CN102598498B - 电动机系统以及用于这种电动机系统的运行方法 - Google Patents

电动机系统以及用于这种电动机系统的运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电动机系统(1)，特别用于汽车中的电气闭锁设备，包括直流电动机(2)；触发电路(4)，其具有功率半导体开关(5)，并且构造用于取决于控制信号为直流电动机(2)提供触发电压；和控制单元(10)，用于根据脉冲宽度调制的驱动提供用于控制触发电路(4)的控制信号，其中在周期持续时间的第一持续时间期间在直流电动机(2)上施加供给电压，并且在周期持续时间的第二持续时间期间不由触发电路给直流电动机(2)施加电压；其中触发电路(4)与直流电动机(2)如此耦合，使得在第二持续时间期间由直流电动机(2)产生的发电机电流通过触发电路(4)导出。

Description

电动机系统以及用于这种电动机系统的运行方法
技术领域
本发明涉及具有换向式直流电动机的电动机系统，该直流电动机借助脉冲宽度调制的信号触发，特别涉及汽车中用于运行电气闭锁设备的电动机系统，例如电车窗升降器。此外本发明涉及用于运行这种电动机系统的运行方法。
背景技术
给汽车上的用于闭锁设备的常规的驱动系统提供直流电动机的脉冲宽度调制的触发，以便用不同的功率级运行直流电动机。脉冲宽度调制的触发这样进行，以周期交变的方式在第一持续时间期间在直流电动机上施加供电电压，在第二持续时间期间不在直流电动机上施加电压。通过脉冲占空因数亦即第一持续时间的长度对于总的周期持续时间的比例规定用以运行直流电动机的功率级。
直流电动机通过一个用于换接直流电动机的触发的极性的换接驱动器与提供脉冲宽度调制信号的触发电路连接。该换接驱动器通常具有例如形式为肖特基二极管、抑制二极管等的空转二极管，它们分别取决于直流电动机和触发的供电电压之间的开关状态在截止方向上极化。空转二极管通常用于卸载在开关过程中由于直流电动机的绕组的感性负荷引起的过电压。如果在第二持续时间期间在直流电动机上没有电压，则直流电动机由于它的运动产生发电机电压，该电压对于供电电压具有相反的符号。发电机电压引起电流通过与直流电动机的连接端子连接的空转二极管流动并且由此阻止在触发电路的功率半导体开关上建立高的截止电压。
特别是空转二极管应该保护触发电路的功率晶体管不承受击穿电压。也就是说如果不发生用于卸载发电机电压的另外的电流流动，则在功率半导体开关上在截止方向上极化的发电机电压上升，从而能够导致所谓的雪崩击穿。这由于与此联系产生的热量极大地给功率半导体开关施加负荷，从而能够导致功率半导体开关损坏。
然而在使用空转二极管的情况下电流的流动通过空转二极管使能量通过直流电动机重循环。然而如果由于夹紧保护直流电动机应该非常快地停止或者反转，则该能量必须在直流电动机通过换接驱动器的换接能够在相反的方向上被触发之前卸载，以便结束夹紧状态。此外通过空转二极管的电流流动产生的结果是，该电流不通过位于对于直流电动机的馈线内的电流传感器流动，以致不能执行或者仅能不精确地执行直流电动机的无传感器的、基于电流流动的位置识别。
本发明的任务在于，提供一种具有直流电动机的电动机系统供使用，其能够快速关断。此外本发明的任务在于，提供一种用于运行这种电动机系统的方法供使用，用该方法保证，直流电动机的能量在直流电动机改换极性前不在电动机绕组中重循环。
发明内容
该任务通过一种电动机系统以及一种用于运行电动机系统的方法解决。
另外的有利的结构在以下进行说明。
根据一个方面，提供一个电动机系统，特别用于汽车中的电气闭锁设备。该电动机系统包括：
-直流电动机；
-触发电路，它具有功率半导体开关，并且构造用于取决于控制信号为直流电动机提供触发电压；
-控制单元，用于根据脉冲宽度调制的触发提供用于触发触发电路的控制信号，其中在周期持续时间的第一持续时间期间在直流电动机上施加供电电压，而在周期持续时间的第二持续时间期间不由触发电路给直流电动机提供电压；
其中触发电路与直流电动机如此耦合，使得在第二持续时间期间由直流电动机产生的发电机电流通过触发电路导出。
本发明的思想在于，在脉冲宽度调制的触发时在没有电压在直流电动机上施加的第二持续时间期间，通过直流电动机的转子的运动产生的发电机电压通过触发电路引到供电线路上。这点如下实现，选取触发电路的结构大小，使得发电机电压超过在触发电路中提供的功率半导体开关的本征二极管的击穿电压，并且这样在功率半导体开关的截止方向上引起向供电电压线路上的电流流动。击穿电压的被超过导致在功率半导体开关内在截止方向上极化的pn结上的雪崩击穿，使得直流电动机内的能量慢慢通过功率半导体开关导出。这导致供电线路上的干扰减小，使得能够减小为可能的EMV滤波器的花费。
也就是说在这种电动机系统中电动机速度在断开脉冲宽度调制触发的期间能够极大地减小，因为在直流电动机内存储的机械能作为热量通过功率半导体开关导出。此外可以使用电流传感器用于通过分析供电线路上的电流曲线确定位置信息，因为位置信息不由于通过可能与电动机连接端子连接的空转二极管重循环的电流而丢失。也就是说该电动机系统保证通过直流电动机流动的全部电流也通过触发电路流动。
这样的电动机系统非常适合在汽车中的电气闭锁设备中应用，因为通过在识别到夹紧状态时直流电动机迅速停住并且也许反转而能够非常快地结束可能的夹紧状态。
此外可以提供换接单元，用于将直流电动机与触发电压连接和用于确定在直流电动机上施加的触发电压的极性。该换接单元使得能够在两个旋转方向上触发直流电动机。
根据一种实施方式，触发电路具有电流传感器特别是电阻，用以产生一个取决于通过触发电路的电流的电气量，特别是测量电压，此外构造控制单元用于采集关于该电气量的数据。
此外可以构造控制单元用于根据该电气量检测直流电动机的转子位置。
可以规定触发电路具有功率半导体开关，特别是MOSFET，其中在该功率半导体开关的连接端子和供电电位之间存在触发电压。
功率半导体开关可以如此选择结构大小，使得它具有为雪崩击穿的击穿电压，该击穿电压小于可由直流电动机产生的直流电压。
此外可以与功率半导体开关并联设置一个二极管，特别是齐纳二极管，具有预先规定的击穿电压，特别是齐纳击穿电压，使得在超过该击穿电压的情况下在第二持续时间期间发电机电流流过触发电路。通过提供二极管可以在雪崩击穿期间保护功率半导体开关不受电流流动的影响，因为电流全部或者部分通过二极管流动。
该击穿电压特别可以等于或者小于功率半导体开关的雪崩击穿的击穿电压。
附图说明
下面根据附图详细说明本发明的实施例。附图中：
图1表示根据一种实施方式的用于运行直流电动机的电动机系统；
图2表示根据另一种实施方式的用于运行直流电动机的修改的电动机系统；
图3表示通过功率半导体开关的电流和在一个电阻上的电压的示意图，用于说明雪崩击穿。
具体实施方式
图1表示具有直流电动机2的电动机系统1，直流电动机2通过换接驱动器3用触发电路4电气触发。直流电动机2是具有绕组的机械换向式直流电动机，给其通电以便提供转矩。
触发电路4包括功率半导体开关5和电阻6，借助电阻6一方面能够限制通过功率半导体开关5和通过电动机2的电流，另一方面用作测量电阻，以便测量通过触发电路的电流。详细说，功率半导体开关5的第一连接端子与换接驱动器3连接，功率半导体开关5的第二连接端子与电阻6的第一连接端子连接。电阻6的第二连接端子与低供电电位VL特别是测量电位连接。
换接驱动器3具有换接开关7，其例如可以作为机械的或者电气的继电器构造。换接开关7在第一开关位置将直流电动机2的第一电动机连接端子A与功率半导体开关5的第一连接端子连接和将第二电动机连接端子B与高供电电位VH连接。在第二开关位置换接开关7将第二电动机连接端子B与功率半导体开关5的第一连接端子连接和将第一电动机连接端子A与高供电电位VH连接。
功率半导体开关5例如可以作为MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）或者作为半导体闸流管、IGBT等构造。MOSFET基本上通过两个彼此通过一个沟道区分开的半导体区（源极区、漏极区）构造，其中半导体区用要么具有过剩的载流子或者具有不足的载流子的掺杂材料掺杂，而沟道区相应地相反掺杂。靠近沟道区绝缘地设置控制电极（栅极），其中通过在控制电极上施加电压向沟道区内吸引入载流子或者从沟道内除去载流子，使得改变半导体区之间的导电性。因此在沟道区和每一半导体区之间存在一个PN结，其称为本征二极管。本征二极管具有这样的特性：在半导体区上存在超过规定高度的电压的情况下发生击穿，此时在PN结的截止方向上流过大的电流。这一效应也称为雪崩击穿。开始出现雪崩效应时的击穿电压可以通过适当地确定MOSFET的尺寸以已知的方式调整。
提供一个控制单元10，它通过功率半导体开关5的一个相应的控制连接端子触发功率半导体开关5。触发可以以脉冲宽度调制的方式进行，在其中提供基本上周期的开关序列。脉冲宽度调制的触发的周期持续时间基本恒定，并且规定，在直流电动机2上在第一持续时间期间施加位于高供电电位VH和低供电电位VL之间的供电电压UV，而在相应于到周期持续时间结束的剩余的持续时间的第二持续时间期间不在直流电动机2上施加电压，也就是说，触发电路4的相应于功率半导体开关5的第一连接端子的输出节点既不与高供电电位VH连接，也不与低供电电位VL连接。人们也把触发电路4的与相应的电动机连接端子连接的连接端子的这种状态称为浮动状态。
为在运动方向（转动方向）上运行直流电动机2，选择换接驱动器3的开关位置，并且借助控制单元10用脉冲宽度调制的触发触发功率半导体开关5。脉冲宽度调制的触发允许通过选择脉冲占空比以规定的功率触发直流电动机2。用于规定的功率的数据要么从外部或者通过控制单元10预先给出。此外控制单元10确定相应于规定的功率的脉冲占空比。
电阻6可以用于测量电动机电流，例如为根据电流流动推断直流电动机2的转子的位置。这例如可以通过分析流过电阻6的电流的电流脉动进行。为从通过电阻6的电流曲线推断出直流电动机2的转子的位置，要求基本上流过直流电动机2的电流的绝大部分流过测量电阻6。
在迄今的解决方案中在电动机连接端子A和B之间总是提供一个空转二极管，以便在脉冲宽度调制触发的第二持续时间期间导出通过直流电动机2的旋转引起的发电机电流。因此该电流通过直流电动机2循环而不通过电阻6流动。由此直流电动机2的转子的位置的位置采集变得复杂或者相应不准确。
因此在另外可选的方案中规定在脉冲宽度调制的触发的第二持续时间期间产生的发电机电流通过电阻6流动。为此规定，在与触发电路连接的电动机连接端子A、B（根据开关状态）和高的供电电位VH之间不提供能够把由直流电动机2产生的发电机电流导出以致该电流不通过电阻6流动的另外的引导电流的元件。优选在该实施方式中不接入与功率半导体开关5并联的结构元件。代之为，如此选取功率半导体开关5的结构大小，使得在第二持续时间期间由于直流电动机2的转子的运动构建的发电机电压超过截止方向的击穿电压，由此引起电流流过功率半导体开关5，通过该电流慢慢卸载直流电动机2的发电机电压，并且相应的电流流过电阻6。
图2表示电动机系统1的另一种实施方式。在图1的电动机系统中在第二持续时间期间由直流电动机提供的能量通过功率半导体开关5导出。这可能导致产生强烈的热量。为减少在功率半导体开关5中产生的热量，可选地可以规定，与功率半导体开关5并联接入一个齐纳二极管11，它能够通过电阻6导出在截止方向上存在的电压。详细说，功率半导体开关5的第一连接端子与齐纳二极管11的阴极端子连接，功率半导体开关5的第二连接端子与齐纳二极管11的阳极端子连接。由此能够卸载功率半导体开关5，特别能够减少其内产生的热量，因为一部分在雪崩击穿期间通过功率半导体开关5流动的电流通过齐纳二极管11导出。优选如此选择齐纳二极管11的截止电压或者击穿电压，使得它等于或者小于所属的功率半导体开关5的击穿电压。
图3表示说明在电阻6上的电压降U和通过触发电路的电动机电流I之间随时间t的曲线的曲线图。该曲线图示意表示在周期持续时间期间在第一持续时间Z1期间和在第二持续时间Z2期间的曲线。在第二持续时间Z2期间测量电阻上的电压的上升归因于功率半导体开关5的电阻在雪崩击穿的状态下减小。
通过去掉在电动机连接端子A、B和供电电位VH、VL之间的导电元件，能够极大地减小电动机转速，因为在直流电动机2中存储的机械能量作为热量通过功率半导体开关5或者通过相应的齐纳二极管11导出。此时电动机电流I在脉冲宽度调制的第二持续时间期间也通过电阻6流动。由此保证在电流曲线中包含的直流电动机2的位置信息不会丢失。
在极大地减小直流电动机2的转速的情况下，直流电动机2用具有很小的脉冲占空比的脉冲宽度调制触发。例如当要确定是否存在夹紧状态时要减小转速。当直流电动机2的转速被减小时，可以继续减小脉冲占空比。通过限制给绕组通电的时间，与低的占空比关联的减小的转速减小通过直流电动机2提供的转矩。
特别在电气车窗升降器的应用的情况下当要确定是否存在猜测的夹紧情况时需要减小转矩，在夹紧的情况下在闭锁元件（车窗玻璃）和边缘（车窗框）之间的物体在闭锁运动期间被夹紧。例如当确定电动机电流上升或者当确定直流电动机2的转速减小时可以猜测存在夹紧情况。为保证夹紧情况真的存在，可以通过减小脉冲占空比，由此第二持续时间更大，提高为检测直流电动机2的位置可供使用的时间。
因此使用上述电动机系统一般产生显著大的时间段用于控制单元10用于通过分析电阻6上的电流流动感知直流电动机2的位置。此外能够显著减小通过电动机系统的馈电线路的电磁干扰辐射。

Claims (7)

1.电动机系统（1），其用于汽车中的、具有夹紧保护功能的电气闭锁设备，包括：
-直流电动机（2）；
-触发电路（4），它具有功率半导体开关（5）并且构造用于取决于控制信号为直流电动机（2）提供触发电压；
-控制单元（10），用于根据脉冲宽度调制的触发提供用于触发触发电路（4）的控制信号，其中在周期持续时间的第一持续时间期间在直流电动机（2）上施加供电电压，而在周期持续时间的第二持续时间期间不由触发电路给直流电动机（2）提供电压；
其中触发电路（4）与直流电动机（2）耦合，使得在第二持续时间期间由直流电动机（2）产生的发电机电流通过触发电路（4）导出，
其中，与功率半导体开关（5）并联设置二极管（11），其具有预先规定的击穿电压，使得在超过该击穿电压的情况下在第二持续时间（T2）期间发电机电流流过触发电路（4），
其中，所述二极管（11）的击穿电压等于或者小于功率半导体开关（5）的雪崩击穿的击穿电压，
其中，触发电路（4）包括功率半导体开关（5）和电阻（6），借助电阻（6）一方面能够限制通过功率半导体开关（5）和通过电动机（2）的电流，另一方面用作测量电阻，以便测量通过触发电路的电流。
2.根据权利要求1所述的电动机系统，其中，提供换接单元（3），用于将直流电动机（2）与触发电压连接和用于确定在直流电动机（2）上施加的触发电压的极性。
3.根据权利要求1或2所述的电动机系统，其中，触发电路（4）具有作为电流传感器（6）的电阻，用以产生取决于通过触发电路（4）的、作为电流的电气量的测量电压，此外构造控制单元（10）用于采集关于该电气量的数据。
4.根据权利要求3所述的电动机系统，其中，构造控制单元（10）用于根据采集的电气量检测直流电动机（2）的转子位置。
5.根据权利要求1所述的电动机系统，其中，触发电路（4）具有作为功率半导体开关（5）的MOSFET，其中在该功率半导体开关（5）的连接端子和供电电位之间存在触发电压。
6.根据权利要求5所述的电动机系统，其中，选择功率半导体开关（5）的结构大小，使得它具有为雪崩击穿的击穿电压，该击穿电压小于可由直流电动机（2）产生的直流电压。
7.根据权利要求1所述的电动机系统，其中与功率半导体开关（5）并联设置具有预先规定的齐纳击穿电压的齐纳二极管。
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