CN101897114A - 用于借助于相位截止控制来运行电驱动装置的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于借助相位截止运行电动机(2)的方法，具有以下步骤：将交变电压施加到所述电动机(2)和一个开关元件(4)、尤其是一个三端双向可控硅开关元件的串联电路上，其中，通过施加一个触发信号连通所述开关元件(4)，并且在电流的大小低于保持电流时禁止所述电流流动；确定电动机电流的虚拟的过零的时刻，所述电动机电流在所述开关元件(4)连通时流动；在接通时刻接通所述开关元件(4)，所述接通时刻取决于所述电动机的虚拟的过零的时刻。

Description

用于借助于相位截止控制来运行电驱动装置的方法和装置
技术领域
本发明涉及借助于所谓的相位截止(Phasenanschnitt)来控制电机的领域。
背景技术
在迄今的电驱动装置中——例如在具有换向器的电动机中由其原理决定在所施加的电压和电动机电流之间存在相移。所述相移通常与负载相关。通常可以借助于所述相位截止控制无级地调节这种电动机的功率。相位截止控制(Phasenanschnittssteuerung)是用于调节以交变电压驱动的电机的功率的方法。在相位截止控制中，在供电交变电压的过零之后滞后地接通电动机电流并且保持接通直到下个过零。
可以借助于三端双向可控硅开关元件实施相位截止控制。三端双向可控硅开关元件从触发脉冲开始才传导电流，并且在三端双向可控硅开关元件的触发之后直到最小电流一直小于所述保持电流。在由相移确定的电动机电流低于保持电流时触发三端双向可控硅开关元件导致无法触发三端双向可控硅开关元件。在此情形中，在当前半波期间无法控制电动机。这同样出现在触发仍然导通的三端双向可控硅开关元件时。这导致运行电动机时的干扰——例如高噪声、更高的EMV辐射、功率损失等等。
为了确保始终在可预期高于保持电流的发动机电流的区域中进行三端双向可控硅开关元件的触发，通常在所施加的电压的过零之后的一个已定义的最小时间之后才触发三端双向可控硅开关元件。如此确定所述已定义的最小时间，从而确保在足够高的电流下进行三端双向可控硅开关元件的触发。因为所施加的电压和发动机电流之间的相移取决于负载，所以所述已定义的最小时间由对应于在整个系统中出现的最大相移的相移和附加的安全时间确定，所述安全时间应考虑三端双向可控硅开关元件的可能的部件波动、例如开关时间。因此，在运行状态中——其中所施加的电压和发动机电流之间的相移小于最大相移，得到一个更大的时间间隔，在所述时间间隔中三端双向可控硅开关元件的触发被阻止。
此外，这导致产生更多的高次谐波，所述高次谐波由于更多的电弧形成而导致换向器电刷上的碳使用寿命减少并且提高电动机的干扰辐射。附加地，由于更高的损耗功率而出现电动机的额外加热。
发明内容
本发明的任务是，提供一种借助相位截止控制来运行电动机的方法和控制装置，其中，避免了以上所述的缺点。
所述任务通过根据权利要求1的用于运行电动的方法以及通过根据并列权利要求的用于电动机的控制装置来解决。
本发明的其他构型在从属权利要求中说明。
根据第一方面，提出一种用于借助相位截止运行电动机的方法。所述方法具有以下步骤：
-将交变电压施加到电动机和开关元件、尤其是三端双向可控硅开关元件的串联电路上，其中，通过施加触发信号连通开关元件，也就是说，开关元件变得导电，并且在电流的大小低于保持电流时禁止电流流动，也就是说，开关元件变得低欧姆；
-确定电动机电流的虚拟的过零的时刻，所述电动机电流在开关元件导通时流动；
-在接通时刻接通开关元件，所述接通时刻取决于电动机电流的虚拟的过零的时刻。
以上所述方法的思想在于：在电动机上所施加的电压的过零之后允许进行三端双向可控硅开关元件的触发之前，不预给定确定的、定义的最小时间。取决于所求得的过零时刻，可以根据电动机系统的运行状态求得最早的时刻，从所述最早的时刻开始可重新允许触发开关元件。电动机电流的虚拟的过零对应于在开关元件持久连通(导通)时电动机电流的过零时刻。
此外，可以在取决于所提供的调节量的时刻接通开关元件，所述调节量说明电动机的所期望的功率。以此方式可以近似无级地控制电动机。
可以根据关断开关元件的时刻确定电动机电流的虚拟的过零的时刻。尤其是关断开关元件的时刻可被确定为施加在开关元件上的电压出现电压跳变的时刻。这实现了过零时刻的特别简单的探测，其中，不需要额外的电流测量。
根据一个实施方式，可以将出现施加在开关元件上的电压的电压跳变的时刻确定为出现电压跳变的时刻，在所述电压跳变时开关元件未被接通。
此外，可以通过将一个持续时间加到过零时刻上确定接通时刻，其中，所述持续时间是确定的或者例如根据所施加的交变电压的频率和/或开关元件的保持电流来选择。由此可以通过简单的方式确定最早的接通时刻。
根据另一方面，设有电动机控制单元用于借助相位截止来运行电动机，其中，在电动机和开关元件、尤其是三端双向可控硅开关元件的串联电路上施加交变电压，其中，通过施加触发信号连通开关元件并且在电流的大小低于保持电流时禁止电流流动。电动机控制单元包括用于确定电动机电流的虚拟的过零的时刻的探测单元，所述电动机电流在开关元件连通时流动，电动机控制单元还包括用于在取决于电动机电流的虚拟的过零时刻的时刻接通开关元件的控制装置。
根据另一方面，电动机系统设有以上所述的电动机控制单元、电动机和开关元件，其中，电动机和开关元件彼此串联。
根据另一方面，设有计算机程序，所述计算机程序包含程序代码，当在一个数据处理单元上执行所述程序代码时实施以上所述方法。
附图说明
以下根据附图详细地解释本发明的优选实施例。附图示出：
图1：根据本发明的一个实施方式具有电动机、三端双向可控硅开关元件和控制单元的电动机系统的示意图；
图2：用于说明用于确定图1的电动机系统中最早触发时刻的方法的信号/时间图。
具体实施方式
在图1中示出一个电动机系统1，所述电动机系统具有电机2、控制单元3和开关元件4。电机2形式为具有换向器的电动机。应以变化的功率控制电动机2。为此，电动机2与开关元件4和第一交变电压线路和第二交变电压线路5、6之间的(可选的)限流电阻8串联。
开关元件4优选被构造为三端双向可控硅开关元件4，其可以具有非导通状态和导通状态。当在三端双向可控硅开关元件4的控制连接端子上施加电压脉冲并且流过三端双向可控硅开关元件4的电流的大小超过一个确定的临界值时，三端双向可控硅开关元件4将导通。流过三端双向可控硅开关元件4的最小电流的大小(在所述最小电流时可以进行触发)被称作保持电流。根据电流方向，这种三端双向可控硅开关元件4对于正的电流方向具有正的保持电流而对于负的电流方向具有负的保持电流，所述正的保持电流和所述负的保持电流可以是不同的。
三端双向可控硅开关元件4由控制单元3控制，以便实现相位截止控制。所述相位截止控制实现：电动机电流在电动机电流的半波期间仅仅在预先确定的时间段期间可以无相位截止地流动。所述预先确定的时间段由提供给控制单元3的调节量S确定。调节量S确定功率，应以所述功率控制电动机2。
在理想情况中，在电动机电流过零之后的取决于调节量S的持续时间上进行三端双向可控硅开关元件4的控制，从而电机电流仅仅从触发时刻(电机电流过零之后的预先确定的时间)开始直到重新(近似)到达电机电流过零保持导通。由此，提供给电动机2的功率被减低到(无相位截止的可能的)最大功率的一部分。
困难在于准确地确定电动机电流的过零的时刻，因为通常不检测电动机电流的变化过程。也可以在相位截止时在每个半波中不直接确定过零的时间位置。
向控制单元3提供施加在电动机上的交变电压Uw。由于施加在电动机2和三端双向可控硅开关元件4的串联电路上的交变电压Uw和流过电动机2的电动机电流之间的取决于负载的、变化的相移，电动机电流I的过零不可准确地探测。但迄今确定从施加在电动机2上的电压的过零时刻开始的预定义的最小时间的方法具有以下缺点：其面向电动机电流和所施加的电压之间的最大可能的相移并且因此对于其他的运行状态不是最优化的，在这些运行状态中相移较小。
于是建议：为了探测电动机电流的过零的时刻量取三端双向可控硅开关元件4和电动机2之间的节点K上的电压电位并且将其提供给控制单元3的探测单元10。在导通的三端双向可控硅开关元件4上通常出现约2V的电压降并且在三端双向可控硅开关元件4截止时三端双向可控硅开关元件4是高欧姆的，从而在三端双向可控硅开关元件4上具有完全的交变电压。于是，控制单元3的控制装置11可以确定三端双向可控硅开关元件4的开关时间，其方式是，通过监控第二交变电压线路6与节点K之间的电压来探测三端双向可控硅开关元件4上的电压跳变。这通过探测单元10进行。也就是说，既探测在触发三端双向可控硅开关元件4时、即在接通时出现的电压跳变也探测关断三端双向可控硅开关元件4时出现的电压跳变。因为触发由控制装置11触发，所以可以通过控制装置11确定关断三端双向可控硅开关元件4的开关时刻的那些电压跳变，其方式是，在接通三端双向可控硅开关元件4时忽略电压跳变。在接通三端双向可控硅开关元件4识别到电压跳变，因为所述电压跳变与触发信号同时。
由于关断三端双向可控硅开关元件4而出现的电压跳变现在可被用于求得三端双向可控硅开关元件4可被重新触发的时刻。关断三端双向可控硅开关元件4的时刻现在可被近似地取为电动机电流的过零。替代地，可以根据三端双向可控硅开关元件4的相应的保持电流、交变电压的频率和其他参量求得电动机电流的过零的时刻。可以重新触发三端双向可控硅开关元件4的时刻由静止时间(Totzeit)的累加求得，所述静止时间表明：到何时电动机电流等于一个大于三端双向可控硅开关元件4的相应的保持电流的电流值。
控制单元3例如由微控制器实现，其能够分析处理交变电压的变化过程并且尤其能够如此分析处理节点K上的电压和第二交变电压线路6的电压之间的电压差从而可以识别由于开关三端双向可控硅开关元件4而出现的电压跳变的时刻。
图2示出信号/时间图，其说明了施加在电动机2上的交变电压Uw、紧随的电动机电流i和第二交变电压线路和节点K之间的电压UK。可以看到在触发时刻tZ时和关断时刻tA时的电压跳变，所述电压跳变可由控制单元3识别。
与最早可能的触发时刻相匹配具有以下优点：可以明显地提高电刷使用寿命，因为由于更小的高次谐波份额降低了电弧形成。同样降低了EMV辐射，由此，电动机的自身加热也更小了。

Claims (9)

1.用于借助相位截止来运行电动机(2)的方法，具有以下步骤：
-将交变电压施加到所述电动机(2)和开关元件(4)尤其三端双向可控硅开关元件的串联电路上，其中，通过施加触发信号连通所述开关元件(4)，并且在电流的大小低于保持电流时禁止所述电流流动；
-确定电动机电流的虚拟的过零的时刻，所述电动机电流在所述开关元件(4)连通时流动；
-在接通时刻接通所述开关元件(4)，所述接通时刻取决于所述电动机电流的虚拟的过零的时刻。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在取决于一个所提供的调节量的时刻接通所述开关元件，所述调节量说明所述电动机(2)的所期望的功率。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，根据关断所述开关元件(4)的时刻确定电动机电流的虚拟的过零的时刻。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，将关断所述开关元件(4)的时刻确定为出现施加在所述开关元件(4)上的电压的电压跳变的时刻。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，将出现施加在所述开关元件(4)上的电压的电压跳变的时刻确定为出现电压跳变的时刻，在所述电压跳变时所述开关元件(4)是未接通的。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，通过将一个持续时间加到所述电压跳变的时刻上确定接通时刻，其中，所述持续时间是确定的或者根据所施加的交变电压的频率和/或所述开关元件(4)的保持电流来选择。
7.用于借助相位截止来运行电动机(2)的电动机控制单元，其中，在所述电动机(2)和开关元件(4)尤其三端双向可控硅开关元件的串联电路上施加交变电压，其中，通过施加触发信号接通所述开关元件并且在电流的大小低于保持电流时禁止所述电流流动；所述电动机控制单元包括：
-探测单元，用于确定电动机电流的虚拟的过零的时刻，所述电动机电流在所述开关元件(4)连通时流动；以及
-控制装置，用于在取决于所述电动机电流的虚拟的过零时刻的时刻接通所述开关元件(4)。
8.电动机系统，具有根据权利要求7所述的电动机控制单元、电动机(2)和开关元件(4)，其中，所述电动机(2)和所述开关元件(4)彼此串联。
9.计算机程序，所述计算机程序包含程序代码，当在数据处理单元上执行所述程序代码时实施根据权利要求1至6中任一项所述的方法。
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