CN100454747C - 用于磁通转换电动机的励磁电路和控制方法 - Google Patents

用于磁通转换电动机的励磁电路和控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN100454747C
CN100454747C CNB2004800060685A CN200480006068A CN100454747C CN 100454747 C CN100454747 C CN 100454747C CN B2004800060685 A CNB2004800060685 A CN B2004800060685A CN 200480006068 A CN200480006068 A CN 200480006068A CN 100454747 C CN100454747 C CN 100454747C
Authority
CN
China
Prior art keywords
switch
circuit
motor
input signal
armature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CNB2004800060685A
Other languages
English (en)
Other versions
CN1757154A (zh
Inventor
巴努·戈泰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Black and Decker Inc
Original Assignee
Black and Decker Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Black and Decker Inc filed Critical Black and Decker Inc
Publication of CN1757154A publication Critical patent/CN1757154A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN100454747C publication Critical patent/CN100454747C/zh
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/20—Arrangements for starting
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • H02P25/08—Reluctance motors
    • H02P25/092—Converters specially adapted for controlling reluctance motors
    • H02P25/0925—Converters specially adapted for controlling reluctance motors wherein the converter comprises only one switch per phase
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/08—Arrangements for controlling the speed or torque of a single motor
    • H02P6/085—Arrangements for controlling the speed or torque of a single motor in a bridge configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/15—Controlling commutation time

Abstract

一种用于磁通转换电动机的励磁电路。该励磁电路包括跨接桥式整流器的DC侧的低值薄膜电容器。多个电子开关被布置成H-桥结构，用于根据由微控制器控制的PWM控制模式和单脉冲控制模式，转换流过电动机的电枢绕组的电流。启动二极管被放置为跨接在电动机的励磁绕组的两端，并且在电动机的启动阶段完成之后，被从该电路电子地断开。在启动期间，该电路实现通过励磁绕组的电枢能量回流，以促进电动机更加均匀和更加快速地启动。薄膜电容器的使用改进了该电路的功率因数，有助于消除引入AC电压源的谐波，并且有助于缓解EMI。在断电时，利用反向整流使电动机更快地停止。

Description

用于磁通转换电动机的励磁电路和控制方法
技术领域
本发明涉及用于电动机的励磁电路，更具体地讲，涉及用于磁通转换电动机的励磁电路和控制方法，以控制该电动机的启动和运行。
背景技术
磁通转换电动机的特征在于未卷绕的凸极转子和定子上的两组全节距绕组(fully pitched winding)。两组绕组中的一组——励磁绕组——带有单向电流。另一组绕组——电枢绕组——由双向电流激励，其极性由定子位置决定。
磁通转换电动机适合被用在包括大的家用电器和电动工具等的多种应用中使用，例如，台锯、斜切锯和其它需要大于分马力输出的工具。由于不使用在通用电动机中使用的电刷和惯用整流子(commutator)，所以磁通转换电动机也特别适合于在诸如锯之类的电动工具中使用。不用电刷以及电刷与整流子之间的机械接触，允许构造密封电动机，该密封电动机能高度隔绝可能影响惯用通用电动机的电刷和整流子的运行的灰尘。由于不存在需要用整流子和电刷转换电动机时产生的磨损和撕裂，这种电动机还具有更长的寿命，并且不需要定期地修理和/或保养。
对于磁通转换电动机，通常使用一对电子开关来电整流(commutate)这种电动机。开关通过某种形式的控制器来控制，该控制器采用这样的方式：流过一个电枢绕组或多个电枢绕组中的一个的电流的方向，或流过双线电枢绕组的不同部分的电流的方向能够被控制，以整流该电动机。
在切断电子开关和整流电动机时，许多这样的惯用整流电路需要使用“缓冲(snubber)”电路来提供电流的路径。但是，在每次将电流转换为通过电枢绕组中的一个或通过单个双线绕组的不同部分时，这种缓冲电路必须消耗相当大的电量，这意味着浪费电力。这种方案的铜的利用率也很低。
用于当今磁通转换电动机的励磁电路一般也需要包括跨接该电路的整流器部分输出端的铝电解电容器，以在整流电动机时产生稳定的dc电压并控制产生的瞬变电流。但是，不使用通常被称为“体(bulk)”电容器的铝电解电容器，磁通转换电动机从静止到启动可能会非常缓慢和不均匀。此外，不使用这种体电容器，电动机到达其运行速度可能要花费不可接受的长时间。在许多应用中，例如在用台锯或斜切锯之类的电动工具的应用中，使用者不希望在能够使用该工具之前必须等待数秒或更长的时间来使电动机达到其运行速度。
但是，这种体电容器也会造成低功率因数，一般为0.75-0.70，这降低了电动机能够从电流保护支路提取的功率。除了寿命有限(一般约为2,000小时)之外，体电容器也相对较大，并在印刷电路板占用相当大的空间。它们也容易由于震动而发生故障，因此，不是特别适于在电动工具中使用。此外，体电容器不能减轻进入AC电源的谐波效应。尽管当前在美国这不是十分严重的问题，但是谐波进入AC电源在欧洲是被十分重视的，并且在设计被用于欧洲的电动机励磁电路时，这是一个必须考虑的问题。
因此，很希望提供一种用于磁通转换电动机的励磁电路，这种电路通过利用多个电子开关的布置和一种转换控制模式，以电子地整流电动机，来提供通过电枢绕组的电流回流。一个相关的目的是要通过使用上述开关的转换控制模式和布置，免除对惯用缓冲电路的需要。
本发明的另一个目的是要提供一种用于磁通转换电动机的励磁电路，这种电路在励磁电路的整流部分输出端的两端使用较小的薄膜电容器而非传统的体电容器。使用薄膜电容器而非传统的铝电解电容器除了会显著地减小可能被该电路引回到AC电源的谐波，还会显著提高电路的功率因数。这有利于减轻EMI(电磁干扰)。
本发明的再一个目的是要提供一种用于磁通转换电动机的励磁电路，这种电路使用一种转换电路，该转换电路能够加以控制以实现电动机电枢绕组的反向整流，从而在断开电动机时，能够使电动机迅速停止。当该磁通转换电动机用在诸如台锯、斜切锯、旋转锤之类的电动工具中时，这一特征也是非常理想的。
当把任何形式的电动机用于锯、钻、打磨机、刳刨机之类的电动工具时的又一个考虑是，当把工具最初插到AC电源上时，如果使用者将他/她的手指放在on/off开关上(例如，on/off触发器)，无意中地启动了电动工具。在这种情况下，如果使用者没有注意到他/她在把工具的电源线插到AC电源插座中的同时按动了on/off开关，那么电动机的突然启动可能会使使用者受到惊吓。尽管在初次施加AC电源时，用于电子地整流电动机的电子控制器可以被用来监视工具的on/off开关的位置，但是，希望为此目的提供一个独立的开关监视电路。因此，当给电动工具初次施加AC电源时，如果电子控制器发生误操作并且没有检测到on/off开关处于“on”的位置上，那么独立的开关位置监视电路仍然能够检测到这种条件。
发明内容
为达到上述和其它目的，提供一种根据本发明优选实施例的用于磁通转换电动机的励磁电路。该励磁电路包括开关电路，该开关电路包括多个与该磁通转换电动机的电枢绕组配置成H-桥排列的电子开关器件。至少被选定的电子开关具有诸如二极管之类的旁路元件，以在电动机整流过程中使电枢电流能够回流。这免除对于惯用缓冲电路的需要，并且提高该电动机的扭矩/速度性能。
该励磁电路进一步包括跨接该电路的整流部分输出端的薄膜电容器，而非惯用的体电容器。该薄膜电容器显著提高该电路的功率因数，同时也减小该励磁电路通电时引入AC电源的谐波。
该励磁电路还包括用于控制电子开关器件的开关的控制器。在一个优选形式中，该控制器包括与单脉冲控制相结合实现脉宽调制(PWM)控制方模式的微处理器，用于控制施加到电子开关的开关信号的占空因数。具有PWM控制模式的控制器的使用进一步使改变扭矩/速度曲线图能够得以实现，从而可以将单独的磁通转换电动机的工作特性应用到不同的应用领域，而完全无需修改电动机本身。仅对用于控制器的软件进行修改就能够改变电动机的扭矩/速度曲线图，以获得用于特定工具的电动机的最佳性能，上述特定工具与电动机一起使用。
在替代的优选实施例中，本发明结合了独立的on/off开关监视电路，用于在把AC电源初次施加到电动工具上时，监视该系统使用的电动工具的on/off开关是否处于“on”的位置。如果在初次施加AC电源时，on/off开关(例如on/off触发器)保持在“on”位置，那么实际上这种条件被立即检测到，并且用锁存电路使用于电子地整流电动机的电开关部件无效。在这种情况下，需要使用者释放on/off开关，然后在能够给电动机通电之前重新啮合该开关。如果在施加电力时没有啮合该开关，那么可以整流电动机，而没有来自监视电路的任何干涉。
本发明进一步的应用领域可以从下面提供的详细说明中了解。应当理解，尽管详细的说明和特定示例表示出了本发明的优选实施例，但仅仅是为了举例说明的目的，而不是要限制本发明的范围。
附图说明
从详细说明和附图可以对本发明有更充分的理解，其中：
图1是根据本发明优选实施例的励磁电路的简化框图；
图2是更详细地示出了H-桥开关电路的图1中励磁电路的简化示意图；
图2a是用于从励磁绕组的两端取消二极管的替代电路的示意图；
图3是位置传感器输出信号和电动机产生的反向EMF的曲线图，并且也示出了使用的PWM开关信号中的超前；
图4A-4D是与转子位置传感器输出波形有关的PWM开关信号的曲线图，用简化方式示出了在各种运行启动模式期间，作为电动机速度的函数的占空因数的变化；
图4E是与电动机速度有关的单脉冲开关信号的曲线图；
图5是本发明的系统使用的、与电动机速度有关的示例PWM占空因数的曲线图；
图6是与电动机速度有关的PWM占空因数的总包络曲线图；
图7是与启动过程中AC线路电压有关的PWM占空因数调制的曲线图；和
图8是无电压释放电路的简化图示，该电路用于在工具的AC电源线初次连接到AC电源时，工具的on/off开关(例如，on/off触发器)保持闭合的情况下，保证电力不被施加到电动工具的电动机上。
具体实施方式
以下优选实施例的说明仅仅是示例性质的，而不是要限制本发明、其应用和用途。
参见图1，图中示出了根据本发明的优选实施例的励磁系统10。系统10通常包括与磁通转换电动机14相连的电源开关电路12。电动机14包括惯用的磁通转换电动机，该磁通转换电动机具有带有多个磁极的定子、全节距励磁绕组和全节距电枢绕组，在一个优选形式中，定子具有四个磁极。励磁和电枢绕组的匝数可以改变，但是，在一个优选形式中，电动机14包括具有每线圈40匝的励磁绕组以及每线圈20匝的电枢绕组。在一个优选形式中，定子具有作为将电枢绕组布置在两个平行部分中的结果的一对中间磁极。
电动机14也具有转子，该转子的旋转位置由位置传感器16监视。传感器16的输出信号用到诸如微处理器之类的控制器18中。可以使用多个机械开关将信息输入到控制器18中，以向控制器发出各种事件的信号，例如用于开启电动机14的on/off触发开关20a的接通。控制器产生施加到驱动电路22的开关信号。驱动电路22的输出用于控制电源/开关电路12的开关部件，从而电子地整流电动机14。
预期系统10将被用于各种不同的电动工具，一种特定的应用是与组合台锯/斜切锯有关。在这种应用中，通常包括多个外部开关，以向控制器18发出电动机14被用(即，定位)在台锯模式中、还是斜切锯模式中的信号。从这种信息中，控制器18可以改变其对驱动部分22的输出信号，从而使驱动部分能够用修改以提供特定要求的扭矩/速度性能曲线的方式控制电动机14的整流。
优选包括冗余开关检测电路部分24，用于监视外部开关20的启动。电路24向驱动部分22提供信号，指示一个或多个外部开关的启动、或者一个或多个外部开关的释放。在驱动部分22能够产生适当信号以开启电动机14之前，驱动部分22接收来自控制器18以及来自冗余开关检测电路24的适当信号。因此，冗余开关检测电路24充当了安全装置，以保证控制器18本身的任何误操作都不能产生发送到驱动部分22的信号，该信号会依次给电动机14上电。优选使用可选数据采集电路26，用于在EEPROM中存储工具使用数据。
参见2，图中详细地示出了系统10的电源/开关部分12。应当理解，图2的示意图没有包括冗余开关检测电路24、外部开关20、驱动部分22或数据采集电路26。电动机14被表示为励磁绕组28和电枢绕组30的高度简化的形式。AC电源32将AC输入功率提供到全波桥式整流电路34中。薄膜电容器36耦合在DC干线33a和33b之间，以便耦合在整流器34的输出端(即，DC侧)之间。在一个优选形式中，薄膜电容器36包括金属化聚丙烯薄膜电容器，该电容器具有优选在10μfd-15μfd之间、更好是12.5μfd的电容值。该数值是由EMI测试和谐波测试规定的。
启动二极管38经由继电器40的输出侧上的一对开关触点40a耦合在励磁绕组28的两端。应当知道，启动二极管38和继电器40可以被替代为闸流晶体管、或者通过带有三端双向可控硅开关输出端或闸流晶体管输出端的光学开关或脉冲变压器选通的其它适当形式的半导体器件。电枢能量回收电容器42也耦合在DC干线33a和33b之间。电枢能量回收电容器42优选大约为10μfd-15μfd之间，更好为约12.5μfd。
二极管38可以与继电器触点40a组合使用，以根据电动机工作在启动模式还是运转模式来保持二极管或从电路中除去二极管。可选实施例是用闸流晶体管35代替二极管，用脉冲变压器35a(图2a)代替继电器。两种实施例都以基本上相同的方式发挥作用。
进一步参见图2，电源/开关部分12包括以H-桥形式与电枢绕组30连接的多个电子开关器件44、46、48和50。每个电子开关44-50可以包括任何适当形式的电子开关器件，但是在一个优选形式中，每个开关44-50均包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)。还应当注意，每个开关44-50均包括各自的二极管44a-50a，这些二极管通常被理解为“自由轮转”二极管。在电动机14启动期间，这些自由轮转二极管44a-50a促进电枢能量回流。这个特征将立即更详细地说明。
首先，应当理解，开关44-50作为两对加以控制：包括开关44和46的第一对，以及包括开关48和50的第二对。每个开关44-50的栅极经由驱动部分22耦合到控制器18。控制器18根据检测的电动机速度，使用脉宽调制(PWM)控制模式，或通过单脉冲控制，接通开关44和48中的每一个。仅通过单脉冲控制方模式控制开关46和50。
控制器18从位置传感器16接收指示电动机14的转子52的转动位置的信号。在一种优选的形式中，位置传感器16包括光学传感器。一种特别适合于系统10使用的光学传感器是可以从德克萨斯州卡罗顿市的OptekTechnology公司(Optek Technology Inc.of Carrollton，TX)买到的开槽光学开关。位置传感器16可以由能够指示转子位置的多个不同器件构成，例如，磁开关。
简单参见图3，示出了在传感器16检测图2所示转子52的每个磁极52a的位置时产生的波形54。每个磁极52a的检测产生通常为方形波脉冲的正向前沿56。4-极转子52每次360°的旋转产生四个脉冲。因此，对于4-极电动机，每个脉冲的宽度近似为45机械度。那么应当理解，波形54的频率将根据检测的电动机速度增大和减小。
运行模式
当电动机14首次通电达到优选为大约15,000rpm的额定电动机速度时，系统10实现顺序地执行的数种运转模式，而没有在启动过程中引起过大的电流。这四种模式将在以下的小节1-4中讨论。
1.初始启动模式(大约0-450rpm)
现在参见图2和4，在电动机14的初始启动过程中，AC电源32向整流器34的输入侧提供AC电力，在一种优选形式中，为230伏AC信号。整流器34在DC总线33a和33b之间产生整流AC信号。当电动机14首次通电时，如果传感器输出波形是逻辑“1”(即，高)电平，那么控制器18使开关44和46接通，以允许电流沿箭头58的方向流过电枢绕组30。转子52优选压在或耦合到电动机14的输出轴上，并且相对于传感器16对准，从而能够知道电枢绕组30产生的反向EMF为正。因此，为了取得正的扭矩，需要电流沿箭头58的方向流过电枢绕组30。
当电动机14初次通电时，响应来自控制器18的信号，通过闭合开关触点40a启动继电器40，将启动二极管38置于励磁绕组28的两端。这为流过励磁绕组28的励磁电流提供回流路径，以便在运行的启动阶段中，励磁电流不会间断。但是，如将在小节4中进一步说明的，一旦电动机14运行在至少约为15,000rpm的速度时，通过打开触点40a——这将继电器40释放——将启动二极管38从电路12中除去。通过产生高效和更高的输出功率，保证电动机的最佳性能。
在初始启动模式期间，当检测到波形54处于逻辑1电平时，PWM开关信号60(图4a)仅施加到开关44上。控制器18将开关46继续保持在“on”状态。同样地，当控制器18接通开关对48和50时(当波形54如图4b所示那样处于逻辑电平0时)，只有开关48接收到PWM开关信号60；控制器18将开关50继续保持在“on”，直到控制器将开关对48和50断开。这种方案是通过这里描述的全部启动模式实现的。
通过这里描述的全部启动模式，将施加到开关44和48的PWM开关信号60的频率保持在优选的50KHz左右(周期200μsec)；这仅是经过修改的PWM开关信号60的占空因数(如图5中所示)。但是，也应当理解，这个5KHz PWM开关信号60在频率上也可以增大或减小，以适应特定的应用。
在初始启动模式期间(即，大约0-450rpm之间)，电动机的速度太低，以致无法通过控制器18可靠地确定。同样，在这个电动机速度范围中，PWM开关信号60具有恒定的(即，固定的)占空因数，优选是大约10％-25％的范围，更好是大约20％。在图5中通过曲线70的70a部分示出了这种情况，被示为具有20％的固定占空因数。图4A代表处于近似200rpm的电动机速度的控制信号。因此，波形54具有75msec的周期。在波形54的逻辑电平1部分期间(大约37.5msec)，近似188PWM周周期被发送到开关44的栅极。如图5中所示，在这种低电动机速度下，那些PWM周波的占空因数仅仅约为20％，但是在图4A的给定比例下，PWM脉冲的占空因数是不可辨别的。
进一步参见图4a，也要相对于位置传感器16产生的方形波位置传感器输出波形54对PWM开关信号60加以控制。控制PWM开关信号60，以便它能够被施加在由位置传感器16产生的每个逻辑“1”电平脉冲的包络内。用术语“包络”表示对于位置传感器输出波形54而言，施加PWM开关信号60的“on”时间的部分(即，周期)。因此，在图4a中，可以看到PWM开关信号60具有匹配位置传感器输出波形54的每个“on”脉冲周期的包络。应当注意，图4a仅示出了顶部开关44的PWM信号。当波形54在逻辑电平0时，施加到顶部开关48的PWM信号出现，并且显示在图4b中。
启动模式的附加的重要特征是每当电动机从非运动(即，静止)状态接通电源时，提供到电动机14的反向“突跳(kick)”(即，脉冲)。如上所述，控制器18从位置传感器输出波形54初步确定需要控制哪一对开关44，46或48，50，以启动电动机14的转动。在上述的例子中，控制器18初步确定需要使开关44和46产生脉动。因此，刚好在使开关44进行on和off脉动并且接通开关46以使电动机14开始转动之前，考虑到检测的转子位置，通过接通与那些通常应当接通的开关相反的开关对44，46或48，50，控制器18将至少一个脉冲施加到电动机14。因此，在这个例子中，由于在启动时波形54处于逻辑高电平，所以控制器18优选替代地将开关48和50接通8-10毫秒。这向电动机14提供了十分短暂的反向脉冲，以保证在电动机14处于启动困难的转动点的情况下，能够启动电动机14。每当通过on/off触发开关20a使电动机14首次通电时，都会施加这个瞬间反向脉冲。
在把PWM开关信号60施加到开关44时保持开关46连续接通，当开关44在施加PWM开关信号60的过程中瞬间断开时，进一步允许电枢电流通过开关46、通过开关50的自由轮转二极管50a以及通过电枢绕组30回流。同样，在控制器18接通开关对48和50时，当开关48在施加PWM开关信号60的过程中瞬间断开时，通过开关50、通过开关46的自由轮转二极管46a以及通过电枢绕组30，提供电枢电流回流。
此外，在位置传感器输出波形54的每次变化之后，当随后将信号60施加到开关44或48中的一个时，使电枢电流回流PWM开关信号60的数个周波。因此，当检测到波形54的下一个负向前沿时，开关44断开，其关联开关46仍保持接通，而开关50随后被接通。开关46和50都保持接通特定的时间，优选为100μs，在这个时间中开关46断开而开关48随后接通。当检测到波形54的下一个正向前沿时，开关48断开，开关50保持接通并且开关46随后被接通规定的时间，优选是100μs，在这个时间中开关50再次断开并且开关44接通。只要需要电枢电流回流，这种模式就继续下去。电枢电流的回流使得电动机14能够在没有体dc电容器的情况下更均匀和更快地启动。由于电枢电路的回流，H-桥开关布置不需要缓冲电路。电枢能量的回流也有助于显著地提高电动机14的效率。
在初始启动模式继续进行时，当控制器检测到波形54转变到逻辑零电平时，如波形54的后沿部分62所表示的，控制器将开关44和46断开，并且接通开关48和50。在把信号60施加到开关44和48之前，再次允许电枢电流回流PWM开关信号60的数个周波。然后，在位置传感器输出波形54处于逻辑低电平的同时，开关48启动多次。当启动开关48时，造成电流流过开关48，沿箭头64的方向流过电枢绕组30，以及流过开关50。也应当理解，在开关48断开的瞬间，开关46的自由轮转二极管46a允许通过其的电枢电流回流。
当控制器18检测到波形54变化到逻辑零电平部分时，控制器18作出断开开关44和46以及接通开关48和50的决定。当波形54处于逻辑零电平时，这表明现在电动机14的反向EMF是负的，并且将需要沿箭头64方向的电流流动，以便再次从电动机14获得正扭矩。在图3中用叠加在位置传感器输出波形54之上的波形66表示反向EMF。一旦控制器18检测到波形54的另一个前沿56，控制器断开开关48和50，并且再次接通开关44和46，然后根据预定的启动PWM占空因数(即，优选大约为20％)，通过PWM开关信号60，将开关44启动多次。连续地重复这一过程，直到电动机14达到能够被控制器18可靠地确定的预定速度(即，大约450rpm以上)。
启动阶段期间电枢能量的回流也有助于控制电枢能量存储电容器42两端的电压。在使用230伏AC输入信号的时候，通过电枢能量的回流，可以将电容器42两端的电压保持在600伏以下。薄膜电容器36和42与励磁绕组28的一同使用也形成了π形(pi)滤波器，该π形滤波器有助于减小可能引入到AC电源32的EMI和瞬变状态。
2.第一中间启动模式
第一中间启动模式紧随初始启动模式之后，并且从大约450rpm延续到优选的约6000rpm-7500rpm之间，更好是大约6700rpm。在启动序列的这个阶段，如图5中曲线70的部分70b所表示的，相对于电动机速度，PWM开关信号60的占空因数通常由控制器18从大约20％线性地提高到大约40％。在这个中间阶段中，电动机14仍然在提高速度，但是在速度上超过了大约450rpm，通过开关44和48的切换来使用电枢能量的回流。图4C示出了在大约4000rpm的电动机速度的控制信号。在4000rpm，波形54的周期近似为3.75msec。因此，波形54的逻辑电平1部分的周期大约是2msec。在波形54的逻辑电平1部分期间，接近于9个PWM周波被施加到开关44的栅极。那些PWM周波的占空因数近似为40％(图5)。
3.第二中间启动模式
第二中间启动模式紧随第一中间启动模式之后，从优选大约6700rpm的电动机速度到优选大约14,500rpm。当电动机速度达到大约6,700rpm时，控制器18改变PWM开关信号的包络(如由波形54所表示的)。更具体地讲，当达到6700rpm速度阈值时，PWM开关信号的包络以梯级形式减小到位置传感器输出波形54的每个“on”脉冲周期的一部分。如图6中所示，新包络的宽度与波形54的“on”脉冲的宽度之比的数字值是速度的函数。图4d中示出了包络的这种减小，从图4d中可以看到，PWM开关波形60包含在比由位置传感器输出波形54的一个脉冲的“on”周期定义的包络小的包络内。图4D示出了在大约10,000rpm的电动机速度的控制信号。在10,000rpm，波形54的周期近似为1.5ms。因此波形54的逻辑电平1部分的周期近似为0.8ms，但是占空因数控制(图6)进一步将其限制到0.6ms。因此，在波形54的逻辑电平1部分期间，近似3个PWM周波施加到开关44的栅极。那些PWM周波的占空因数近似为55％(图5)。
在启动序列的这个阶段中，PWM开关信号60的占空因数基本上继续随电动机速度线性地提高，从约为6700rpm的40％到约为11,000rpm的最大60％。在大约11,000rpm和14,500rpm之间，PWM开关信号60的占空因数保持恒定，如图5中曲线70的部分70c所示。但是，如图4D和图6中所示，PWM开关信号60的包络继续从位置传感器输出波形54的每个“on”脉冲周期的大约60％提高到大约80％。因此，在电动机速度达到大约14,500rpm时，PWM开关信号60占空因数是大约60％的最大值，并且信号60的包络是位置传感器输出波形54的每个“on”脉冲脉宽的大约80％。使用电枢能量的回流，直到约为10,000rpm的速度，然后停止。
4.最终启动模式(运行的锁相模式)
最终启动模式包括从大约14,500rpm到额定电动机速度的电动机速度范围。额定电动机速度可以根据使用电动机14的特定工具而改变，但是，优选为大约15,000rpm和17,000rpm之间。在这个速度范围的开始，启动运行的锁相模式，并且继续提高到额定电动机速度。在锁相运行过程中，使用对于开关44-50的单脉冲控制。“单脉冲”控制的意味着在位置传感器输出波形54的每个“on”脉冲的周期期间，不使用PWM开关信号，而是提供单独的连续的“on”脉冲。图4E和图5中示出了这一情况。图4E示出了包括脉冲59a的单脉冲开关信号59，每个脉冲59a都具有对应于位置传感器输出波形54的每个“on”脉冲大约80％的包络的“on”持续时间。如图4E中所示，在大约14,500rpm和额定电动机速度之间，脉冲59a的持续时间保持在这个80％包络值。在大约15,000rpm处，启动二极管38被切换出该系统。
启动模式的总结
通过上述四个启动模式，可以理解，PWM开关信号60或单脉冲信号59被施加到开关44或48中的一个或另一个。当开关46和50都接通时，它们在“on”持续时间中总是接收对应于位置传感器输出波形54的每个脉冲的“on”持续时间的单脉冲。仅有的例外是，电能最初施加到电动机14时。
应当理解，使用电动机14的特定工具会影响到为使用而选择的最佳电动机特性曲线。例如，如果将电动机14用于台锯，那么一般选择大约在15,000-17,000rpm之间的额定电动机速度，更好是大约17,000rpm。如果将电动机14用于斜切锯，那么优选的额定电动机速度一般大约在20,000-25,000rpm之间，更好是大约22,500rpm。精确的占空因数/电动机速度关系也随使用电动机14的特定工具改变。尽管这里所述的系统10使用了大约为14,500rpm的锁相阈值，但是应当理解，可以将不同的电动机速度设定为锁相速度阈值。但是，在进入运行的锁相模式之前，最好是等到电动机速度达到至少7000rpm的速度，以避免会在AC输入电源上导致瞬态尖峰脉冲的电源感应电压效应。电动机14可以在电动机启动运行的任何给定点被加载，包括刚好在系统10进入运行的锁相模式之前。
通过控制PWM开关信号60的占空因数，其间施加信号的包络，并且进入锁相操作的准确速度，可以实现各种不同的电动机扭矩曲线。这些不同的电动机扭矩曲线可以用于使电动机的运行适合于诸如台锯、斜切锯之类的特定工具，以及各种其它电动机驱动的工具。
利用反向整流的制动作用
系统10的一个附加特征是，当使用者关掉电动机14时，使用电动机14的反向整流来使电动机迅速停止。如将要知道的那样，迅速停止电动机的能力是许多电动工具的重要考虑因素，尤其是对于诸如台锯和斜切锯之类的设备。
在制动操作过程中，系统10使用施加到开关44-50的PWM开关信号60的固定频率和固定占空因数。参见图3，在制动期间，当控制器18检测到位置传感器输出波形54已经转变到逻辑高电平(由前沿56表示的)，而需要沿箭头58(图2)方向流动的电流来保持正电动机扭矩时，它接通开关48和50。这产生沿箭头64(图2)的方向上流动的电流，导致了负的电动机扭矩。在这个周期中，使用继电器40将二极管38切回到系统10，以有助于将制动时间保持到最小(一般小于四分之三秒)。当产生波形54每个脉冲的后沿62，需要沿箭头64的方向流动的电流通过电枢绕组30以保持正的电动机扭矩时，控制器18断开开关48和50，并且接通开关44和46。这产生在箭头58方向上流动的电流，并且在这个转子旋转周期中产生负的电动机扭矩。
应当理解，在制动模式中可以使用具有相同效果的其它PWM方案。例如，可以在固定的频率下使用可变占空因数PWM脉冲。PWM脉宽可以替代地作为电动机速度的函数产生。此外，可以改变占空因数曲线(例如，圆顶形的对直线形的)，以获得电动机的迅速停止。在所有这些情况下，对于制动期间实现的占空因数曲线的限制因数是电枢能量回收电容器42两端的电压。使用具有高额定电压(优选是600伏)的薄膜电容器36取代传统的铝电解电容器，使得本发明的制动方案取得了很大的进步。当用于驱动具有12英寸(30.48mm)锯片的锯时，可以使电动机14在不到约为4秒钟的时间内从大于其锁相阈值速度的速度停下来。
为了最佳性能使转子位置传感器信号超前
进一步参见图3，为了获得电动机14输出的最大性能，必须物理地或通过控制器18中的软件，使来自于位置传感器16的信号超前一个小的度数，以便在电动机14开始产生反向EMF的时候，在电枢绕组30中形成电流。在图3中，用波形66代表反向EMF。波形60a和60b分别代表用于控制开关44，46和48，50的带有被施加的超前的PWM开关信号。间隔66a和66b分别代表施加到PWM开关信号60a和60b的超前度数。使PWM开关波形60a和60b超前小的度数66a，使得在反向EMF开始变正的时候，通过电枢绕组30产生沿箭头58(图2)方向的电流。根据间隔66b使PWM开关信号60b超前，使得在反向EMF开始变负的时候，在电枢绕组30中产生沿箭头64方向(图2)的电流。
在通过相对于转子52物理地对准位置传感器16而获得超前角度的情况下，对于电枢绕组反向EMF，存在着当首次启动电动机14时转子52以错误的方向运动的可能性。如果转子52在反向EMF与传感器信号方位不一致的区域(即，代表转子52的超前的区域)中，从以前的旋转变为停止时，可能发生这种情况。这个问题的一个解决方案是对准位置传感器16，从而使其产生与反向EMF波形66的零交叉点一致的正向脉冲，并且符合控制器18的软件中的整流超前角度。但是，这里的限制因素是控制器18用于执行定期测量的时间。然而，当前优选通过软件来实现整流超前，以避免电动机14在启动时的瞬间反向转动。
限制启动过程中的瞬时现象
在启动时要考虑的另一个因素是，当将系统10用于阻抗高的“软”电源时，将瞬时峰值引入AC电源32的可能性。当电动机14从静止启动时，反向EMF为零，并且启动电流(in-rush current)可能比较大。这可能导致电压瞬间峰值，这种电压瞬间峰值在AC输入电压波形的峰值上更为显著。由于在整流电路34的DC侧没有典型的体电容器，所以这种现象对于系统10而言很可能更为突出。根据PWM脉宽和PWM频率，这些峰值可以高达500伏。
为了限制启动过程中的启动电流以及减小电力线阻抗效应，可以对上述启动模式执行两种改进。第一种改进是将低的启动占空因数(例如，大约20％)与较高的PWM频率(例如，20KHz)一同使用，结果是占空因数随速度的变化较小。第二种改进涉及根据AC输入电压波形调节PWM开关信号60的占空因数。图7中示出了这种措施，其中用参考数字72代表AC输入波形。一旦通过控制器18获得可靠的电动机速度信息(一般在450rpm左右)，控制器18可以根据检测的电动机速度，对施加到开关44，46和48，50的PWM占空因数修改(即，降低)一定的百分比值。然后，如图7所示，根据AC输入电压波形72，以在达到AC输入电压峰值点时占空因数降低的方式，调制这个占空因数。因此，在给定的电动机速度处，在AC输入电压波形72的零交叉点的占空因数值达到最大值(即，它不具有任何施加到其上的百分比降低)。在AC输入电压波形的正或负峰值，占空因数处于其最小值(尽管无需在百分之零)。通过AC电源上的瞬时电压减缓，规定在AC输入电压波形72的峰值处，用于将占空因数值降低到最小的乘法因数。
附加运行特征
系统10在电动机14的启动过程中使用的一个附加特征是转子52的瞬时位移的检测。每次啮合(即，接通)电动机14的on/off开关时，如果在最初的100ms内转子位置传感器16没有检测到转子52位置的改变(即，位置传感器输出波形54没有改变状态)，那么控制器18将不会继续整流电动机14。在这种情况下，需要使用者释放on/off开关，然后重新啮合它。这也有助于防止损坏电动机14。
保护电动机14的另一个特征涉及控制器18在出现负载的同时(例如，在锯切的切割开始时)，监视电动机的速度。如果速度降低到10,000rpm以下，那么控制器18关掉电动机14。然后，需要使用者在电动机14能够被重新启动之前，释放on/off触发器20a。
无电压释放(no-volt release)特征
图8中示出了根据本发明的替代优选实施例的系统100。图8的系统包括无电压释放电路。本质上，无电压释放电路的功能是监视on/off触发器20a的位置，并且如果将AC电源施加到具有on/off触发器20a的系统10时，防止电动机14启动。应当理解，系统100与系统10相同的部件用与系统10有关的说明使用的参考数字加上100后的参考数字表示。也应当理解，除了以下将要说明的无电压释放电路的运行之外，系统100及其部件的运行与系统10规定的相同。
无电压释放电路包括全波桥式整流电路180和以及包括电阻器182a和182b的分压电路182。整流电路180的输出端耦合在分压电路182的两端。分压电路182经过电路线184耦合到比较器188的输入端186。延迟电容器190也耦合到输入端186。比较器188的第二输入端192耦合到参考阈值电压(Vthreshold)。比较器的输出端194耦合到锁存电路198的第一输入端196。在一种优选形式中，锁存电路包括多路复用器。锁存电路198的第二输入端200经过电路线202耦合到电动工具的on/off触发开关20a。
进一步参见图8，锁存电路198具有“允许/禁止(Enable/Disable)”输出端204。输出端204耦合到驱动电路122。如同开关44-50一样，尽管也可以使用任何适当电开关器件，但在一种优选形式中，每个开关144-150都包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)。驱动电路122包括多个驱动子系统，每个驱动子系统都具有用于允许每个驱动子系统运行的“允许/禁止”插脚(即，输入端)。例如，允许/禁止插脚上的逻辑高电平信号可以接通给定的驱动子系统，而逻辑低电平信号会禁止给定的驱动子系统。
在运行中，当把AC电源首次施加到使用系统100的电动工具时，如果on/off开关20a处于“on”位置，那么在电路线202上产生逻辑低电平信号。比较器188的输出最初也在逻辑低电平。在比较器188的输入端186的信号达到最大值之前，延迟电容器190提供非常短的时间周期(优选是数毫秒)，在这个时间周期中锁存电路198、比较器188和其它电子元件能够充分上电。
当比较器188产生逻辑低电平信号时，锁存电路198在输入端196上发现这个逻辑低电平信号。如果此刻电路线202提供指示on/off触发开关20a闭合(即，在“on”位置)的逻辑低电平信号，那么锁存电路198在其输出端204产生逻辑低电平信号。也就是说，将锁存电路198的输出端锁存在逻辑低电平。将这个逻辑低电平信号施加到构成驱动电路122的每个驱动子系统的允许/禁止插脚。这防止了开关144-150切换和开始整流电动机。即使当比较器188的输入端186的信号升高到Vthreshold以上的电平，造成比较器188的输出端改变状态时，这也不影响锁存电路198的输出端204。一旦将锁存电路输出端204锁存在逻辑低电平以禁止驱动电路122，比较器188的输出端194的进一步改变不会造成锁存电路198的输出端204中的改变。使用者改变锁存电路198的输出端204的惟一方式是瞬间完全释放on/off触发器20a(从而on/off触发器20a处于其“off”位置)，这消除了触发器20a产生的“on”信号，然后重新将on/off触发器20a啮合到其“on”位置。当on/off开关被瞬间释放时，消除了电路线202上的逻辑低电平信号，因此从锁存电路198的输入端200消除了逻辑低电平信号。在使用者用于释放并随后重新啮合触发器20a的时间内，施加到比较器188的输入端186的信号升高到超过Vthreshold的电平，从而造成产生于输出端194的逻辑高电平信号。这又立即造成锁存电路198的输出端204进入逻辑高电平，从而允许驱动电路122内的驱动子系统。
相反，当AC电源初次施加到电动工具时，如果on/off触发开关20a没有被保持在闭合位置，那么逻辑高电平信号经过电路线202施加到锁存电路198的输入端200。锁存电路198的输出端最初处于逻辑低电平，但是随着输入端186的电压超过比较器188的输入端192上的Vthreshold电压，比较器188的输出将转到逻辑高电平。这个信号被施加到锁存电路198的输入端196上。在这点，锁存电路输出204将趋向逻辑高电平，并且被锁存在此。来自输出端204的逻辑高电平信号启动驱动电路122。在这点释放on/off触发器20a不会改变锁存电路198的输出。因此，此后可以用on/off触发器20a的通常方式接通和关断电动工具。但是，在把on/off开关20a保持在“on”位置的同时，如果无意中使AC电源从电动工具断开，并且随后AC电源被重新施加到工具上，那么如上所述，系统100会防止电动工具的电动机14的立即启动。
在AC电源施加到系统100(从而施加到电动工具)时，上述无电压释放电路监视on/off触发开关20a可能啮合在“on”位置的条件，从而防止与系统100结合的工具的突然上电。重要的是，无电压释放电路形成了独立于控制器118的执行这种监视功能的基本上独立的电路。因此，控制器118的误操作不会干扰这里所述的系统100执行的监视功能。
熟悉本领域的人员现在可以从上述说明中理解，可以通过各种形式实现本发明的广义的教导。因此，尽管本发明是结合其特定实施例说明的，但是，由于在研究了附图、说明书和以下的权利要求时，熟悉本领域的人员可以知道其它改进，所以本发明的真实范围不应受此限制。

Claims (28)

1.一种用于具有励磁绕组和电枢绕组的磁通转换电动机的励磁电路，包括：
整流电路，用于将AC输入信号转换为被整流AC信号；
H-桥开关电路，响应所述被整流AC信号，并被跨接所述电枢绕组耦合，所述H-桥开关电路包括多个开关，至少一对指定的所述开关均具有旁路元件；
电枢能量回收电容器，被跨接所述H-桥开关电路的输出端耦合；
所述H-桥开关电路的所述的那对指定的开关的所述旁路元件，在所述电动机运行的启动阶段，不管流过所述电枢绕组的电流的方向，允许电枢电流的回流通过所述电枢绕组；和
控制器，用于控制所述H-桥开关电路的每个所述开关的on和off转换；
该励磁电路进一步包括：
on/off开关，用于控制向所述励磁电路施加所述AC输入信号；和
检测电路，用于检测当所述on/off开关被使用者保持在on位置时所述AC输入信号是否已经被施加到所述励磁电路，并用于防止所述AC输入信号启动所述电动机。
2.根据权利要求1所述的励磁电路，进一步包括：
半导体，被跨接所述励磁绕组耦合，用于能量回流；和
开关单元，由所述控制器控制，用于在所述电动机运行的所述启动阶段期间转换跨接所述励磁绕组的所述半导体。
3.根据权利要求2所述的励磁电路，其中所述开关单元包括用于回流励磁能量的继电器。
4.根据权利要求1所述的励磁电路，其中所述旁路元件包括自由轮转二极管。
5.根据权利要求1所述的励磁电路，其中所述控制器在运行的所述启动阶段，向所述开关中被选择的开关提供脉宽调制的开关信号。
6.根据权利要求1所述的励磁电路，其中在所述电动机被关断时，所述控制器控制所述H-桥开关电路以实施制动作用。
7.根据权利要求1所述的励磁电路，进一步包括跨接所述整流电路的输出端被耦合的、10μf-15μf的薄膜电容器。
8.根据权利要求1所述的励磁电路，其中仅在所述使用者将所述on/off开关从所述on位置释放到off位置之后，所述检测电路才允许所述AC输入信号被施加到所述励磁电路，以启动所述电动机。
9.根据权利要求1所述的励磁电路，其中所述检测电路包括：
第二整流电路；
比较器，响应所述第二整流电路的输出；和
锁存电路，响应所述on/off开关的啮合和所述比较器的输出，用于为控制所述励磁电路产生信号，以响应所述on/off开关的位置，控制所述电动机的接通。
10.根据权利要求9所述的励磁电路，进一步包括：
分压电路，可操作地耦合到所述第二整流电路；和
电容器，耦合到所述比较器的输入端和所述分压电路，用于为施加到所述比较器的输入信号提供时间延迟，从而提供所述励磁电路的各个部分被上电的时间周期，以便所述on/off开关的所述位置能够被检测。
11.一种用于具有励磁绕组和电枢绕组的磁通转换电动机的励磁电路，包括：
整流电路，用于将AC输入信号转换成被整流AC信号；
H-桥开关电路，具有多个开关元件，响应所述被整流AC信号并被跨接所述电枢绕组耦合；
电枢能量回收电容器，被跨接所述H-桥开关电路的输出端耦合；
控制器，用于控制所述H-桥开关电路的每个所述开关元件的on和off转换；和
on/off开关，可操作地与所述控制器连接并由使用者在on位置与off位置之间啮合，用于在使用者接通和关断所述励磁电路时，向所述控制器发出信号；和
检测电路，响应所述on/off开关的所述位置和所述AC输入信号对所述励磁电路的施加，用于在使用者将所述on/off开关保持在on位置的同时，如果所述AC输入信号被首次施加到所述励磁电路，防止所述励磁电路的立即接通。
12.根据权利要求11所述的励磁电路，其中所述检测电路包括锁存电路，其响应施加到所述励磁电路的所述AC输入信号，并响应所述on/off开关的位置；并且
在所述AC输入信号被初次施加到所述励磁电路时，如果所述使用者将所述on/off开关保持在所述on位置，所述锁存电路产生用于防止所述磁通转换电动机的换向的信号。
13.根据权利要求11所述的励磁电路，所述H-桥开关电路包括：
多个旁路元件，用于在所述电动机运行的启动阶段，允许电枢电流的回流通过所述H-桥开关电路的被选择的开关元件并通过所述电枢绕组。
14.一种用于具有励磁绕组和电枢绕组的磁通转换电动机的励磁电路，所述励磁电路包括：
整流电路，用于接收AC输入信号和在一对DC总线线路上产生被整流AC信号；
H-桥开关电路，被跨接所述那对DC总线线路耦合，所述电枢绕组被耦合在所述H-桥开关电路的多个开关元件中被选择的开关元件之间，至少一对指定的所述开关元件均具有与其连接的旁路元件；
电枢能量回收电容器，被跨接所述那对DC总线线路并跨接所述H-桥开关电路耦合；
所述H-桥开关电路的所述旁路元件在所述电动机运行的启动阶段中，不管流过所述电枢绕组的电流的方向，允许流过所述电枢绕组的电枢电流的回流；和
控制器，用于为控制所述H-桥开关电路产生开关信号，所述控制器产生用于控制所述H-桥开关电路的多个开关元件的脉宽调制开关信号；其中，
该励磁电路进一步包括：
on/off开关，用于控制向所述励磁电路施加所述AC输入信号；和
检测电路，用于检测当所述on/off开关被使用者保持在on位置时所述AC输入信号是否已经被施加到所述励磁电路，并用于防止所述AC输入信号启动所述电动机。
15.根据权利要求14所述的励磁电路，进一步包括被跨接所述那对DC总线线路耦合的薄膜电容器。
16.根据权利要求14所述的励磁电路，进一步包括在所述电动机运行的启动阶段被跨接所述励磁绕组耦合的电流旁路元件。
17.根据权利要求16所述的励磁电路，其中所述电流旁路元件包括二极管；并且
其中在所述启动阶段跨接所述励磁绕组切换所述二极管，以提供电流通路。
18.根据权利要求17所述的励磁电路，进一步包括响应所述控制器的继电器，用于跨接所述励磁绕组切换所述二极管。
19.根据权利要求14所述的励磁电路，其中所述控制器控制所述H-桥开关电路，以在所述电动机被关断时执行再生制动作用。
20.一种用于激励具有励磁绕组和电枢绕组的磁通转换电动机的方法，所述方法包括：
从AC电源提供AC输入信号；
利用整流器接收所述AC输入信号，并在一对DC总线线路上产生被整流AC信号；
利用具有多个独立控制的开关元件的H-桥开关电路，以引导电枢电流流过所述电枢绕组，而且该多个开关元件拥有每个都具有旁路元件的一对指定的所述开关元件，并且所述H-桥开关电路跨接所述电枢绕组被可操作地耦合；
在所述电动机运行的启动阶段中，利用所述旁路元件，以经过所述一对指定的开关元件和所述旁路元件允许所述电流的回流通过所述电枢绕组；
利用控制器控制所述H-桥开关电路，以运行所述电动机，并实施通过所述电枢绕组的所述电枢电流的双向回流；以及
在所述电动机的运行中，利用跨接所述H-桥开关电路被耦合的电枢能量回收电容器存储电枢能量；并且
检测当AC输入信号初次施加给所述电动机时用于控制向所述电动机施加所述AC输入信号的on/off开关的位置，并在on/off开关被使用者保持在on位置时，防止所述AC输入信号启动所述电动机。
21.一种用于激励具有励磁绕组和电枢绕组的磁通转换电动机的方法，所述方法包括：
从AC电源提供AC输入信号；
整流所述AC输入信号，以产生被整流AC信号；
将所述被整流AC信号施加到与所述电枢绕组连接的开关电路，以交替地转换流过所述电枢绕组的电枢电流的方向；
当转换流过所述电枢绕组的所述电枢电流的所述流动方向时，将多个旁路元件用于所述开关电路，以允许流过所述电枢绕组的所述电枢电流的回流；
利用控制器控制所述开关电路的工作；以及
在所述开关电路工作期间，利用能量回收电容器存储电枢能量；并且
检测当AC输入信号初次施加给所述电动机时用于控制向所述电动机施加所述AC输入信号的on/off开关的位置，并在on/off开关被使用者保持在on位置时，防止所述AC输入信号启动所述电动机。
22.一种电动工具，包括：
由使用者啮合的on/off开关，用于接通和关断所述电动工具；
具有励磁绕组和电枢绕组的磁通转换电动机；
励磁电路，包括：
整流电路，用于接收AC输入信号和在一对DC总线线路上产生被整流AC信号；
H-桥开关电路，被跨接所述的那对DC总线线路耦合，所述电枢绕组被耦合在所述H-桥开关电路的多个开关元件的被选择的开关元件之间；
电枢回收电容器，被跨接所述的那对DC总线线路并跨接所述H-桥开关电路耦合；
所述H-桥开关电路包括多个旁路元件，用于在所述电动机运行的启动阶段允许流过所述电枢绕组的电枢电流的回流；和
控制器，响应所述on/off开关的所述操作，用于为控制所述H-桥开关电路产生脉宽调制开关信号，以控制所述开关元件中被选择的开关元件的on或off转换，以整流所述电动机。
23.根据权利要求22所述的电动工具，进一步包括检测电路，当AC输入信号被首次施加到所述电动工具时，用于检测所述on/off开关是否被所述使用者保持在on位置，以防止所述磁通转换电动机被接通。
24.根据权利要求23所述的电动工具，其中所述检测电路包括锁存电路，所述锁存电路在所述AC输入信号被初次施加到所述电动工具之后，检测所述on/off开关被释放的时间，以便尔后允许所述电动工具被接通。
25.根据权利要求24所述的电动工具，其中所述H-桥开关电路进一步包括驱动电路；并且
其中所述锁存电路将输出信号施加到所述驱动电路，以独立于所述控制器的运行控制所述H-桥开关电路。
26.一种电动工具，包括：
由使用者啮合的on/off开关，以将所述工具置于on条件和off条件；
具有励磁绕组和电枢绕组的磁通转换电动机；
励磁电路，包括：
整流电路，用于接收AC输入信号和在一对DC总线线路上产生被整流AC信号；
H-桥开关电路，被跨接所述的那对DC总线线路耦合，所述电枢绕组被耦合在所述H-桥开关电路的多个开关元件中被选择的开关元件之间；
电枢能量回收电容器，被跨接所述的那对DC总线线路和跨接所述H-桥开关电路耦合；和
控制器，用于产生控制所述H-桥开关电路的开关信号，所述控制器产生用于控制所述开关元件中被选择的开关元件的脉宽调制开关信号；
所述电动工具进一步包括检测电路，其响应所述on/off开关的位置，用于在所述使用者将所述on/off开关保持在on位置的同时，如果所述AC输入信号被初始施加到所述电动工具，防止所述电动工具的上电。
27.根据权利要求26所述的电动工具，其中所述检测电路包括响应所述on/off开关的锁存电路，用于允许所述H-桥开关电路独立于所述控制器的运行。
28.根据权利要求26所述的电动工具，所述H-桥开关电路进一步包括：
多个旁路元件，用于在所述电动机运行的启动阶段中，允许流过所述电枢绕组的电枢电流的回流。
CNB2004800060685A 2003-02-07 2004-02-05 用于磁通转换电动机的励磁电路和控制方法 Expired - Fee Related CN100454747C (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US10/360,968 2003-02-07
US10/360,968 US6943510B2 (en) 2001-08-06 2003-02-07 Excitation circuit and control method for flux switching motor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1757154A CN1757154A (zh) 2006-04-05
CN100454747C true CN100454747C (zh) 2009-01-21

Family

ID=32867951

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB2004800060685A Expired - Fee Related CN100454747C (zh) 2003-02-07 2004-02-05 用于磁通转换电动机的励磁电路和控制方法

Country Status (7)

Country Link
US (1) US6943510B2 (zh)
EP (2) EP1602170B1 (zh)
JP (1) JP2006517380A (zh)
CN (1) CN100454747C (zh)
AT (2) ATE507608T1 (zh)
DE (1) DE602004032426D1 (zh)
WO (1) WO2004073140A2 (zh)

Families Citing this family (65)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6943510B2 (en) * 2001-08-06 2005-09-13 Black & Decker Inc. Excitation circuit and control method for flux switching motor
US7023159B2 (en) * 2002-10-18 2006-04-04 Black & Decker Inc. Method and device for braking a motor
US7075257B2 (en) * 2002-10-18 2006-07-11 Black & Decker Inc. Method and device for braking a motor
US20040155532A1 (en) 2003-02-07 2004-08-12 Brotto Daniele C. Method for sensing switch closure to prevent inadvertent startup
US7395871B2 (en) * 2003-04-24 2008-07-08 Black & Decker Inc. Method for detecting a bit jam condition using a freely rotatable inertial mass
US20050162140A1 (en) * 2004-01-23 2005-07-28 Mark Hirst Apparatus including switching circuit
ATE502725T1 (de) * 2004-04-13 2011-04-15 Black & Decker Inc Elektrische schleifmaschine und deren motorsteuerung
US7365458B2 (en) * 2005-03-31 2008-04-29 Nidec Shibaura Corporation Brushless DC motor with molded resin housing
DE102005024068A1 (de) * 2005-05-25 2006-11-30 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Steuerung eines aus einem Gleichspannungsnetz gespeisten Elektromotors
SI1917713T1 (sl) * 2005-08-25 2018-11-30 Consarc Corporation Nadzor izhoda električnega pretvornika z modulirano impulzno širino
TWM293142U (en) * 2005-11-17 2006-07-01 Rexon Ind Corp Ltd Control device for driving motor
JP4938326B2 (ja) * 2006-03-24 2012-05-23 オンセミコンダクター・トレーディング・リミテッド モータ駆動回路
CN101038494B (zh) * 2006-03-15 2011-06-29 苏州宝时得电动工具有限公司 位置控制方法、位置控制装置和包含此装置的电动工具
EP2060000B1 (de) * 2006-09-06 2012-01-25 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum betreiben eines motorsystems sowie ein motorsystem
US8732896B2 (en) 2006-10-17 2014-05-27 Mtd Products Inc Hybrid electric cleaning device
US7728534B2 (en) 2006-10-17 2010-06-01 Mtd Products Inc Hybrid electric lawnmower
WO2008048618A2 (en) 2006-10-17 2008-04-24 Desa Ip. Llc Hybrid electric device
US8076873B1 (en) 2007-06-01 2011-12-13 Mtd Products Inc Hybrid outdoor power equipment
JP5359021B2 (ja) * 2007-06-28 2013-12-04 セイコーエプソン株式会社 電動機の駆動制御回路
US8604709B2 (en) 2007-07-31 2013-12-10 Lsi Industries, Inc. Methods and systems for controlling electrical power to DC loads
US8903577B2 (en) 2009-10-30 2014-12-02 Lsi Industries, Inc. Traction system for electrically powered vehicles
US7598683B1 (en) 2007-07-31 2009-10-06 Lsi Industries, Inc. Control of light intensity using pulses of a fixed duration and frequency
JP2010022137A (ja) * 2008-07-10 2010-01-28 Sanyo Electric Co Ltd 駆動信号出力回路およびマルチチップパッケージ
US8232755B2 (en) * 2009-04-02 2012-07-31 Young-Chun Jeung Motor with circuits for protecting motor from input power outages or surges
US8220372B2 (en) 2009-04-28 2012-07-17 Credo Technology Corporation Combination table-miter saw safety system
US9722334B2 (en) * 2010-04-07 2017-08-01 Black & Decker Inc. Power tool with light unit
CN101807874B (zh) * 2010-04-26 2011-12-07 扬州中凌自动化技术有限公司 实现电子力矩换向的直流串励电机控制方法及装置
JP5709446B2 (ja) * 2010-09-27 2015-04-30 セミコンダクター・コンポーネンツ・インダストリーズ・リミテッド・ライアビリティ・カンパニー ドライブ回路の起動時制御回路
RU2464697C2 (ru) * 2010-10-27 2012-10-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВПО ИрГУПС) Способ увеличения коэффициента мощности и устройство для его реализации
US8446120B2 (en) 2011-05-19 2013-05-21 Black & Decker Inc. Electronic switching module for a power tool
KR101914127B1 (ko) 2011-11-24 2018-11-01 현대모비스 주식회사 모터의 고장 감지 장치
DE102011088411A1 (de) * 2011-12-13 2013-06-13 Robert Bosch Gmbh Schaltungsanordnung und Verfahren zum Erkennen einer Schalterstellung
DE102011121174B4 (de) 2011-12-16 2014-04-03 Eads Deutschland Gmbh Elektrische Maschine, insbesondere für Luftfahrzeuge
US9908182B2 (en) 2012-01-30 2018-03-06 Black & Decker Inc. Remote programming of a power tool
US9114536B2 (en) * 2012-04-13 2015-08-25 Rethink Robotics, Inc. Electronic emergency-stop braking circuit for robotic arms
US8919456B2 (en) 2012-06-08 2014-12-30 Black & Decker Inc. Fastener setting algorithm for drill driver
US9209724B2 (en) * 2013-06-03 2015-12-08 Black & Decker Inc. Reverse rotation detection and overspeed protection for power tool with brushless motor
US9608507B2 (en) 2013-06-14 2017-03-28 Sinope Technologies Inc. Low power and low EMI power stealing circuit for a control device
US10011006B2 (en) 2013-08-08 2018-07-03 Black & Decker Inc. Fastener setting algorithm for drill driver
CN103475291A (zh) * 2013-08-22 2013-12-25 国家电网公司 一种发电机在电力系统暂态过程中的全过程励磁控制方法
US9314900B2 (en) 2013-10-18 2016-04-19 Black & Decker Inc. Handheld grinder with a brushless electric motor
US9762153B2 (en) * 2013-10-18 2017-09-12 Black & Decker Inc. Cycle-by-cycle current limit for power tools having a brushless motor
US9554431B2 (en) * 2014-01-06 2017-01-24 Garrity Power Services Llc LED driver
WO2015116006A1 (en) * 2014-01-31 2015-08-06 Supat Kittiratsatcha Switched reluctance motor control using a single power supply and transformer-coupled gate drive circuits
JP2015187560A (ja) * 2014-03-26 2015-10-29 トヨタ自動車株式会社 レゾルバ励磁回路
EP2928066A1 (en) * 2014-03-31 2015-10-07 ABB Technology Ltd A high efficiency commutation circuit
US9614466B2 (en) 2014-05-20 2017-04-04 Black & Decker Inc. Electronic braking for a universal motor in a power tool
CN104617832B (zh) * 2015-01-22 2017-06-30 南京航空航天大学 一种电励磁双凸极电机无反转启动方法
JP6385892B2 (ja) * 2015-06-09 2018-09-05 日立オートモティブシステムズ株式会社 負荷駆動装置
JP2017071010A (ja) * 2015-10-06 2017-04-13 株式会社マキタ 電動工具
US9859826B2 (en) * 2016-02-03 2018-01-02 Infineon Technologies Ag Intelligent detection unit (iDU) to detect the position of a rotor controlled by pulse modulation
US11047528B2 (en) 2016-02-12 2021-06-29 Black & Decker Inc. Electronic braking for a power tool having a brushless motor
KR102184606B1 (ko) 2016-02-25 2020-11-30 밀워키 일렉트릭 툴 코포레이션 출력 위치 센서를 포함하는 전동 공구
CN107302326A (zh) * 2016-04-15 2017-10-27 松下电器研究开发(苏州)有限公司 马达驱动系统和方法、以及具备该系统的小功率电动设备
EP3296063B1 (en) * 2016-06-24 2020-03-25 Black & Decker Inc. Control scheme for power tool having a brushless motor
JP6343037B1 (ja) * 2017-01-11 2018-06-13 日立ジョンソンコントロールズ空調株式会社 モータ駆動装置および冷凍機器
CN107154765B (zh) * 2017-05-11 2019-03-29 东南大学 一种磁通切换型记忆电机高功率因数控制方法
US10608501B2 (en) 2017-05-24 2020-03-31 Black & Decker Inc. Variable-speed input unit having segmented pads for a power tool
US10833503B2 (en) * 2017-08-11 2020-11-10 Black & Decker Inc. Hardware control for prevention of dangerous restart in a power tool
TWI730281B (zh) 2018-01-03 2021-06-11 美商米沃奇電子工具公司 電動工具中之電子制動技術
FR3086474B1 (fr) * 2018-09-26 2020-12-04 Safran Electrical & Power Procede de demarrage d'un moteur electrique synchrone a aimants permanents
US11142075B2 (en) 2019-08-08 2021-10-12 Hamilton Sundstrand Corporation Efficient regenerative electrical braking
CN113497573A (zh) * 2020-04-07 2021-10-12 南京德朔实业有限公司 电动工具转速控制方法及电动工具
UA127614C2 (uk) * 2021-09-06 2023-11-01 Володимир Олексійович Кльосов Схема підключення багатофазного асинхронного двигуна до джерела живлення постійного струму
CN115847358A (zh) * 2021-09-23 2023-03-28 南京泉峰科技有限公司 扭力输出工具及扭力输出工具的电机控制方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5723914A (en) * 1995-04-28 1998-03-03 Hitachi Koki Co., Ltd. Device for preventing an electrical equipment from re-powering after recovery of service interruption
US6118239A (en) * 1998-11-23 2000-09-12 Kadah; Andrew S. Speed control drive circuit for blower motor
US6462506B2 (en) * 1999-12-30 2002-10-08 Textron Inc. Electric golf car with low-speed regenerative braking
CN1552119A (zh) * 2001-08-06 2004-12-01 布莱克和戴克公司 励磁开关电机的励磁电路和控制方法

Family Cites Families (35)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2629849A (en) * 1950-06-20 1953-02-24 Westinghouse Electric Corp Dynamic braking control
DE1763278B2 (de) * 1968-04-27 1975-06-05 Robert Bosch Gmbh, 7000 Stuttgart Elektrowerkzeug
DE2315841C3 (de) 1973-03-30 1981-11-19 Robert Bosch Gmbh, 7000 Stuttgart Im Handgriff einer elektromotorisch angetriebenen Handwerkzeugmaschine angeordnete Betätigungsvorrichtung
US4006334A (en) 1975-03-17 1977-02-01 Mcgraw-Edison Company Safety switch for power tool
DE2850120A1 (de) 1977-11-21 1979-05-23 Black & Decker Mfg Co Schalter-betaetigungseinrichtung
US4258368A (en) 1979-03-29 1981-03-24 Emerson Electric Co. Safety means for preventing the automatic restart of a motor
DE3036133A1 (de) 1980-09-25 1982-05-06 Robert Bosch Gmbh, 7000 Stuttgart Anlaufsperre nach stromausfall bei elektrischen geraeten
US4451865A (en) 1981-05-18 1984-05-29 The Singer Company Electrical cutout for under voltage or power loss conditions
US4444091A (en) 1981-08-26 1984-04-24 The Stanley Works Safety lock-off throttle device
DE3146495A1 (de) 1981-11-24 1983-07-07 Black & Decker, Inc., 19711 Newark, Del. Anlaufsicherungsschaltung
US4466040A (en) 1982-05-10 1984-08-14 The Singer Company Safety device
JPS6051497A (ja) * 1983-08-29 1985-03-22 Mitsubishi Electric Corp モ−タの制御回路
DE3332790A1 (de) 1983-09-10 1985-03-28 Robert Bosch Gmbh, 7000 Stuttgart Schaltanordnung fuer elektrowerkzeuge
US4628233A (en) 1984-03-23 1986-12-09 Black & Decker Inc. Microprocessor based motor control
JPS62144586A (ja) * 1985-12-19 1987-06-27 Brother Ind Ltd モ−タ速度制御装置
JPH01227841A (ja) * 1988-03-04 1989-09-12 Mazda Motor Corp エンジンの制御装置
GB8812292D0 (en) * 1988-05-24 1988-06-29 Black & Decker Inc Improvements in/relating to power tools
DE3825654A1 (de) 1988-07-28 1990-02-01 Bosch Gmbh Robert Sicherheitseinrichtung an einer handwerkzeugmaschine
US4853821A (en) 1988-11-29 1989-08-01 Lewis Dennis E Alternating current power sensing device for preventing start-up at power restoration
DE4107431A1 (de) 1990-03-15 1991-09-19 Telefunken Electronic Gmbh Schaltung zum schutz und zum steuern elektrischer geraete
JPH0526278U (ja) * 1991-09-17 1993-04-06 日本電気精器株式会社 電動工具
JPH0560197U (ja) * 1992-01-10 1993-08-06 株式会社東海理化電機製作所 Ｄｃモータ駆動装置
DE4304690C1 (de) 1993-02-16 1994-08-25 Bosch Siemens Hausgeraete Elektronische Anlauf-Sicherheitsschaltung für den motorischen Antrieb eines Elektrogerätes
JP3583155B2 (ja) * 1993-06-14 2004-10-27 株式会社マキタ 強制停止機構付電池式締付工具
JP3320867B2 (ja) * 1993-11-26 2002-09-03 泰和 楊 直巻又は複巻電動機の速度制御回路
US5654595A (en) 1994-12-29 1997-08-05 Ferguson; Thomas R. Electrical current regulating device for a power tool
US5793175A (en) * 1995-01-19 1998-08-11 Textron Inc. Performance event sensing for control of electric motor driven golf car
US5598072A (en) * 1995-04-04 1997-01-28 General Electric Company Regenerative braking circuit utilizing separately excited motor
JPH08340686A (ja) * 1995-06-13 1996-12-24 Takaoka Electric Mfg Co Ltd 直流直巻電動機の制動装置
GB9804472D0 (en) 1998-03-04 1998-04-29 Black & Decker Inc A switch lock-off mechanism
US6208042B1 (en) 1999-04-05 2001-03-27 Gilbert Solis Anti-reactivation safety device
DE19925552A1 (de) 1999-06-04 2000-12-07 Leuze Electronic Gmbh & Co Sicherheitsschalteranordnung
US6445879B1 (en) * 1999-07-21 2002-09-03 Lg Electronics Inc. Apparatus and method for braking a washing machine
US6392373B1 (en) * 2000-12-06 2002-05-21 Milwaukee Electric Tool Corporation Automatic reverse motor controller
US6943510B2 (en) * 2001-08-06 2005-09-13 Black & Decker Inc. Excitation circuit and control method for flux switching motor

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5723914A (en) * 1995-04-28 1998-03-03 Hitachi Koki Co., Ltd. Device for preventing an electrical equipment from re-powering after recovery of service interruption
US6118239A (en) * 1998-11-23 2000-09-12 Kadah; Andrew S. Speed control drive circuit for blower motor
US6462506B2 (en) * 1999-12-30 2002-10-08 Textron Inc. Electric golf car with low-speed regenerative braking
CN1552119A (zh) * 2001-08-06 2004-12-01 布莱克和戴克公司 励磁开关电机的励磁电路和控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
ATE507608T1 (de) 2011-05-15
EP2264885B1 (en) 2012-01-18
CN1757154A (zh) 2006-04-05
EP1602170A4 (en) 2007-12-12
EP1602170B1 (en) 2011-04-27
EP1602170A2 (en) 2005-12-07
WO2004073140A3 (en) 2005-01-27
ATE542287T1 (de) 2012-02-15
US6943510B2 (en) 2005-09-13
DE602004032426D1 (de) 2011-06-09
EP2264885A1 (en) 2010-12-22
JP2006517380A (ja) 2006-07-20
WO2004073140A2 (en) 2004-08-26
WO2004073140A8 (en) 2005-09-22
US20030117095A1 (en) 2003-06-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100454747C (zh) 用于磁通转换电动机的励磁电路和控制方法
CN100379139C (zh) 磁通开关电机的励磁电路和控制方法
US6236177B1 (en) Braking and control circuit for electric power tools
US7271564B2 (en) Method, apparatus, and system for drive control, power conversion, and start-up control in an SRM or PMBDCM drive system
EP2947765B1 (en) Electronic braking for a universal motor in a power tool
CN103259469A (zh) 一种电子换向无刷直流单相风机电路及其控制方法
AU708288B2 (en) Control circuit and system for a switched reluctance machine and method of operating
CN103427730A (zh) 永磁无刷直流电机转矩脉动抑制系统及方法
CN113054887B (zh) 一种电动工具的过压保护电路、方法以及电动工具
CA2232888C (en) Simplified control for running a switched reluctance motor
CN203278729U (zh) 电子换向无刷直流单相风机电路
EP3687057B1 (en) Electric power tool
WO2015052497A1 (en) Ac/ac boost converter
JP2000505640A (ja) 電子整流型の高能率電気モータ
JPH10146082A (ja) スイッチドリラクタンスモータの速度制御装置
WO2018082496A1 (zh) 电动工具及电动工具的控制方法
EP4020786B1 (en) Ac power tool and method for startup thereof
US4560913A (en) Sparkless circuit for low horsepower electronic motor brake
WO1997029539A1 (en) Electric brake for an alternating current motor
Kim et al. DSP-based high-speed sensorless control for a brushless DC motor using a DC link voltage control
US20020050803A1 (en) PWM-pulse control system
CN117136490A (zh) 配置成从电源接收电力的设备
KR20210019077A (ko) 무브러시 영구 자석 모터를 제어하는 방법
CN212811588U (zh) 电动工具及其电机控制装置
CN113595448A (zh) 具有瞬时开关和机械方向选择开关的电动工具的软启动

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20090121

Termination date: 20180205