V_φ继续持续产生。所以，在循环电流变为没有之后，感应电压V_φ仍然会加在FET206的栅极·源极之间。一般来说，由于FET206的反向允许电压比正向额定电压低，当在FET206的栅极·源极之间施加了反向感应电压V_φ时，就有损坏FET206的危险。

在实施例的直流电动机的控制装置中，控制装置250监视主开关是否被断开(步骤S1)，当由蓄电池EB供给的电源电压达到预定值以下时，进到步骤S2开始由内置的计时器(图中省略)进行计时。接着，判定计时器进行的计时是否达到了预定时间(步骤S3)，如果没有到达预定时间则进到步骤S4，目标电流值运算装置253把目标电流值设定为[b]。该目标电流值b是不至于使电动机201转动的微小电流。

接着，通过由偏差运算装置256→控制量运算装置257→输出调节装置258→电流检测装置203→输入I/F255→偏差运算装置256这种路径所构成的闭环来对电动机电流进行负反馈控制，通过该负反馈控制持续进行PWM控制以使供给电动机201的电流成为目标电流值[b](步骤S5)。通过该PWM控制的持续进行，FET206在每个PWM周期都被导通，因此循环电流得以持续流通。由此，就防止了感应电压Vφ直接加到FET206的栅极·源极之间，而保护FET206。然后，在计时器进行计时的时间到达预定时间之前循环进行步骤S1～S5。

一旦计时器的计时时间到达预定时间，由步骤S3的判定结果就变为[是]，而进到步骤S6把目标电流值设定为零。由此，在此之后，FET206变为关断状态而停止电动机201的PWM控制。而且，在主开关220未被断开的情况下，从步骤S1进到步骤S7，把上述计时器置零，进行通常的PWM控制。即，对于实际的踏力转矩应产生预定比例的辅助转矩，给电动机201提供目标电流值(步骤S8、S5)。

在计时器计时的时间到达规定时间后，步骤S3判断的结果成为“是”，进入步骤S6，并将目标电流值设定为0。此后，FET206成为断开状态，使电动机201的PWM控制停止。而且在主开关220未断开时，从步骤S1进到步骤S7并将上述计时器进行零位复位，进行通常的PWM控制。即，为了对实际踏力转矩产生规定比例的辅助转矩，向电动机201供给目标电流值(步骤S8，S5)。

在上述构成的直流电动机的控制装置中，即使主开关220变为断开，由于设定了微小的目标电流值[b]，而给电动机201供给该微小值的电流，因而在电动机201中流通循环电流。由此，由循环电流来削弱感应电压，从而确实防止FET206的损坏。但是，由于这种构成在控制装置250中可以仅是把微小值[b]设定为目标电流值的构成，因而就能实现例如软件的变更等的比较小的设计变更。

特别是，在上述实施例中，在经过预定时间之前给直流电动机供给设定为目标电流值的微小值[b]的电流，而在经过预定时间之后，目标值变为零，FET206才完全变为关断，但是，这时，由于电动机201中流通的电流是微小值，该微小电流不会使电动机201转动，因此，在预定时间期间中，直流电动机的转数极低。由此，即使完全断开，在FET206的源极·漏极之间也几乎不会施加感应电压V_φ，因此，即使在此情况下，也能保护FET206。而且，由于在经过预定时间后甚至连微小电流也不会在电动机201中流通，则能节省电能消耗。

B、第二实施例

下面参照图4来说明本发明的第二实施例。该实施例的特征在于，通过控制装置250的自然停止工作来实现停止供给微小电流值[b]的电流。即，在给控制装置250的电源电流的供给被停止之后，在短时间内控制装置250工作而维持微小电流值[b]的电流供给(步骤S10～S12)，但在积蓄在控制装置250中的电能放电结束时，停止一切控制。由此，不用进行微小电流值[b]的设定，而停止给电动机201的电流供给。即使在此实施例中，当主开关未被断开时，也进行通常的PWM控制。

不言而喻，该第二实施例中能够得到与上述第一实施例相同的效果，该实施例由于不需要计时器，而进一步简化了硬件的结构，同时软件的结构也简单了。

C、第三实施例

C-1：第3实施例的构成

下面参照附图来对本发明的第3实施例进行说明。该实施例的构成，在图1所示的带辅助电动机的自行车的方框图中，是把目标电流值运算装置253构成为图5所示的具体结构，而其他的构成部分则与第一、第二实施例相同。

在图5中，转矩-电流变换表253a是：把用电动机201应对实际踏力转矩产生的一定比例的辅助转矩并由转矩运算装置252所算出的转矩数据变换成代表电流值的数据的转矩-电流变换表。

速度-转矩比变换表253b是把由车速检测装置检测出的车速变换成转矩比的表，在图6(a)中表示出了其变换特性。如该图所示，在速度-转矩比变换表253b中，转矩比在车速为第一阈值Vth1以下时为[1]；在车速为第一阈值Vth1以上第二阈值Vth2以下时从[1]到[0]直线地逐渐减小，在车速为第二阈值Vth2以上时为[0]。

速度-校正电流变换表253c是，仅在预定时间内根据车速来施加校正电流以使目标电流值不为零的表，在图6(b)中表示出了对应于图6(a)的变换特性。在此情况下，在车速在第二阈值Vth2这边时校正电流逐渐增加，当车速变到第二阈值Vth2以上时，校正电流为恒定值i_o。该校正电流i_o即使供给电动机201，也不会产生辅助转矩。

速度-校正电流变换表253c，在车速到达第二阈值Vth2以上时，在预定时间(例如约2秒)内输出一定的校正电流i_o，然后该校正电流i_o的供给也为零。其中，所谓预定时间，就是在仅供给校正电流i_o中电动机201的转数降到足够低所需要的时间。

乘法器253d把用速度-转矩比变换表253b所变换的乘算系数乘以用转矩-电流变换表253a所变换的数据。加法器253e把乘法器253d的相乘结果同由速度-校正电流变换表253c产生的校正电流相加。然后，供给加法器253e的输出作为该目标电流值运算装置253的目标电流值。

C-2：第三实施例的工作

下面参照图6对第三实施例的工作进行说明。如上述那样，在带辅助电动机的自行车中，由电动机201产生的辅助转矩相对实际的踏力以一定比例而产生，这里，为了说明上的方便，将其作为一定的。

首先，在车速为第一阈值Vth1以下时，由于用速度-转矩比变换表253b所输出的转矩比是[1](参见图6(a))，进行通常的控制，即，为了对实际踏力转矩产生预定比例的辅助转矩，给电动机201提供目标电流值i_a。

然后，在车速为第一阈值Vth1以上第二阈值Vth2以下时，由速度-转矩比变换表253b输出的转矩比根据车速而变化(参照图6(a))。即，当车速为第一阈值Vth1以上时，对踏力的辅助转矩的比例逐渐减小，在车速成为第二阈值Vth2时正好为[0]。此时，当车速变到第二阈值Vth2这边时，由于速度-校正电流变换表253c开始输出校正电流，目标电流值不是零而是把校正电流i_o维持在最低水平上(图6(b))。接着，当车速到达第二阈值Vth2以上时，即使在乘法器253d的相乘结果为零的情况下，目标电流值仍维持校正电流i_o(参见图6(c))。

由此，控制装置250持续进行PWM控制以使电动机201中流通校正电流i_o。通过持续进行该PWM控制，FET206在每个PWM周期都导通，因而循环电流持续流通，防止感应电压直接加到源极上。由此，谋求FET206的保护，但由于此时流通的校正电流i_o无助于辅助转矩的产生，因而完全浪费。

所以，在该实施例中，如进而使车速在第二阈值Vth2以上而仅在预定时间内输出一定的校正电流i_o，则该校正电流i_o的供给就会为零。此时，由于在电动机201中流通的电流仅是校正电流i_o，则即使车速达到第二阈值Vth2而在此时电动机201高速旋转，其转速也会降低。当见该转数降低，速度-校正电流变换表253c停止校正电流i_o的供给，即使不进行PWM控制而FET206完全关断，但因电动机201的转数足够低，则感应电压极低。由此，即使没有循环电流，也谋求了FET206的保护。

根据上述第三实施例，与现有技术相比，用极少量的部件就能保护FET206。而且，作为其主要变更点的目标电流值运算装置253能够实现由软件进行的处理，因而就能不必实质上改***件构成而实现上述目的。

D、变更例

本发明并不仅限于上述实施例，可以进行下列各种变更。

①在上述第一、第二实施例中，是通过电源电压的下降来检测主开关220被断开，但也可以机械地或电气地检测主开关220的操作。

②在上述第1～第3实施例中，除了上述FET之外可以选用任意种类晶体管等作为开关装置。

③在上述第3实施例中，即使车速在第一阈值Vth1以下，在正产生强辅助转矩时，若踏力突然为零，则根据阈值的设定，就能成为感应电压变高的状态。因而，速度-校正电流变换表253c不仅把车速而且也可以把转矩-电流变换表253a的输出结果作为输入，以输出校正电流。

④在上述第三实施例中，在车速达到第二阈值Vth2以上之后，与第一、第二实施例相同，可以通过进行图3、4所示的流程图的动作，来求出输出校正电流i_o的时间。

⑤在上述第三实施例中，可以从图2所示的带辅助电动机的自行车电动机附近的电路构成中去除继电器210，这种情况下的电动机附近的电路构成就成为图7所示那样。

E、效果

如上述那样，根据未发明具有下述效果。即，根据第一方案记载的发明，在直流电动机因惯性而旋转的情况下，就能以低成本确实实现开关装置的保护。特别是，即使在电源开关断开的情况下以及目标值设定为零的情况下，由于给直流电动机供给微小电流，就能确实保护开关装置(第2、3方案)。进而根据第4方案所记载的发明，能够在谋求开关装置的保护的同时谋求电能的节约。

本发明适用于对例如驱动自行车的辅助电动机这种直流电动机进行PWM控制的情况，此外，也能用于保护在PWM控制中所用的开关装置的情况。

Claims (4)

1、一种直流电动机的控制装置，包括：

开关装置，它插装在直流电动机一端和电源之间；

循环装置，当上述开关装置成为关断状态时，使在上述直流电动机中流通的电流在该直流电动机中循环；

电流检测装置，用以检测在上述直流电动机中流通的电流值；

控制装置，对上述开关装置的通/断进行PWM控制，以使由上述电流检测装置检测出的电流值与目标值相一致，

其特征在于，上述控制装置，在上述直流电动机以惯性旋转时，设定微小值作为上述目标值，把该微小值的电流供给上述直流电动机。

2、根据权利要求1所述的直流电动机的控制装置，其特征在于，上述控制装置在上述电源开关变为断开时设定微小值作为上述目标值，把该微小值的电流供给上述直流电动机。

3、根据权利要求1所述的直流电动机的控制装置，其特征在于，上述控制装置在上述目标值变为零的情况下设定微小值作为上述目标值，把该微小值的电流供给上述直流电动机。

4、根据权利要求1至3中任一项所述的直流电动机的控制装置，其特征在于，上述控制装置在开始上述微小值电流的供给之后，经过预定时间后使上述微小值变为零。

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