CN102739126B - 用于开动电机的电子操纵电路的方法和其电路装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于开动电机（2）的绕组（2.1，2.2，2.3）用的电子操纵电路（1）的方法。设置连接在电压源（90）上的控制单元（70）以及经由系统切换元件（7）与电压源（90）的连接端子（93，95）相连接的电容器（80），所述电容器在输入端子（3,5）处与操纵电路（1）并行。运行电路（77）控制系统切换元件（7）。为了开动电机（2），运行电路（77）将闭合系统切换元件（7）并且对电容器（80）充电并且在对电容器（80）充电之后再次打开系统切换元件（7）。于是由控制单元（70）启动检验步骤，其中在检验步骤期间操纵电路（1）仅仅由电容器电压（U_C）馈电。

Description

用于开动电机的电子操纵电路的方法和其电路装置

技术领域

本发明涉及一种用于开动电机的定子绕组用的电子操纵电路的方法。

背景技术

已知的是，诸如电子换向EC电机或诸如此类的电机经由操纵电路或逆变器与直流电压源连接，其中定子绕组的线圈端部分别经由功率开关与电压源的连接端子连接并且分别经由其他功率开关与电压源的另外的连接端子连接。控制单元这样切换六个功率开关，使得在电机的定子中产生用于转子的旋转场并且携带所述转子。

在手持式电工作设备中使用高功率密度的蓄电池块，从而例如具有在化学上基于锂的电池的蓄电池块。因此在蓄电池块中，多个锂离子电池、锂聚合物电池或诸如此类电池相互接线，以便提供具有高输出电压和大容量的蓄电池块。如果这种蓄电池块连接到有缺陷的操纵电路上，则可能已经在连接时或在接通电机时高电流流动，所述高电流可能损害电子电路同样也损害电机。因此适宜的是，在接通蓄电池电压之前检验电子装置的按规定的功能，以便保护电子装置本身和/或电机。

发明内容

本发明所基于的任务是，说明一种用于开动(Inbetriebnahme)电机的定子绕组用的电子操纵电路(Ansteuerschaltung)的方法，其中在开动电机之前利用简单的装置检验基本电路元件的功能能力。

在操纵电路侧在其输入端子处布置的电容器如此被设计，使得所述电容器用于清除电压尖峰并且附加地也用作能量中间存储器。该能量中间存储器通过闭合系统切换元件而由电压源充电，以便如果电容器被充电则再次打开系统切换元件并且从而再次将电压源与操纵电路分离。现在，仅利用在电容器中所存储的电荷，可以实施检验循环，其中在检验循环期间操纵电路仅仅由电容器馈电。这具有以下优点，即在系统短路时在操纵电路中通过在电容器中所存储的电荷限制在短路情况下流动的能量。短路电流与所使用的电容器的电容有关地在时间上和在高度方面被限制。因此可以同样避免电子装置的损害，例如对电机本身或对蓄电池块的损害。

有利地，由控制单元监控电容器电压，所述电容器电压是对于系统的无差错或有差错的功能的指示符。因此，作为对在实施检验步骤期间的检验的响应，电容器电压将改变或保持恒定；因此根据所执行的检验步骤和电容器电压的特性而可以评价检验步骤是否无差错地进行或是有差错的。

因此，在检验步骤中在打开系统切换元件之后可以将电容器与负载连接，以便确定，作为响应，电容器电压是否降低或保持相同。在电容器电压降低时，系统开关按规定打开，也即是无差错的。而如果电容器电压大约保持恒定，则这是系统切换元件没有按规定打开并且电容器因此可以持久地从电压源再充电的标志。系统切换元件是有差错的，因为系统切换元件没有按规定打开。

在另一检验步骤中，闭合操纵电路的支路的一个功率开关，其中在该支路中的第二功率开关保持打开。因为经由支路的两个闭合的功率开关使操纵电路的输入端子相互短路，所以(如果打开的功率开关具有直通(Durchgang))，则电容器将会放电，电容器电压因此降低。在闭合操纵电路的支路中的仅一个功率开关之后电容器电压降低因此表明支路中的打开的另外的功率开关有差错。而如果电容器电压保持恒定，则打开的功率开关无差错，因为该打开的功率开关保持所述支路按规定打开。

因为对于该检验步骤足以确定，存在的三个支路的功率开关之一是否有差错，所以合宜的是，同时在一个检验步骤中闭合所有连接在连接端子上的功率开关。因此，高侧(High-Side)的所有功率开关可以同时被闭合，以便检验，低侧(Low-Side)的打开的功率开关是否无差错地工作。相应地，在另一检验步骤中，低侧的所有功率开关被闭合并且高侧的功率开关被切换为打开。如果电容器电压在很大程度上保持恒定，则高侧的功率开关无差错地打开。

这些第一检验步骤形成基本检验循环，在无差错地经历了所述基本检验循环之后确定无疑的是，不仅系统切换元件而且操纵电路的功率开关按规定打开。现在在扩展的检验循环中可以在不产生转矩的情况下将由电容器电压导出的检验电压分别接到定子绕组上并且随时间增长的电流或电流走向被分析。因此，在优选的实施形式中确定随时间的电流升高的斜率并且按照方程U_L＝L*di/dt计算通电的定子绕组的电感。为了消除偏移规定，在通电期间在两个节点之间多次确定电流升高的斜率并且计算电感。然后从获得的值确定电感的平均值。

可能合宜的是，监控电流曲线的位置。如果随时间得出的增长的电流曲线处于预先给定的通道(Korridor)内，则接通的定子绕组无差错地被连接。而如果电流曲线跑出该通道，则定子绕组的连接是有差错的。

合宜地，在检验步骤中接通的电压不是电容器电压本身，而是检验电压，该检验电压是由电容器电压导出的脉宽调制信号。脉冲宽度如此被调整，使得得出适用于该检验步骤的平均的有效检验电压。因此，可以提供与电容器的充电状态无关的、相同的平均的有效检验电压。为了在检验开始时总是以定义的初始状态出发，规定控制单元在闭合系统切换元件之前将操纵电路切换到初始位置、也即实施复位。

再现用于执行所述方法的具有以电的方式运行电机的电子操纵电路的电路装置。在电压源的端子和电容器之间布置系统切换元件，所述系统切换元件由运行电路操作。在检验循环期间输送给操纵电路的输入端子的电能仅仅从电容器输送。因此确保，在短路情况下出现限制的短路电流，其也通过电容器的最大容量确定。

附图说明

本发明的其他特征由说明书和附图得出，在所述附图中示出本发明的下面详细描述的实施例。其中：

图1以示意图示出具有用于操纵电机的电子操纵电路的电路装置，

图2示出在用于测试系统切换元件的检验循环的第一检验步骤中按照图1的电路装置，

图3示出在用于测试高侧功率开关的打开位置的第二检验步骤中按照图1的电路装置，

图4示出在用于测试低侧功率开关的打开位置的第三检验步骤中按照图1的电路装置，

图5示出在用于测试第一定子绕组的按规定的连接的检验循环的第四检验步骤中的电路装置，

图6至10示出在用于在所有可能的运行状态下测试其他定子绕组的按规定的连接的检验循环的其他检验步骤中按照图5的电路装置，

图11以示意图示出在施加检验电压之后随时间施加的绕组中的电流的走向。

具体实施方式

在图1中示意示出的电路装置10用于开动电机2的定子绕组2.1、2.2和2.3用的电子操纵电路1。在所示的实施例中，电机是电子换向电机、具有接成三角形的绕组2.1、2.2和2.3(尤其是定子的绕组)的所谓EC电机。可替代地，绕组的星形连接也是可能的。操纵电路1以相应的方式也适用于操纵直流电机、同步电机、异步电机或诸如此类。

操纵电路1利用其输入端子3和5连接到电压源90的连接端子93和95上。电压源90是直流电压源，其电压作为操纵电路1的脉宽调制信号被转交。与操纵电路1并行地，在其输入端子3和5处有用于清除电压尖峰的电容器80、尤其是电解电容器。电容器80另外构成用于检验运行的能量存储器。在输入端子3和连接端子93之间设置系统切换元件7，经由所述系统切换元件7可以将整个装置接上电压源90的电压或者与所述电压分离。电容器80处于操纵电路1的侧，也即电容器80经由系统切换元件7连接到连接端子93上。

在所示的实施例中，电压源90是直流电压源，尤其是由优选地串联的单电池92组成的蓄电池块96。单电池92尤其是是在化学上基于锂的电池，从而例如锂离子电池、锂聚合物电池、锂铁电池或者诸如此类电池。通过串联可以提供大约18伏特至80伏特、尤其是大约36伏特的蓄电池块电压。

电路装置10的系统切换元件7由运行电路77控制，所述运行电路可以是控制单元70的部分或者集成在该控制单元70中。运行开关4连接到控制单元70上，所述运行开关由用户按压用于开动电机2。

电容器80的电容器电压U_C经由测量线路82、84截取，使得电容器电压U_C在任何时候均可供控制单元70使用用于分析。

在按照图1的所示的实施例中，另外可以在电容器支路中设置分流电阻87，其电压U_A经由测量线路84相对地由控制单元70检测。经由分流电阻87可以检测电容器的充电和放电电流。相应地可以在切换元件的支路中或者在输入端子5的支路中设置分流电阻87’，如在图1中虚线示出。通过检测在闭合的功率开关的内阻处下降的电压U_M同样可以检测在该支路中随着时间的流动的电流或电流走向。

控制单元70用于控制功率开关11、21、31、41、51、61，其中经由所述功率开关，定子绕组2.1、2.2、2.3的三角形连接的节点U、V、W连接到电压源90上。每个节点经由功率开关11、21、31与电压源90的所述一个连接端子90连接，其在所示的实施例中构成高侧。相应地，每个节点U、V、W经由功率开关41、51、61与连接端子95连接，其构成电压供应的低侧。因为在节点U、V、W中定子绕组的分别两个线圈端部连接，所以每个线圈端部经由功率开关11至61不仅与电压供应的高侧(连接端子93)而且与电压供应的低侧(连接端子95)连接。功率开关由控制单元70操纵，这在图1中通过虚线表示。在并行的支路中布置功率开关，所述支路相互连接输入端子3、5。功率开关11和41串联地位于第一支路17中；功率开关21和51串联地位于第二支路18中和功率开关31和61串联地位于第三支路19中。

为了开动电机2，用户例如按压运行开关4，使得控制单元70获得用于接通电机2的请求信号。在电机2被开动之前，由控制单元70启动检验循环，所述检验循环检验不仅系统切换元件7而且功率开关11至61的按规定的功能。如果对系统切换元件和功率开关的检验结束，则定子绕组和其接线的按规定的状态被检验。只有当该检验同样肯定地结束了时，才通过对定子绕组2.1、2.2和2.3相应地通电开动电机2。

检验循环的各个检验步骤如下进行：

如果控制单元70经由运行开关4获得用于开动电机2的请求信号，则首先将操纵电路1置于初始位置，也即复位。所有功率开关11至61被打开。系统切换元件7打开，如在图1中虚线示出。因为控制单元70直接与电压源90的连接端子93和95连接，所以如果系统切换元件7是打开的，则控制单元70也准备好运行。

在操纵电路1被复位之后，系统切换元件7经由运行电路77被闭合预先给定的时间间隔，由此电容器80被充电。因为所有功率开关11至61打开，所以无电流流经电机2。

可以以时间控制的方式进行电容器80的充电，也即运行电路77闭合系统切换元件7预先给定的时间区间并且然后又打开所述系统切换元件。也可能合宜的是，通过控制单元70监控电容器电压U_C的电压升高并且在达到电容器电压U_C的预先给定的阈值之后，经由运行电路77又打开系统切换元件7。在电容器80被充电之后，足够的电能可供接着的检验循环使用，所述电能由电容器80经由输入端子3和5被馈入。可能合宜的是，在校验循环的第一段做完之后通过重新支配地闭合系统切换元件7再次将电容器80充电到希望的电容器电压U_C。

如果电容器80被充电，则在第一检验步骤中首先检验，系统切换元件7是否按规定打开。这通过将负载接到电容器80上来检验，如在图2中所示。通过闭合功率开关11和61，节点W和V被切换到输入端子3和5上，使得电容器80经由该切换的电连接可以放电，而转子不移动。控制单元70在闭合功率开关11和61之后监控电容器电压U_C；如果电容器电压U_C下降，也即电容器80中的电荷降低，则系统切换元件7打开。系统切换元件是无差错的并且检验循环可以被继续。

而如果电容器电压U_C大约保持恒定，则这是系统切换元件7没有按规定打开并且连接端子93继续与电容器80有连接的标志。电容器80通过电压源90即使在通过定子绕组加负荷的情况下也不能放电。大约恒定的电容器电压U_C因此是系统切换元件7中的差错的标志。检验循环被中止并且显示差错。

如果在第一检验循环中在用负载对电容器80加负荷时确定下降的电容器电压，则系统切换元件是无差错的并且开始下一检验步骤。该下一检验步骤在图3中示出。

控制单元70继续监控电容器电压U_C并且(相继或同时)闭合与输入端子5连接的功率开关，在根据图3的实施例中所有低侧功率开关41、51和61。而高侧功率开关11、21和31被切换为打开的。如果在该切换状态下电容器电压U_C不变化，则高侧功率开关11、21和31按规定打开。而如果电容器电压U_C下降，则高侧的功率开关11、21或31之一是有缺陷的，因为在打开状态下不允许的电流流动。

因为在该检验步骤中仅取决于确定是否高侧的所有功率开关11、21和31按功能地打开，所以该检验步骤可以通过同时闭合所有低侧功率开关41、51和61实施。在电容器电压降低时于是可以推断出，高侧功率开关之一是有缺陷的。如果应该确定高侧功率开关中的哪一个是有缺陷的，则可以分别仅闭合支路17、18、19中的低侧的一个功率开关；如果电流流动并且因此电容器电压降低，则高侧的处于相同支路17、18、19中的打开的功率开关是有缺陷的。由此探测有缺陷的功率开关是可能的。

在根据图4的实施例中，于是相应于根据图3的实施例测试，低侧功率开关41、51和61是否按规定打开。此外高侧功率开关11、21、31被闭合并且在电容器电压降低时确定，至少一个低侧功率开关具有直通，尽管该低侧功率开关被切换为打开的。结果被评估为有差错的并且相应地被显示。而如果电容器电压U_C在很大程度上保持恒定，则所有三个低侧功率开关41、51、61按规定打开。检验步骤无差错地结束。

在现在确定出一方面系统切换元件7按规定打开并且另一方面功率开关11、21、31、41、51和61按规定打开之后，可以开动电路装置10。电路装置10的电子装置、也即系统切换元件7和功率开关11至61按规定打开。

有利地，在扩展的检验循环中也确定：定子绕组2.1、2.2和2.3是否按规定连接，彼此间不具有短路或者否则是有缺陷的。此外，根据图5至10的检验步骤，彻底检验操纵电路1的运行状态的每个单个切换位置。在所示的实施例中，相应于在电子换向电机情况下旋转场以60°步的转接(Weiterschaltung)，这是六个切换位置。

在图5中，功率开关11和51被闭合，由此在节点W和U之间施加电容器电压。在图6中，电容器电压位于节点U和V之间。在图7中电容器电压位于节点V和W之间。在图8中电容器电压位于节点U和W之间。在图9中电容器电压位于节点V和U之间并且在图10中电容器电压位于节点W和V之间。

为了确定，是否存在定子绕组2.1、2.2或2.3的按规定的连接，测量线圈电流I_S的升高，这在图11中示意性示出。通过分析在闭合的功率开关的内阻上下降的电压U_M(如在图1或5中以功率开关61为例示出的那样)以简单的方式可以检测线圈电流I_S。以相同的方式可以通过截取在分流电阻87或87’(图1)处的电压U_A来计算随时间t的线圈电流I_S。

一旦用于对节点对通电的功率开关闭合，则只要功率开关按规定闭合，则电流根据如在图11中示意性示出的曲线14建立。在此，通电如此被构造，使得转子不移动；转子停顿。如果曲线14的所检测的走向、也即电流升高处于预先给定的通道16内，则存在按规定的状态；操纵电路1的相应的运行位置无差错地工作。而如果曲线太平坦，如以曲线15为例所示，或者太陡峭，如以曲线13为例所示，则所述曲线离开通道16，并且控制单元70能够识别有差错的状态。以简单的方式可以在时刻t₁确定瞬时值M。如果瞬时值处于通道16内，则系统无差错地工作；如果瞬时值M’处于通道16外，则工作状态是有差错的。

可替代地，作为检验步骤可以通过测量随时间dt的电流升高di确定被通电的定子绕组2.1、2.2或2.3的电感L。根据方程U_L＝L*di/dt可以简单地确定在节点V、U和W之间的相应的电感，以便确定，是否存在按规定的运行状态。如果在通电期间在节点之间多次确定形成的电流升高，则可以从所获得的值中计算平均的电感，使得可能的偏移影响可以被消除。

因为在不同的校验步骤的过程中从电容器80减去能量，所以电容器的电压U_C下降；为了在检验在相应的节点之间的电感L时接上总是相同的检验电压，规定，从电容器电压U_C中导出脉宽调制信号作为检验电压，其中与电容器电压U_C有关地这样调整脉冲宽度，使得存在总是相同的平均的有效检验电压。因此与电容器80的充电状态无关地可以提供不变的有效检验电压。

在所示的实施例中，示意性示出系统切换元件和功率开关11至61。合宜地，所述元件是电子切换元件、尤其是MOSFET，晶闸管或诸如此类。

电容器80合宜地如此被设计，使得电容器的完全的电荷足以提供对基本循环需要的能量以及对扩展的检验循环需要的能量。被充电的电容器的能量因此也是足够的，因为单个检验步骤仅处于毫秒的范围中、尤其是1至10毫秒的范围中。由于这些短的时间间隔也确保，在检验循环期间电机的转子不旋转。所有单个检验步骤因此在转子停顿的情况下进行。

电容器80的能量因此也是足够的，因为在检验循环的每个检验步骤中电容器电压U_C合宜地作为脉宽调制检验电压被馈入，使得可以在每个检验步骤中预先给定或者调整电流和电压。

Claims (21)

1.用于开动电机（2）的绕组（2.1，2.2，2.3）用的电子操纵电路（1）的方法，

-其中所述操纵电路（1）经由系统切换元件（7）与电压源（90）连接；

-以及具有连接在电压源（90）上的控制单元（70），

-并且具有经由系统切换元件（7）与电压源（90）的连接端子（93，95）相连接的电容器（80）；

-并且所述电容器（80）与操纵电路（1）的输入端子（3,5）并行；

-并且具有系统切换元件（7）用的运行电路（77）；

-其中在开动电机（2）之前，系统切换元件（7）被闭合预先给定的时间间隔并且电容器（80）经由系统切换元件（7）被充电；

-在电容器（80）被充电之后，通过运行电路（77）再次断开系统切换元件（7），由此使电容器（80）和操纵电路（1）与电压源（90）分离；

-在电容器（80）与电压源（90）分离之后，控制单元（70）启动操纵电路（1）的检验步骤；

-在检验步骤期间操纵电路（1）仅仅由与电压源（90）分离的电容器（80）的电容器电压（U_C）馈电；

-其中电容器（80）被设计和充电为，使得所述电容器能够存储对于检验步骤必要的能量并且能够在检验步骤期间提供所述对于检验步骤必要的能量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，电容器电压（U_C）由控制单元（70）监控并且根据电容器电压（U_C）的变化在检验循环的检验步骤期间根据所执行的检验步骤判决：检验循环的所执行的检验步骤是无差错的还是有差错的。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在系统切换元件（7）断开之后在检验步骤中使电容器（80）与负载连接并且在电容器电压（U_C）降低时，将系统切换元件（7）评价为无差错的并且在电容器电压（U_C）大约恒定时将系统切换元件（7）评价为有差错的。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，操纵电路（1）将绕组（2.1，2.2，2.3）的线圈端部分别经由功率开关（11, 21，31）与电压源（90）的一个第一连接端子（93）连接并且分别经由另外的功率开关（41,51,61）与另外的第二连接端子（95）连接，并且在检验步骤中至少一个连接在第一连接端子（93）上的功率开关（11,21,31）被闭合并且所有与第二连接端子（95）连接的功率开关（41,51,61）被保持为断开的并且电容器电压（U_C）被分析。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在电容器电压（U_C）降低时连接在第二连接端子（95）上的功率开关（41,51,61）中的至少一个被评价为有差错的并且在电容器电压（U_C）大约恒定时连接在第二连接端子（95）上的功率开关（41,51,61）被评价为无差错的。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所有连接在所述一个第一连接端子（93）上的功率开关（11,21,31）在该检验步骤中同时被闭合。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在检验步骤中从电容器电压（U_C）导出的检验电压被接到绕组（2.1,2.2,2.3）上并且在转子停顿时随时间（t）增长的电流（I_S）被测量并且由控制单元（70）分析。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，确定随时间的电流升高（di/dt）并且按照方程计算电感。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在通电期间多次确定电流升高（di/dt）并且计算电感（L）并且确定电感的平均值。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在电流曲线（14）的位置在预先给定的通道（16）内时绕组（2.1,2.2,2.3）被评价为无差错的并且在电流曲线（13,15）的位置在预先给定的通道（16）外时绕组（2.1,2.2,2.3）被评价为有差错的。

11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，检验电压是从电容器电压（U_C）导出的脉宽调制信号。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，检验循环由多个检验步骤组成，其中在第一检验步骤中检验系统切换元件（7）的功能，在第二检验步骤中检验功率开关（11,21,31,41,51,61）的接地，并且在第三检验步骤中检验绕组（2.1,2.2，2.3）的按规定的连接。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，控制单元（70）在闭合系统切换元件（7）之前将操纵电路（1）切换到定义的初始位置。

14.具有用于以电的方式运行电机（2）的电子操纵电路（1）的电路装置，

-其中操纵电路（1）利用输入端子（3,5）连接在电压源（90）的连接端子（93，95）上；

-并且具有在电压源（90）的连接端子（93,95）处与操纵电路（1）的输入端子（3，5）并行的电容器（80）；

-以及具有操纵电路（1）用的控制单元（70）；

-其中在电压源（90）的连接端子（93）和操纵电路（1）的输入端子（3，5）之间布置系统切换元件（7），其中电容器（80）经由系统开关元件（7）连接到连接端子（93）上；

-并且系统切换元件（7）由运行电路（77）操作，

-并且运行开关（4）连接到所述运行电路（77）上，所述运行开关由用户按压用于开动电机（2），并且运行电路（77）被设置用于将系统切换元件（7）闭合预先给定的时间间隔以及对电容器（80）充电，

-以及在检验循环期间仅仅从被充电的电容器（80）将用于执行检验步骤所需要的能量输送给操纵电路（1）的输入端子（3，5）。

15.根据权利要求14所述的电路装置，其特征在于，运行电路（77）闭合系统切换元件（7）第一预先给定的时间间隔。

16.根据权利要求14所述的电路装置，其特征在于，系统切换元件（7）是电子切换元件。

17.根据权利要求16所述的电路装置，其特征在于，所述系统切换元件（7）是MOSFET。

18.根据权利要求14所述的电路装置，其特征在于，电容器（80）是电解电容器。

19.根据权利要求14所述的电路装置，其特征在于，电压源是直流电压源。

20.根据权利要求19所述的电路装置，其特征在于，所述电压源由具有在化学上基于锂的电池（92）的蓄电池块（96）构成。

21.根据权利要求20所述的电路装置，其特征在于，电容器（80）处于蓄电池块（96）之外。