CN102177651B - 用于控制机械换向电动机的电源系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于响应机械换向电动机(1)的换向而提供触发信号的方法。该方法包括步骤：提供机械换向电动机(1)；从电源电路经过供电引线(10、11)为所述机械换向电动机提供电源；提供与所述供电引线(10、11)连接的滤波器(15)；用所述滤波器(15)检测换向时出现的电压尖峰；从所述滤波器(15)输出所述触发信号。

Description

用于控制机械换向电动机的电源系统和方法

技术领域

本发明涉及一种用于响应机械换向电动机的换向而提供触发信号的方法。本发明还涉及一种用于机械换向电动机的电源系统。

背景技术

本领域周知，机械换向电动机，即其中的电刷和换向器装备随转子的旋转，在定子产生的磁场内改变转子绕组中电流的极性的电动机。在这种电动机中的磁场，可以用永久磁铁或电磁铁产生。如果该磁场是由电磁铁产生的，则产生定子的磁场的绕组中的电流，可以由独立的磁化电流提供，或者它可以由通过该转子绕组的电流相同的电流提供。后者一般称为通用电动机，因为它也十分适合于AC，只要AC频率不是太高。这样的通用电动机在最常用的AC频率，诸如162/3Hz、50Hz或60Hz上工作得很好。

机械换向永久磁铁DC电动机是小的和中等的电气和电子器件最常用的电动机。所以，这种电动机被非常大量地生产，因而使它们变得非常便宜。为了控制这种电动机，用脉冲调制电流装置供应电流是周知的。

为确定机械换向电动机的换向，已经作了许多尝试，如，向电动机提供诸如转速计的指示器，或者对送至电动机的供电电流进行波纹计数，即线圈中电流因为反电动势而不能瞬间地变化，导致供电电流的起伏。一种这样的尝试如在EP-A-1772954中所描述那样被描述。这种波纹计数是困难的，因为换向器此时通常以重叠方式接触，把供电电流送至数个绕组。

需要确定换向的理由之一植根于周知的机械换向电动机的缺点之一，就是当电动机换向时出现的发弧。在每一换向点上，当电刷与换向器片的接触断开时，作为磁场储存在电动机绕组中的能量，当磁场瓦解时，在电刷和换向器片之间引起电弧或电压尖峰。这种情况不但在正常换向期间出现，而且在电刷在旋转的换向器上弹起时也出现。

电弧是不希望有的，主要理由有两个。第一个主要理由是，电弧产生从电动机辐射的太多的高频电磁噪声，并可以引起不希望有的对其他设备的电磁干扰。另一个主要理由是，电弧包含热的等离子，引起电动机上，诸如换向器本身和电刷的机械磨损。

发明内容

本发明的目的是检测机械换向电动机的换向，以便除别的作用外，克服这些发弧等问题。

按照本发明的第一方面，是借助一种用于响应机械换向电动机的换向而提供触发信号的方法，达到该目的，所述方法包括步骤：提供机械换向电动机；从电源电路经过供电引线为所述机械换向电动机提供电源；提供与所述供电引线中的至少一根连接的滤波器；用所述滤波器检测换向时出现的电压尖峰；从所述滤波器输出触发信号。

通过使用这种滤波器，有可能得到因电刷在换向时脱离它与换向器的导电垫的接触导致阻抗增加所产生的反向电压尖峰。本发明认识到，与波纹计数中的起伏相反，该反向尖峰是容易检测的，因为与电源电压相比，该尖峰的持续时间和幅度甚至可以引起有相反极性的尖峰。

按照本发明的第二方面，是借助一种用于机械换向电动机的电源系统，以达到该目的，所述电源系统包括：电源电路；用于从所述电源电路传导电功率到机械换向电动机的供电引线；被连接到所述供电引线的滤波器；用于把所述滤波器输出的触发信号作为停止信号传输到电源的线路，其中所述脉冲调制电路包括用于接收所述停止信号的装置，以及用于响应所述停止信号，临时暂停送至所述机械换向电动机的电源的装置。

由此，发弧能够被避免，因为电流是在电源的固态器件中，而不是在换向器的机械接触中被中断的。

按照本发明第一方面的第一优选实施例，所述方法还包括使用所述触发信号作为电源的停止信号，和响应所述停止信号，临时暂停送至所述机械换向电动机的电源的步骤。

按照本发明的方法的优选实施例，所述电源电路包括脉冲调制电路，而所述停止信号被用作所述脉冲调制电路的复位信号。通过直接根据来自滤波器的停止信号使脉冲调制电路复位，能够达到电源的非常快速的响应和暂停，因而在电弧出现的最初迹象便使它熄灭。

按照本发明的方法的再一个优选实施例，所述电源电路包括微处理器。微处理器是多用途的且又允许换向出现时记录精确的时间。

按照本发明的方法的另一个优选实施例，在所述复位之后，提供脉冲调制电路的操作的预定延时。这样保证在电流供应被恢复之前，换向器和电刷之间有足够的距离，从而防止电弧在稍后出现。

按照本发明的又一个优选实施例，所述脉冲调制电路提供脉冲宽度调制功率。脉冲宽度调制可用微处理器或多谐振荡器电路容易获得。

按照本发明的电源系统的第一实施例，所述电源电路包括脉冲调制电路，而用于接收所述停止信号的所述装置是所述脉冲调制电路的复位输入。通过使用复位输入，直接根据来自滤波器的停止信号使脉冲调制电路复位，能够达到电源的非常快速的响应和暂停，因而在电弧出现的最初迹象便使它熄灭。

按照本发明的电源系统的再一个实施例，所述电源电路包括微处理器。微处理器是多用途的且又允许换向出现时记录精确的时间。

按照本发明的电源系统的另一个优选实施例，装置被提供用于在所述复位之后引进脉冲调制电路的操作的预定延时。这样保证在电流供应被恢复之前，换向器和电刷之间有足够的距离，从而防止电弧在稍后出现。

按照本发明的电源系统的又一个优选实施例，所述脉冲调制电路适合提供脉冲宽度调制功率。微处理器是多用途的且又允许换向出现时记录精确的时间。

作为能以本发明使用的滤波器检测在换向时电压尖峰的出现的附带作用，本发明允许对机械换向电动机的细致的监控。

因此，按照以本发明的再一个优选实施例表达的第三方面，是提供一种方法，该方法还包括借助所述微处理器，识别和储存有关一些换向中所述电压尖峰出现的时间信息，以便确定模式。

这种有关电压尖峰的时间信息的模式，给出机械换向电动机的单独特征，尤其允许检测主要故障，诸如电动机绕组的失效。

在本发明第三方面的优选实施例中，所述时间信息包括所述电压尖峰之间的时间间隔。任何机械换向电动机在换向器的接触垫的间隔中，都有小的差别。这些都容易用本发明的方法检测，因此能够被用作单独特征。例如，换向之一可以被指定用作基准，这样容易允许计算转数，或允许识别哪一个特定绕组已经失效。

在本发明第三方面的再一个优选实施例中，所述时间信息包括所述电压尖峰的宽度或甚至这些尖峰在它们相应的持续时间上的曲线形状。这样进一步有助于故障的检测，因为它允许例如特别对换向器垫边缘的磨损的检测，因为这种磨损将影响出现电压尖峰。

在按照本发明第三方面的方法的特殊地优选的实施例中，该方法包括相继电压尖峰的检测，以及有关所述尖峰的相应时间信息与所述模式的比较。因此，机械换向电动机在它的服务寿命内的任何变化能够被检测，且如果所述相继尖峰与所述模式不匹配，则采取预防措施。

按照本发明第三方面的优选实施例，所述预防措施包括发出报警。该报警然后可以允许采取进一步的预防措施，例如在最终失效之前替换机械换向电动机。

按照再一个优选实施例，机械换向电动机的角度位置，是根据相继电压尖峰的所述检测确定的。有了可识别的基准，即使单独换向的痕迹已经丢失，例如，如果该电动机的转子在功率失效或任何其他功率断路时运动的话，也允许该电动机被复位到预定角度位置。

附图说明

现在将根据非限制的示例性实施例和图，更详细描述本发明，图中：

图1示意画出在第一位置的换向器和电刷；

图2示意画出在第二位置的换向器和电刷；

图3示意画出在第三位置的换向器和电刷；

图4示意画出微处理器控制的有用于检测换向的滤波器的机械换向电动机；

图5画出用于检测换向的滤波电路；

图6-9画出在图5的滤波电路中各个点上测量的信号的曲线形式；和

图10画出有用于检测换向的滤波器电路的机械换向电动机。

具体实施方式

图1画出在图3和4中使用的机械换向电动机1的换向器装备的非常简化的图。换向器是旋转开关，它改变向电磁铁的磁化绕组2供应的电流的极性，从而电磁铁的极性。因为换向器旋转，所以它通常是圆柱形的，但为了图解的目的，在此它被画成直线形。该示意画出的换向器，包括与电动机转子沿箭头W指示方向旋转的基体(substrate)3。许多被间隙6、7分开的接触垫4、5被定位在该基体表面。为了图解的目的，只画出两个接触垫4、5。接触垫4、5由两个电刷8、9啮合，于是电流从与电流供电引线10连接的功率源(未画出)经过电刷8流到接触垫4。电流从接触垫4通过磁化绕组2流到另一个接触垫5，并经过另一个电刷9和回程引线11流回功率源。在换向器旋转期间，电刷8与接触垫4和5以交替方式啮合，而另一个电刷9与相应的其他接触垫啮合。由此磁化绕组2的极性反向并驱动电动机1。

在图2中能够看到，基体3已经沿箭头W方向运动到左侧，于是电刷8已经与接触垫5啮合并正要脱离接触垫4。同样，电刷9正要脱离接触垫5。但是没有示出电刷9将要与下一个接触垫啮合。如果换向器装备只有这两个接触垫4、5，那么它将因此已经与接触垫4啮合。

此刻的电刷8、9脱离接触垫4、5，相当大的磁能仍然储存在磁化绕组中。该能量引起电压尖峰，有足够的电压在接触垫4、5和相应电刷8、9之间激发电弧12，如图3所示。此外，甚至随着接触垫和相应电刷8、9之间的距离增加，储存的能量也足以维持电弧12，由此引起强大的电弧12，产生电磁噪声，并使材料从接触垫4、5的边缘逸散。

在本发明中已经认识到，电压尖峰能够用合适的滤波检测，且使用这种检测，电弧12可以在它实际开始发展之前被熄灭。尤其是，本发明提供的滤波器电路，即使电源是脉冲调制的，也允许不模糊和可靠地检测因换向产生的特定电压尖峰。

图4示意画出用于熄灭换向器中电弧12的示例性电路。从外部功率源(未画出)来的功率在供电引线14上向微处理器13供电。该微处理器适合并被编程为在供电引线10上向机械换向电动机1输出脉冲调制的脉冲串，例如脉冲宽度调制的脉冲串。熟练的技术人员应认识到，如果机械换向电动机1的额定功率超过微处理器13能供应的最大输出功率，则驱动电路可以被用于放大该脉冲调制的脉冲串。熟练的技术人员还应认识到，产生脉冲调制脉冲串的其他方式也可以被采用，例如使用多谐振荡器芯片的多谐振荡器的实施例，以及认识到，下面对微处理器实施例解释的细节，同样可以在多谐振荡器的实施例中应用。

从图4还能够看到，滤波器15被连接到供电引线9。滤波器15过滤出换向尖峰并提供输出信号，该输出信号经线路16被送至微处理器13的输入。应当指出，图4是示意的且滤波器15不一定只按单个点被连接到供电引线9。在所示的实施例中，该输出信号被送至的微处理器13的输入，是复位端子。因此，当换向尖峰出现时，微处理器被复位，并随之立刻地在纳秒内暂停向机械换向电动机供应功率。这样在电弧实际上开始建立起来之前，使电弧熄灭。复位之后到微处理器恢复向电动机供应脉冲调制电流的时候，磁化绕组的能量的大部分已经耗散，且接触垫4、5和电刷8、9之间的空气间隙6、7已经变大，足以防止电弧的再点燃。如有必要，足够的延时能够被编程到微处理器13中，以保证这一点。

下面还要进一步解释，滤波器15的输入信号可以代之以被送至微处理器的其他输入，用于尖峰分析等等。

图5中画出按照本发明的示例性滤波器15。滤波器15以在测量电阻19两侧的两个点17、18被连接到供电引线10。测量电阻19不一定是分立部件而能够由适当长度的供电引线11构成。

滤波器15包括三个滤波单元，以虚线框示出，即惠斯登电桥20、低通滤波器21和微分电路23。再有，该滤波器可供选择地包括两个放大器，也以虚线框示出，即用于放大来自低通滤波器21的输出信号的放大器22，和用于放大来自微分电路23的输出信号的驱动电路24。

图5的滤波器15的功能被以曲线形式示出在图6-9，这些曲线是当向Mabuchi的机械换向8极dc电动机供电期间，在滤波器15中各个点上测量的。

图6中，上面的曲线形式表明在点17、18之间测量的测量电阻器19上的未滤波信号。在该示出的特定测量中，测量电阻器19简单地就是15厘米的电源导线11。没有使用分立的电阻器部件19。

图6中下面的曲线形式表明在点17和惠斯登电桥20左手侧的信号输出点25之间被测量的信号。

图7中，上面的曲线形式表明在点17、18之间测量的测量电阻器19上与图6中上面的曲线形式相同的未滤波信号。

图7中下面的曲线形式表明在点17和惠斯登电桥20右手侧的基准点26之间被测量的信号。

图8示出在惠斯登电桥20的信号输出点25及基准点26分别与地27之间被测量的曲线形式。上面的曲线形式是信号输出点25和地27之间的，下面是基准点26和地27之间的。

来自惠斯登电桥20的信号输出点25及基准点26的输出信号，分别被输送到低通滤波器21和放大器22。

图9中上面的曲线形式示出来自放大器22的低通滤波输出信号，是在输出端子28和地27之间测量的。

来自放大器22的输出信号被送至微分电路23，得到图9的下面的曲线形式。能够看出，该曲线形式包括每次换向的一个轮廓分明的尖峰29，该尖峰容易例如作为复位信号可供微处理器13使用。仔细观察各个尖峰29的形状，熟练的技术人员应当认识到，不但尖峰29轮廓分明，而且事实上在重复的模式中，有单独地可区分的特性与该机械换向电动机的8个极对应。

研究已经表明，这种重复的模式对一切机械换向电动机都存在，且对每一单独电动机是唯一的，反映每一极在换向过程中的差异。使用微处理器，如图10所示，那里来自滤波器15的输出信号被送到另一个输入16′，而不是只送到复位输入16，对每一单独电动机记录该模式是可能的，由此成为该电动机如何换向的单独特征。当每一电动机连同与它自身集成的基于微处理器的控制器被交付，是特别感兴趣的。有了可供使用的微处理器13，包含每一换向尖峰的特征的模式，可以被记录和储存用于每一生产的机械换向电动机1。有了已储存的用于机械换向电动机1的模式和特征，就允许识别该电动机的任何变化。例如，如果一个磁化绕组失效，则消失的尖峰容易被发现。然而，因为这些尖峰的特征也被记录和储存，使监控机械换向电动机1寿命内尤其是换向器的磨损成为可能。还成为可能的是，例如，通过定义一个容易区别的换向作为基准，或甚至通过制造有这种容易区别的换向的电动机1，为电动机1定义基准点。所述后一种情况，通过使换向器的接触垫4、5之间的一个空气间隙6、7比其他的更大，导致该换向尖峰相对另一个基本上等距尖峰的时间上的位移，是可以实现的。

此外，触发信号能够被用于触发其他测量，诸如接连的换向之间供电电流的波形，以便获得用于表征机械换向电动机的另外有用的信息。

尽管已经根据具体的示例性实施例给出上面的描述，但熟练的技术人员将认识到，在本发明的范围内的许多差异和变型是可能的。因此，熟练的技术人员将认识到，不同于所示模拟滤波器的其他滤波器是可能的，尤其是滤波器的各部分可以作为微处理器或类似部件中的数字滤波而实施。熟练的技术人员还应当理解，电源应当按最广泛的意义理解，且尤其可以仅包括有或没有调制的功率源和受滤波器输出信号控制的简单的电子开关。

Claims (19)

1.一种用于响应机械换向电动机(1)的换向而提供触发信号的方法，所述方法包括步骤:

提供机械换向电动机(1);

从电源电路经过供电引线(10，11)为所述机械换向电动机提供电源;

提供与所述供电引线(10，11)中的至少一根连接的滤波器(15)，所述滤波器(15)适合检测与送至电动机(1)的供电电流上的波纹在持续时间及幅度上不同的电压尖峰(29)，所述方法的特征在于还包括步骤:

用所述滤波器(15)检测换向时出现的电压尖峰(29);

从所述滤波器(15)输出所述触发信号。

2.按照权利要求1的方法，还包括步骤:

使用所述触发信号作为电源的停止信号;和

响应所述停止信号，临时暂停送至所述机械换向电动机(1)的电源。

3.按照权利要求2的方法，其中所述电源电路包括脉冲调制电路，而所述停止信号被用作所述脉冲调制电路的复位信号。

4.按照权利要求1到3任一项的方法，其中所述电源电路包括微处理器(13)。

5.按照权利要求3的方法，其中在所述复位之后，提供脉冲调制电路的操作的预定延时。

6.按照权利要求3的方法，其中所述脉冲调制电路提供脉冲宽度调制功率。

7.按照权利要求4的方法，还包括:

借助所述微处理器(13)，识别和储存有关一些换向中所述电压尖峰(29)出现的时间信息，以便确定模式。

8.按照权利要求7的方法，其中所述时间信息包括所述电压尖峰(29)之间的时间间隔。

9.按照权利要求7或8的方法，其中所述时间信息包括所述电压尖峰(29)的宽度。

10.按照权利要求7的方法，其中所述时间信息包括所述电压尖峰(29)在它们相应的持续时间上的曲线形状。

11.按照权利要求7的方法，还包括相继电压尖峰(29)的检测，以及有关所述电压尖峰(29)的相应时间信息与所述模式的比较。

12.按照权利要求n的方法，其中，如果所述相继电压尖峰(29)与所述模式不匹配，则采取预防措施。

13.按照权利要求12的方法，其中所述预防措施包括发出报警。

14.按照权利要求H的方法，其中机械换向电动机(1)的角度位置是根据相继电压尖峰(29)的所述检测确定的。

15.一种用于机械换向电动机的电源系统，所述电源系统包括:

电源电路;

供电引线(10，11)，用于从所述电源电路传导电功率到机械换向电动机(1);

滤波器(15)，被连接到所述供电引线(10，11)，所述电源系统的特征在于还包括:

线路(16，16')，用于把从所述滤波器(15)输出的触发信号作为停止信号传输到电源，其中

所述电源电路包括用于接收所述停止信号的装置，以及用于响应所述停止信号，临时暂停送至所述机械换向电动机(10)的电源的装置。

16.按照权利要求15的系统，其中所述电源电路包括脉冲调制电路，而用于接收所述停止信号的所述装置是所述脉冲调制电路的复位输入。

17.按照权利要求15或16任一项的系统，其中所述电源电路包括徵处理器(13)。

18.按照权利要求16的系统，其中装置被提供用于在所述复位之后，引进脉冲调制电路的操作的预定延时。

19.按照权利要求16的系统，其中所述脉冲调制电路适合提供脉冲宽度调制功率。