CN102484443A

CN102484443A - 利用脉冲式控制信号控制电动机的设备

Info

Publication number: CN102484443A
Application number: CN2010800388873A
Authority: CN
Inventors: B.迪特默; M.埃申哈根; G.雷特曼
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-09-02
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2030-08-26
Also published as: DE102009029106A1; WO2011026772A3; WO2011026772A2; CN102484443B; EP2474088A2

Abstract

本发明涉及一种利用脉冲式控制信号、尤其是利用脉冲式电压信号或者利用脉冲式电流信号控制电动机的设备，包括：用于将恒定的信号转换为脉冲式控制信号的开关元件（105），其中该开关元件（105）能转换到具有第一电阻值的第一开关状态并且能转换到具有第二电阻值的第二开关状态；以及控制设备（107,117），该控制设备设计为将开关元件在转换到第二开关状态时转换到具有第三电阻值的状态，该第三电阻值小于第二电阻值。

Description

利用脉冲式控制信号控制电动机的设备

技术领域

本发明涉及控制电动机的领域，所述电动机尤其是起动器系统的电动机。

背景技术

为了起动内燃发动机，通常采用具有电动机的起动器，该起动器例如借助小齿轮-齿环啮合来驱动内燃发动机。但是为此需要高功率和高电流，从而起动器所需要的峰值电流根据内燃发动机的大小可以是几百安培至1000安培或甚至更高。这些高电流在常规车载电网拓扑中通常由车载电网电池或由起动器电池馈电，并且只通过车载电网中的导线和部件（例如电池和起动器）的电阻比来限制。

但是，这种峰值电流导致起动器的高的脉冲形起动力矩，该起动力矩促使要提高所采用的部件的机械应力并由此减小部件的寿命。此外，通过高的峰值电流在常规的车载电网中产生电压的强烈扰动以及EMV（电磁兼容性）的负面干扰。常见的解决方案是在电流路径中采用功率电阻以限制电流。该解决方案的主要缺点在于，电阻中的电能被转换为热量，这会减小装置的效率并且使得相应地配置电阻成为必要。

另一个解决方案是电机的电流时钟化，例如在文献EP1 369 569 B1中所描述的，用于限制起动电流。为了实现电流时钟化，例如可以采用晶体管开关，晶体管开关例如断开和闭合以产生时钟化或脉冲式的控制信号来用于起动器。通过时钟化来减小损耗功率并且实现更高的效率。但是在对大电流进行时钟化的情况中，由于尤其是在晶体管开关断开时的引线电感，形成可能破坏和/或电磁地负面影响其它汽车环境、特殊的电子部件的电压峰值，这在时钟化的情况下对EMV产生负面作用。

发明内容

本发明基于以下认识：在使用开关元件的条件下通过延长断开开关元件的控制信号边缘可以实现对在时钟化地、即脉冲式地控制电动机情况下的电压峰值和电磁干扰的避免。由此开关元件被转换到模拟运行，在模拟运行中该开关元件作为具有明显减小的电阻值的可变电阻运行。由此引起尤其是关于去活边缘的“软”时钟化，从而对不期望的电压峰值的形成产生反作用。如果开关元件例如通过为了时钟化而被激活和去活的晶体管（例如通过MOSFET晶体管或双极晶体管）实现，则该晶体管可以在其去活时例如通过外部接线而转换为线性运行，该线性运行可以具有包括减小的、取决于特征曲线的电阻值的欧姆范围。所述接线例如可以通过位于晶体管的控制电极和电池引线之间的齐纳二极管或电容来实现。

但是所述已知概念的缺点是，电压峰值直接被传输到车载电网中并且可能在那里干扰或甚至破坏电子电路。因此必须在相应的电流路径中插入具有高击穿电压的高成本的组件，此外这会使得电路设计过程变贵。另外，起动器电池和功率电子电路必须被定位得尽可能相互靠近，以获得更小的导线电感，这才不会或只能产生很小的电压过高。

根据一个方面，本发明涉及一种利用脉冲式控制信号控制电动机的设备。该设备包括用于将恒定的信号（例如电池信号）转换为脉冲式控制信号的开关元件，其中该开关元件可转换到具有第一电阻值的第一开关状态并且可转换到具有第二电阻值的第二开关状态。该设备还包括控制设备，该控制设备设计为将开关元件在转换到第二开关状态时转换到具有可以固定或可变的第三电阻值的状态，该第三电阻值小于第二电阻值。通过减小电阻值，可以排出可能的电压峰值，从而本发明的设备也允许更高的导线电感。另外不需要关于起动器电池布置和功率电子电路的特殊预防措施。此外，本发明使得可以放弃具有高击穿电压的组件，这可以导致成本的降低。

根据实施方式，所述控制设备设计为将开关元件从第二开关状态转换到第一开关状态，而开关元件没有被转换到所述具有第三电阻值的状态。由此第一开关状态被直接引入，使得具有第三电阻值的状态有利地仅在所述开关元件在转换到第二开关状态时（例如转换到断开的开关状态时）才执行。

根据实施方式，所述控制设备设计为将开关元件转换到第一开关状态或转换到第二开关状态。由此控制设备有利地设计为接管对所述开关元件的全部控制。

根据实施方式，所述第三电阻值大于所述第一电阻值。由此第三电阻值形成第一电阻值和第二电阻值之间的有利的电阻中间级。

根据实施方式，所述控制设备构成为，开关元件为了转换到具有第三电阻值的状态而与电开关元件—尤其是与电容器或齐纳二极管—尤其是可开断地连接。由此本发明的电阻减少有利地用简单的手段实现。

根据实施方式，开关元件是具有控制端子、尤其是具有栅极端子的开关晶体管，在该控制端子上可施加用于断开和闭合所述开关晶体管的控制信号。所述控制设备优选构成为，利用所述控制信号的第一、尤其是上升的边缘将开关元件转换到第一开关状态，并且利用所述控制信号的第二、尤其是下降边缘将开关元件转换到第二开关状态，其中第二边缘比第一边缘长。由此实现了，第二边缘的斜率小于第一边缘的斜率，从而不会突然导致例如第二开关状态，由此可以对电压峰值的形成产生反作用。

根据实施方式，所述开关元件包括具有控制端子的开关晶体管，其中在开关晶体管的例如可与电池端子连接的另一个端子、尤其是漏极端子或源极端子之间借助开关可开断地设置电路元件（例如电容或齐纳二极管），其中控制设备构成为，为了将开关元件转换到具有第三电阻值的状态而闭合所述开关。由此所述开关元件以简单的方式由外部接线。

根据实施例，所述开关元件包括开关，尤其是开关晶体管，其中所述控制设备构成为闭合所述开关以便使开关元件转换到第一开关状态，或者断开开关以便使开关元件转换到第二开关状态。由于第二开关状态是断开的开关状态，因此根据本发明减小了该第二开关状态的否则非常高的电阻值，从而可以对电压峰值的形成产生反作用。

根据实施方式，开关元件包括开关，尤其是开关晶体管，其中所述控制设备构成为将开关晶体管转换到线性运行，以便将开关元件转换到具有第三电阻值的状态。由此有利地引起开关元件向具有依据特征曲线的电阻值的可变电阻转变。

根据实施方式，在所述开关元件之后连接用于测量电流的电流测量装置，其中所述控制设备构成为依据所测量的电流值将所述开关元件转换到第一开关状态或转换到第二开关状态。由此有利地引起对可输送给电动机的能量数量的调节。

根据另一方面，本发明涉及一种起动-停止系统，具有汽车电池、起动器电机（Startermotor），尤其是电动机，以及用于利用脉冲式控制信号来控制该电动机的设备。

根据另一方面，本发明涉及一种利用脉冲式控制信号控制电动机的方法，包括步骤：借助开关元件将恒定的信号、尤其是恒定的电池电压信号转换为脉冲式控制信号，其中所述开关元件被转换到具有第一电阻值的第一开关状态并且转换到具有第二电阻值的第二开关状态，以及将所述开关元件在转换到第二开关状态时转换到具有第三电阻值的状态，该第三电阻值小于第二电阻值。

附图说明

其它实施例参照附图来解释。

图1示出起动器系统；

图2示出信号变化曲线；

图3示出起动器系统；

图4示出信号变化曲线；

图5示出开关状态。

具体实施方式

图1示出具有电池101例如汽车电池、可以是电动机的起动器电机103以及利用脉冲式控制信号控制电动机的设备。

所述设备包括用于将来自电池101的恒定的电压信号转换为脉冲式控制信号的开关元件105。开关元件105可切换到或转换到具有第一电阻值的第一开关状态例如闭合的开关状态，并且可切换到或转换到具有第二电阻值的第二开关状态例如断开的开关状态。为此设置与开关元件105的控制输入端耦合的控制设备107。所述开关元件例如可以是开关晶体管，从而所述控制输入端例如可以是栅极端子。所述控制设备107包括第一输入端109和第二输入端111，其中第一输入端109与电流测量装置113的输出端连接。电流测量装置113设置在开关元件105和电机103之间。第二输入端111优化地设置，用于接收开关信号，控制设备107可响应于该开关信号而被激活。

在例如设置在电池支路中的开关元件105的端子115之间是可开断的支路117，具有包括齐纳二极管121以及可选的第一二极管119的反串联二极管电路。齐纳二极管在背侧上通过另一个开关元件123与开关元件105的控制端子耦合。控制设备107闭合和断开所述另一个开关123，由此开关元件105被转换到具有与断开的第二开关状态中的电阻值相比减小的电阻值的状态。

此外，起动器系统包括在截止方向上接地的空转二极管125。此外，在图1中示出导线电感127和129，它们在开关元件105接通时致使形成电压峰值。

具有二级管119以及齐纳二极管121的支路117形成可接入的齐纳接线端，其中如果齐纳接线端的击穿电压应小于电池电压U_Batt，则齐纳二极管121借助开关123仅在该电路装置的激活运行中接入。在齐纳击穿电压高于电池电压值的情况下，开关125可被去掉。在这种情况下支路117是控制设备的组成部分。

图2示出在运行图1的装置时产生的信号变化曲线，具有栅极控制信号201、通过可以是晶体管的开关元件105的电流203、所述另一个开关元件123的状态变化曲线205、在另一个输入端111上的接通信号207的变化曲线以及在例如与晶体管105的漏极端子连接的端子115上产生的电压变化曲线。电压变化曲线209例如可以是U_Drain或U_Batt的变化曲线。

如图1所示，栅极控制信号201利用直到时刻213（即接通时刻t_ein）的上升边缘211将开关元件105切换到可导电的状态。在时刻215，即在断开时刻t_aus，利用下降边缘217将开关元件105断开。重复该过程，从而在开关元件105的输出端上形成脉冲式控制信号。电流的变化曲线203明显表明，该变化曲线在时刻215之前连续上升，并且从该时刻开始连续下降。齐纳接线端例如可以同时被上升边缘211激活，其中在另一个输入端111上的接通信号优选同时被激活。如电压变化曲线209所说明的，在断开时刻215形成通过齐纳接线端117而减小的电压峰值。但是接通边缘和断开边缘也可以相同。

优选的，栅极控制信号203的断开边缘217尽可能平坦，以便将电池导线中的过电压峰值219保持得很小，从而剩余的电压峰值通过齐纳接线端借助齐纳二极管121来减小。

图3示出起动器系统，其中与图1所示的起动器系统不同在开关元件105的端子115和控制端子之间设置包括耦合电容310和开关303的串联电路300。控制设备107断开和闭合可以是晶体管开关的开关105，以接入或断开耦合电容301，由此开关元件105的电阻尤其是在开关元件的断开状态下被减小，因为耦合电容器301设置在电池和开关元件105及其控制电极之间。

电流测量器113与图1所示的实施例类似地检测流向电动机103的电流。如果该电流超过预定的电流值，则通过控制设备107断开开关303。但是在此过程中，电池101和开关元件105之间的导线电感127继续驱动电流，这导致电压过高，该电流通过耦合电容器301馈入到开关105的控制电极上。同时，导线电感129朝着电动机103继续驱动该电流并导致在开关元件105上的下降的电压。由此例如在通过NMOS形成的开关元件中产生正的栅极-源极电压，该电压接通控制（aufsteuert）开关元件105并且可以使电流流动，直到两侧上的电压被衰减到开关元件105重新断开（zusteuert）的程度为止。开关303用于能断开耦合。

图4说明在电池101和开关元件105之间（例如在节点115处）的电压引线中产生的电压变化曲线。电压变化曲线401是在没有例如借助耦合电容器301引起电阻值减小时产生的。电压变化曲线403在应用本发明的例如通过接入耦合电容301而导致电阻减小的情况下产生。根据两个电压变化曲线的比较可以看出，根据本发明电压峰值可以被明显减小。

图5示出开关元件105的开关状态图，具有状态501,503和505。开关状态501是具有第一电阻值R1的接通状态，开关状态503是具有第二电阻值R2的断开开关状态，开关状态505是具有第三电阻值R3的模拟或线性开关状态，其中R3可以是可变的。在此优选R2>R3>R1或R2>>R1成立。

另一个优点在于，起动器电池101由于该电路装置而可以在空间上远离用作脉冲开关的开关元件105地设置。由此可以灵活地区分功率电子电路和起动器电池101。从而起动器电池101例如可以插入在汽车的行李舱中而电子电路插入在汽车的乘客舱中。

通过本发明的电流时钟化减小的起动电流还导致在内燃发动机起动时在车载电网中的更小的电压中断，由此减少支持车载电网、尤其是在起动-停止系统中所需要的措施。由于起动器电流不是硬接通的，而是由汽车电池或起动器电池101很大程度地维持在起动器回路中以及在引线中的电流流动，使得电流近似连续地继续流动，因此基于借助开关元件105引起的时钟化预计不会出现电磁干扰。

Claims

1. 一种利用脉冲式控制信号、尤其是利用脉冲式电压信号或者利用脉冲式电流信号控制电动机的设备，该设备包括：

用于将恒定的信号转换为脉冲式控制信号的开关元件（105），其中该开关元件（105）能转换到具有第一电阻值的第一开关状态并且能转换到具有第二电阻值的第二开关状态；以及

控制设备（107,117），该控制设备设计为将开关元件在转换到第二开关状态时转换到具有第三电阻值的状态，该第三电阻值小于第二电阻值。

2. 根据权利要求1的设备，其中所述控制设备（107,117）设计为将开关元件（105）从第二开关状态转换到第一开关状态，而开关元件没有被转换到所述具有第三电阻值的状态。

3. 根据上述权利要求之一的设备，其中所述第三电阻值不小于所述第一电阻值。

4. 根据上述权利要求之一的设备，其中所述控制设备（107,117）构成为，将开关元件（105）为了转换到具有第三电阻值的状态而与电路元件（121，301）、尤其是与电容器（301）或齐纳二极管（121）连接。

5. 根据上述权利要求之一的设备，其中开关元件（105）包括具有控制端子、尤其是具有栅极端子的开关晶体管，在该控制端子上能施加控制信号，所述控制设备（107,117）构成为，利用所述控制信号的第一、尤其是上升的边缘将开关元件（105）转换到第一开关状态，并且利用所述控制信号的第二、尤其是下降边缘将开关元件转换到第二开关状态，其中第二边缘比第一边缘长或者第一边缘和第二边缘相同长度。

6. 根据上述权利要求之一的设备，其中所述开关元件（105）包括具有控制端子的开关晶体管，其中在开关晶体管的另一个端子、尤其是漏极端子或源极端子之间能借助开关（303，123）可开断地设置电路元件（121,301）尤其是电容（301）或齐纳二极管（121），其中控制设备（107,117）构成为，为了将开关元件（105）转换到具有第三电阻值的状态而闭合所述开关（123,303）。

7. 根据上述权利要求之一的设备，其中所述开关元件（105）包括开关，尤其是开关晶体管，其中所述控制设备（107,117）构成为闭合所述开关以便使开关元件（105）转换到第一开关状态，或者断开开关以便使开关元件转换到第二开关状态。

8. 根据上述权利要求之一的设备，其中开关元件（105）包括开关，尤其是开关晶体管，其中所述控制设备（107,117）构成为将开关晶体管转换到具有可变电阻的线性运行，以便将开关元件（105）转换到具有第三电阻值的状态。

9. 根据上述权利要求之一的设备，其中在所述开关元件（105）之后连接用于测量电流的电流测量装置（113），其中所述控制设备（107,117）构成为依据所测量的电流值将所述开关元件（105）转换到第一开关状态或转换到第二开关状态。

10. 一种起动器系统，尤其是起动-停止系统，具有：

用于提供恒定的电压信号的汽车电池；

起动器电机，尤其是电动机，以及

根据权利要求1至10之一的设备。

11. 一种利用脉冲式控制信号控制电动机的方法，包括：

借助开关元件将恒定的信号转换为脉冲式控制信号，其中所述开关元件被转换到具有第一电阻值的第一开关状态并且转换到具有第二电阻值的第二开关状态；以及

将所述开关元件在转换到第二开关状态时转换到具有第三电阻值的状态，该第三电阻值小于第二电阻值。