專利名稱：用于制動(dòng)一個(gè)電換向電機(jī)的控制方法和電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制動(dòng)一個(gè)電換向電機(jī)，尤其是一個(gè)在手動(dòng)工具中用作驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)磁阻電機(jī)的控制方法和電路。
在手動(dòng)工具中，電換向電機(jī)被用作具有高功率的小體積驅(qū)動(dòng)器，它必須在被使用者關(guān)機(jī)后迅速被制動(dòng)。
這種電機(jī)包括諸如無電刷直流電機(jī)，恒磁同步電機(jī)，異步電機(jī)和開關(guān)磁阻(SR)-電機(jī)，這種電換向電機(jī)由一個(gè)具有多個(gè)由恒磁或軟磁材料構(gòu)成的電極的，可旋轉(zhuǎn)放置的轉(zhuǎn)子和一個(gè)具有多個(gè)極靴的定子組成，并且它們具有一個(gè)穿過線圈的磁流被調(diào)節(jié)，在旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子接通電流的時(shí)間內(nèi)線圈通過一個(gè)逆整流器(Wechselrichter)與電壓源連接，逆整流器通過一個(gè)與用于確定轉(zhuǎn)子角的傳感器相連接的，微控制器的控制-和調(diào)節(jié)電路，參照一個(gè)額定值被調(diào)節(jié)。
通過電流方向和在一個(gè)相位周期中的開通-或關(guān)斷點(diǎn)，在一個(gè)導(dǎo)通時(shí)間中產(chǎn)生或者一個(gè)驅(qū)動(dòng)矩，或產(chǎn)生一個(gè)制動(dòng)矩。在SR-電機(jī)中逆整流器通常被設(shè)計(jì)為半橋，因?yàn)殡娏鞑粌H在電機(jī)的，而且也在發(fā)電機(jī)的工作模式下在一個(gè)電流方向上流過線圈。通常在電網(wǎng)側(cè)整流器和負(fù)載側(cè)逆整流器之間設(shè)置一個(gè)中間電路，其中一個(gè)中間電路電容器用于短時(shí)間的能量供給。
為了制動(dòng)轉(zhuǎn)子，通常在短路或釋放方式中的旋轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子或定子中的熱，或者在發(fā)電機(jī)模式下反饋給中間電路或電網(wǎng)，或者在分開的制動(dòng)阻抗中轉(zhuǎn)換為熱?？焖僦苿?dòng)中的缺點(diǎn)在于，不僅增加了形式為制動(dòng)阻抗的構(gòu)件及必要的功率開關(guān)和控制電路，而且諸如在定子線圈中的短路電流和轉(zhuǎn)子中的磁場(chǎng)強(qiáng)度等工作參數(shù)變得不能被允許地高。
按照DE 19949804 A1，一種具有一個(gè)永磁轉(zhuǎn)子的無電刷直流電機(jī)具有三個(gè)角度錯(cuò)開的霍爾-傳感器，三個(gè)線圈并且在整流器之間具有一個(gè)設(shè)計(jì)為三個(gè)橋臂具有并聯(lián)的空載二極管的全橋的逆整流器，它具有一個(gè)有一個(gè)中間電路電容和一個(gè)電流測(cè)量電阻的電壓中間電路。通過一個(gè)包含在微控制器中的合成電機(jī)模型，在負(fù)載和轉(zhuǎn)速變化時(shí)如此調(diào)整，使得饋給電機(jī)的直流電壓與電機(jī)中感應(yīng)的電壓有規(guī)定的關(guān)系，并從而電機(jī)以合適的工作方式工作。在用于制動(dòng)的發(fā)電機(jī)工作方式下，可能出現(xiàn)的不允許地高的中間電路電壓—它會(huì)導(dǎo)致逆整流器或電機(jī)的損壞—通過其它調(diào)整電路被限制。這種方案的缺點(diǎn)是，在電流-和電壓側(cè)被限制的，發(fā)電機(jī)工作方式下很小的制動(dòng)矩。
按照DE 4311533 A1，對(duì)于一個(gè)無電刷直流電機(jī)的控制方法支持不同優(yōu)先級(jí)和部分組合的電機(jī)功能換向；被調(diào)節(jié)的節(jié)拍；中斷；切換電機(jī)方式到無節(jié)拍的發(fā)電機(jī)方式。這個(gè)方案的缺點(diǎn)是在短路工作下快速制動(dòng)時(shí)可能出現(xiàn)不允許地高的損耗，它會(huì)導(dǎo)致逆整流器或電機(jī)的損壞。
按照EP 534761 B1，在一個(gè)運(yùn)行電換向SR-電機(jī)的方法中它在較高轉(zhuǎn)速時(shí)工作在恒定電流工作方式下，導(dǎo)通時(shí)間的開通時(shí)間點(diǎn)在半個(gè)相位周期上延伸并且在多個(gè)相位周期上被調(diào)整。
按照DE 3721477，為了嚴(yán)格調(diào)整用電換向電機(jī)的放帶設(shè)備的速度，一個(gè)線圈工作在電機(jī)工作方式下，而同時(shí)另一個(gè)線圈工作于發(fā)電機(jī)方式下。它們的磁場(chǎng)重迭。這種方案不適用于快速制動(dòng)。
按照DE 19518991，在一個(gè)運(yùn)行電換向電機(jī)的方式中在一個(gè)相位周期內(nèi)在短路制動(dòng)(每一個(gè)橋臂導(dǎo)通或關(guān)斷)和發(fā)電機(jī)方式(兩個(gè)橋臂關(guān)斷)之間快速切換，這樣一方面中間電路被饋電，另一方面，或者是制動(dòng)電流，或者是中間電路電壓被調(diào)節(jié)到最大允許限度。此方案的缺點(diǎn)是在電流-和電壓側(cè)受限制的，發(fā)電機(jī)工作方式下很小的制動(dòng)矩。
此外按照EP 534761 B1，在一個(gè)運(yùn)行電換向SR-電機(jī)的方法中它在較高轉(zhuǎn)速下工作于恒定電流工作方式下，導(dǎo)通時(shí)間的開通時(shí)間點(diǎn)在半個(gè)相位周期上延伸并且在多個(gè)相位周期上被調(diào)整。
本發(fā)明的目的在于給出制動(dòng)電換向電機(jī)的一種方法和一種電路，其中無需增加制動(dòng)裝置，且不出現(xiàn)不允許地高的工作參數(shù)。
上述任務(wù)主要由獨(dú)立的權(quán)利要求所述特征完成。其它權(quán)利要求給出有優(yōu)點(diǎn)的其它設(shè)計(jì)。
在制動(dòng)電換向電機(jī)的方法中主要是在一個(gè)相位周期內(nèi)涉及至少一個(gè)線圈的逆整流器不僅在電機(jī)工作方式下，而且也在發(fā)電機(jī)工作方式下用不等于零的導(dǎo)通時(shí)間工作，其中對(duì)應(yīng)于導(dǎo)通時(shí)間的驅(qū)動(dòng)矩或制動(dòng)矩在相位周期上平均產(chǎn)生一個(gè)綜合的制動(dòng)矩。
在兩個(gè)工作方式下不僅流過逆整流器，也流過定子線圈的電流不僅引起逆整流器中的熱，而且也引起電機(jī)線圈中的熱，并且引起對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子空間中的漏磁損耗，并從而導(dǎo)致分配損耗，這涉及在允許的電流界限值內(nèi)最大化工作參數(shù)和盡可能快速地制動(dòng)電機(jī)。
用微控制器和與其相連接的逆整流器制動(dòng)電機(jī)的控制方法包含以下步驟·在第一步中至制動(dòng)方式的轉(zhuǎn)換被檢測(cè)，有優(yōu)點(diǎn)的是由使用者關(guān)機(jī)；·在第二步中通常的電機(jī)方式，最好具有一個(gè)轉(zhuǎn)速-和/或力矩調(diào)整，被結(jié)束，并且轉(zhuǎn)換到制動(dòng)方式；·在其它的周期地重復(fù)的步驟中，具有驅(qū)動(dòng)矩的第一個(gè)導(dǎo)通時(shí)間及時(shí)間上與其錯(cuò)開的具有制動(dòng)矩的第二個(gè)導(dǎo)通時(shí)間如此產(chǎn)生，使得它們?cè)谝粋€(gè)相位周期上平均產(chǎn)生一個(gè)綜合的制動(dòng)矩。
在通常的一個(gè)高度優(yōu)化的調(diào)節(jié)電路中，在制動(dòng)方式下由線圈整個(gè)延遲調(diào)節(jié)的電流強(qiáng)度有優(yōu)點(diǎn)地在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)通過限流而被限制到一個(gè)電流界限值上，方法是導(dǎo)通時(shí)間被中斷，這樣避免了逆整流器或電機(jī)受到不允許地高的電流強(qiáng)度的傷害。
有優(yōu)點(diǎn)的是在電機(jī)導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)和在發(fā)電機(jī)導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)不同的電流界限值被用于限流，這樣通過變化作為參數(shù)的相應(yīng)電流界限值可以獨(dú)立調(diào)整在一個(gè)相位周期上平均的相應(yīng)矩。此外優(yōu)點(diǎn)還在于對(duì)電機(jī)導(dǎo)通時(shí)間設(shè)置的總計(jì)較小的電流界限值被用作參數(shù)，這樣總產(chǎn)生一個(gè)最大的允許制動(dòng)矩并簡(jiǎn)化了調(diào)整。
有優(yōu)點(diǎn)的是在一個(gè)通過限流優(yōu)化的調(diào)節(jié)電路中存在一個(gè)中間電路時(shí)，在制動(dòng)方式下由感應(yīng)整個(gè)延遲構(gòu)成的中間電路電壓限制在一個(gè)允許的電壓界限值上，在發(fā)電機(jī)導(dǎo)電時(shí)間內(nèi)通過限流到作為控制參數(shù)使用的電流界限值，通過一個(gè)最好是連續(xù)的電壓調(diào)節(jié)器限制中間電路電壓，這樣避免了過高的中間電路電壓對(duì)逆整流器或電機(jī)的傷害。
有優(yōu)點(diǎn)的是中間電路電壓的電壓調(diào)節(jié)器被用于控制一個(gè)相位周期上平均的綜合制動(dòng)矩，因?yàn)樵谥虚g電路電容器中一個(gè)相位周期上平均的中間電路電壓的變化是對(duì)于放出和反饋能量的能量平衡的一個(gè)度量，這樣綜合的制動(dòng)矩可簡(jiǎn)單地通過電流界限值的大小被調(diào)整。當(dāng)在其之間來回切換的兩個(gè)電流界限值之差最大時(shí)得到最大的制動(dòng)矩。
有優(yōu)點(diǎn)的是在較高轉(zhuǎn)速下制動(dòng)方式時(shí)，電機(jī)工作于恒定電流工作方式，具有在半個(gè)相位周期上的單個(gè)導(dǎo)通時(shí)間，電機(jī)和發(fā)電機(jī)導(dǎo)通時(shí)間在時(shí)間上無縫地相互連接，這樣制動(dòng)方法也可用于較高轉(zhuǎn)速的情況下。
下面借助一個(gè)優(yōu)化實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明。附圖中

圖1是工作循環(huán)圖，圖2是電流-時(shí)間圖，圖3是原理的控制-和調(diào)節(jié)電路的實(shí)施例。
如圖1所示，一個(gè)SR-電機(jī)的工作循環(huán)具有一個(gè)電機(jī)的導(dǎo)通時(shí)間t1-t2和一個(gè)發(fā)電機(jī)的導(dǎo)通時(shí)間t3-t4，相應(yīng)通過線圈的電流I上的磁流Ψ在一個(gè)相位周期T上構(gòu)成一個(gè)無電流縫隙的順時(shí)針方向的循環(huán)過程，其封閉的面積Wc是對(duì)制動(dòng)能量的一個(gè)度量。導(dǎo)通時(shí)間的開通和關(guān)斷時(shí)間t1，t2，t3，t4由微控制器可控地配置給確定的轉(zhuǎn)子角位置。對(duì)應(yīng)于最大允許流過線圈的電流強(qiáng)度I的第一個(gè)電流界限值Imax通過中斷限制在發(fā)電機(jī)導(dǎo)通時(shí)間t3-t4中的電流。第二個(gè)，作為參量可改變的下電流界限值Imin通過中斷限制電機(jī)導(dǎo)通時(shí)間t1-t2中的電流。
如圖2所示，通過線圈的電流I的電流-時(shí)間圖具有一個(gè)時(shí)間上無縫隙地相互連接的，從電機(jī)導(dǎo)通時(shí)間t1-t2至發(fā)電機(jī)導(dǎo)通時(shí)間t3-t4的過渡，其中在發(fā)電機(jī)導(dǎo)通時(shí)間t3-t4中電流I被最大允許電流界限值Imax限制，在電機(jī)導(dǎo)通時(shí)間t1-t2中電流I被可變的下電流界限值Imin限制。
圖3示出一個(gè)具有一個(gè)電換向電機(jī)4的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原理電路圖。電機(jī)4在一個(gè)逆整流器7上工作，逆整流器從作為微控制器一部分的邏輯電路3接收其控制命令Zi。邏輯電路3處理從上級(jí)系統(tǒng)控制器6和電流調(diào)節(jié)器/限制器2收到的控制命令。電流調(diào)節(jié)器2收集通過線圈的電流I，將其與系統(tǒng)控制器6確定的電流界限值Imin，Imax中的一個(gè)進(jìn)行比較，必要時(shí)與一個(gè)電流額定值Isoll比較，并且由此根據(jù)實(shí)現(xiàn)的調(diào)整方法導(dǎo)出相應(yīng)的控制命令yi。電流額定值由一個(gè)外加的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器1提供，它從一個(gè)轉(zhuǎn)速-或角位置檢測(cè)器5接收轉(zhuǎn)速實(shí)際值n，從例如系統(tǒng)控制器6接收轉(zhuǎn)速額定值N。上級(jí)系統(tǒng)控制器6除了收集圖中未詳細(xì)示出的系統(tǒng)值以外，收集轉(zhuǎn)子角α和/或電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)際值n以及中間電路電壓U。轉(zhuǎn)子角α可以由轉(zhuǎn)速實(shí)際值n和時(shí)間以良好的近似求出或反過來。這個(gè)通常的原理電路除了對(duì)通過線圈的電流I的第一個(gè)電流限制值Imax之外，還具有一個(gè)用于限制中間電路電壓U的電壓調(diào)節(jié)電路。電壓調(diào)節(jié)電路由電壓調(diào)節(jié)器8組成，它將中間電路電壓U與一個(gè)規(guī)定的最大允許電壓Umax比較，并由此產(chǎn)生第二個(gè)下電流界限值Imin如果U大于最大值Umax，Imin變大，并且朝著規(guī)定的上電流界限值Imax改變。兩個(gè)電流界限值Imin和Imax被送到一個(gè)切換塊9，它根據(jù)系統(tǒng)控制器6的輸出值—在上述方法的意義上—交替地每次傳送兩個(gè)電流界限值Imin，Imax中的一個(gè)至電流調(diào)節(jié)器2。在所述制動(dòng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器1不工作，因而其輸出值Isoll也不被使用，在正常電機(jī)工作方式下它被連接到電流調(diào)節(jié)器2的額定值輸入端。
本實(shí)施例涉及一個(gè)SR-電機(jī)。此方法也可用于其它電換向電機(jī)，這對(duì)專業(yè)人員原理上是沒有問題的，并且只需對(duì)此實(shí)施例作輕微的改動(dòng)即可。
權(quán)利要求
1.用一個(gè)微控制器控制的逆整流器(7)制動(dòng)一個(gè)電換向電機(jī)(4)的控制方法，其特征在于，在一個(gè)相位周期(T)內(nèi)涉及至少一個(gè)線圈的逆整流器(7)連續(xù)地不僅在電機(jī)工作方式下，也在發(fā)電機(jī)工作方式下以不等于零的導(dǎo)通時(shí)間(t1-t2，t3-t4)工作，其中配置給導(dǎo)通時(shí)間(t1-t2，t3-t4)的驅(qū)動(dòng)矩或制動(dòng)矩在相位周期(T)上平均產(chǎn)生一個(gè)綜合的制動(dòng)矩。
2.如權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，為制動(dòng)電機(jī)(4)由微控制器和與其連接的逆整流器(7)完成以下步驟第一步至制動(dòng)方式的轉(zhuǎn)換被檢測(cè)，最好由使用者關(guān)機(jī)；第二步通常的電機(jī)方式，最好具有一個(gè)轉(zhuǎn)速-和/或力矩調(diào)整，被結(jié)束并轉(zhuǎn)換到制動(dòng)方式；在其它周期性重復(fù)的步驟中，具有驅(qū)動(dòng)矩的第一個(gè)導(dǎo)通時(shí)間(t1-t2)以及時(shí)間上與其錯(cuò)開的，具有制動(dòng)矩的第二個(gè)導(dǎo)通時(shí)間(t3-t4)如此被產(chǎn)生，使得它們?cè)谝粋€(gè)相位周期(T)上平均產(chǎn)生一個(gè)綜合的制動(dòng)矩。
3.如權(quán)利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，在一個(gè)高度優(yōu)化的調(diào)節(jié)電路中在制動(dòng)方式中由線圈整個(gè)延遲調(diào)整的電流強(qiáng)度(I)在導(dǎo)通時(shí)間(t1-t2，t3-t4)內(nèi)被一個(gè)限流限制到一個(gè)電流界限值(Imin，Imax)上，方法是導(dǎo)電時(shí)間(t1-t2，t3-t4)被中斷。
4.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的控制方法，其特征在于，在電機(jī)導(dǎo)通時(shí)間(t1-t2)和在發(fā)電機(jī)導(dǎo)通時(shí)間(t3-t4)中限流采用不同的電流界限值(Imin，Imax)，并且最好只有數(shù)值小的電流界限值(Imin)被用作調(diào)節(jié)參數(shù)。
5.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的控制方法，其特征在于，在一個(gè)通過限流優(yōu)化的調(diào)節(jié)電路中存在中間電路時(shí)，在制動(dòng)方式下由感應(yīng)整體延遲構(gòu)成的中間電路電壓(U)被限制到一個(gè)允許的電壓值(Umax)上，在發(fā)電機(jī)導(dǎo)通時(shí)間(t3-t4)內(nèi)中間電路電壓(U)通過限流到作為控制參數(shù)使用的數(shù)值較小的電流界限值在一個(gè)最好是連續(xù)的電壓調(diào)節(jié)器(8)上被限制。
6.如權(quán)利要求5所述的控制方法，其特征在于，中間電路電壓(U)的電壓調(diào)節(jié)器(8)被用于控制在相位周期(T)上平均得到的制動(dòng)矩。
7.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的控制方法，其特征在于，在較高轉(zhuǎn)速時(shí)制動(dòng)方式下電機(jī)(4)以恒定電流工作方式工作，單個(gè)導(dǎo)通時(shí)間(t1-t2，t3-t4)為半個(gè)相位周期(T)，電機(jī)和發(fā)電機(jī)的導(dǎo)通時(shí)間(t1-t2，t3-t4)時(shí)間上無縫隙地相互連接。
8.實(shí)現(xiàn)如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的制動(dòng)一個(gè)電換向電機(jī)(4)的控制方法的電路，其特征在于，存在一個(gè)用于兩個(gè)電流界限值(Imin和Imax)的切換塊(9)，它與系統(tǒng)控制器(6)和電流調(diào)節(jié)器(2)相連接。
9.如權(quán)利要求8所述的電路，其特征在于，電壓調(diào)節(jié)器(9)與中間電壓(U)和切換塊(9)的電流界限值(Imin)輸入端相連接。
10.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法和/或電路在手動(dòng)工具中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及制動(dòng)一個(gè)電換向電機(jī)的控制方法和電路，其中在一個(gè)相位周期(T)內(nèi)涉及至少一個(gè)線圈的逆整流器連續(xù)地不僅在電機(jī)工作方式下，而且也在發(fā)電機(jī)工作方式下以不等于零的導(dǎo)通時(shí)間(t
文檔編號(hào)H02P6/24GK1398042SQ02126220
公開日2003年2月19日 申請(qǐng)日期2002年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月16日
發(fā)明者威斯麥基·沃爾特, 鮑爾·魯?shù)婪? 多羅克·威爾莫斯 申請(qǐng)人:希爾蒂股份公司