CN102832858B - 用于ec电机的控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制无刷电子整流直流电机（M）的控制电路，具有半导体末级（2），所述半导体末级由一电子整流控制机构（4）通过驱动级（6）以如下方式来控制，即,为了产生用于转子的旋转磁场这一目的，所述驱动级会根据转子的旋转位置，以时间上错开的方式对所述电机（M）的定子绕组（U,V,W）实施控制。两个冗余锁定保护单元（10,12）在运行时根据转子的旋转监测所述电机（M），如果确定停滞的情况下，第一锁定保护单元（10）关闭所述驱动级（6），第二锁定保护单元（12）切断所述驱动级（6）的供电电压（U_vcc）。

Description

用于EC电机的控制电路

技术领域

本发明涉及一种用于无刷电子整流直流电机的，即用于所谓的EC电机(EC＝electronically commutated，即电子整流)或也常常被称作BLDC电机(BLDC＝brushlessdirect current，即无刷直流)的控制电路，该控制电路具有处于直流电源电压处的半导体末级(Halbleiter-Endstufe)，所述半导体末级由电子整流控制机构通过驱动级以如下方式来控制，即,为了产生用于转子的旋转磁场这一目的，该驱动级根据转子的旋转位置，以时间上错开的方式对电机的定子绕组实施控制。

背景技术

对于此类EC电机，须根据一定的标准规范，在非正常的运行情况下对其进行过热保护。

首先，已经公知的是，在电机内部的定子绕组区域内布置有称作温度控制器的部件，作为温控开关，其能够在达到一定的极限温度时打开，并通常会直接或者通过一释放元件间接地切断工作电流。对于特定的电机，例如外转子电机而言,要把温度控制器安置到定子绕组之中或之上,并使其能够对温度是否升高(如温度升高尤其可能在电机锁定时发生)做出快速识别并随后可靠地关闭电机,则不但结构成本高,而且生产技术上的费用也不低。

另一个公知的实施方式是将电机实施为具有阻抗保护的，也就是说，应当确定绕组电阻和绕线直径，从而使电机避免在不正常运行时过热。不过对于EC电机，尤其是带有单齿绕组的EC电机来说，因其绕组电阻极小，所以要将其制成具有阻抗防护功能是不可能的。

因此迄今为止一直都是在整流控制机构中集成软件限流器，该限流器通过软件预设一用于起动电流的下阈值和一用于工作电流的上阈值。若在起动阶段，电流达到或超过所述下阈值，则电机将被切断。若电机正确起动，则转换成对工作电流与所述上阈值的关系实施监测，当工作电流达到或超过该上阈值，则切断电机。

但是，一些特定的许可机构，如UL(Underwriters Laboratories)等在为授予特定检验标志而进行的检验中并不会关注这些单凭软件实现的防护措施。

发明内容

本发明的基本目的是实现一种与前述类型同类的控制电路，该控制电路应确保能够提升运行安全性，从而避免电机过热。

根据本发明，上述目的是通过以下特征得以实现的。本发明的其他有利设计特征包含在随后的说明中。

相应地，该控制电路根据本发明(通过硬件设计)具有两个冗余锁定保护单元(Blockierschutzeinheit)，这两个保护单元在运行时，也就是说在驱动级的推动信号存在时根据转子的旋转对电机进行监测，其中在确定转子停滞的情况下，第一锁定保护单元将关闭驱动级，并且第二锁定保护单元则会切断驱动级的供电电压。

利用这一根据本发明的设计可达到所追求的高运行安全性，因为，即使软件方面的限流器因某种原因失灵，在出现不正常运行状态时，两个冗余锁定保护单元中的至少一个单元也能确保安全地切断电机。

在本发明的一个有利改进方案中(同样是通过硬件设计的方式)还设置有两个对电机工作电流实施监测的冗余过流保护单元，其中在电机工作电流超过第一电流极限值的情况下，第一过流保护单元将切断驱动级，在电机工作电流超过第二电流极限值的情况下，第二过流保护单元将切断驱动级的供电电压。在这一方案中，优选以与整流控制机构中包含的软件限流器相适配的方式来设置，即，将第一过流保护单元的第一电流极限值设置成稍大于软件限流器中针对工作电流而设的上阈值，同时将第二过流保护单元的第二电流极限值设置成稍大于软件限流器中针对起动电流而设的下阈值。这样就能达到如下目的，即，假使电子软件限流器失灵时，在起动阶段，至少能够在起动电流达到或超过第二电流极限值时切断电流，而在运行过程中，则至少能够在工作电流达到或超过第一电流极限值时切断电流。为此，在运行过程中若确认电机运转，则关闭第二过流保护单元，确切地说，优选利用两个根据本发明的锁定保护单元之一的工作信号来关闭第二过流保护单元。

下面，通过优选的实施例对本发明作详细说明。

附图说明

唯一的附图示出了根据本发明的控制电路的方块图。

具体实施方式

对于随后的说明，需明确指出的是：所有述及的单个特征，不管是否被援引在权利要求中，均可相互任意组合起来应用。另外，那些只能在附图中看出的特征，即便没有特别说明，对本发明同样具有重要意义，也就是说，它们同样可与其它特征任意组合在一起。

根据本发明的控制电路1用于驱动无刷电子整流直流电机M，此种电机亦以EC电机或BLDC电机而广为人知。在示出的实施例中，电机M被构造为带三个定子绕组的三相电机，在附图中，所述三个定子绕组并未专门绘出，而只是用U、V、W来标注，这些绕组尤其以星形连接方式连接在一起。但是原则上，采用三角形连接方式也是可以的。控制电路1具有半导体末级2，该半导体末级置于直流电源电压U_DC处，并由电子整流控制机构4通过驱动级6以如下方式来控制，即，为了产生用于转子的旋转磁场这一目的，所述驱动级6会根据转子的旋转位置，以时间上错开的方式对电机M的定子绕组实施控制。对于这种三相式的电机实施方式，半导体末级2被构造成具有六个受控半导体开关元件T1至T6的三相全电桥。“上部”电桥臂的开关元件T1至T3也被称作上桥臂开关(Highside-Schalter)，而“下部”电桥臂的开关元件T4至T6则被称作下桥臂开关(Lowside-Schalter)。开关元件T1至T6分别成对地以依次形成的不同组合由整流控制机构4通过驱动级6来控制。此外整流控制机构4根据转子旋转位置信号SH1至SH3为驱动级6生成推动信号，而驱动级6则生成作用于开关元件T1至T6的相应的控制信号。通过这种控制，还可以实现对电机的转速的调整和/或调节，特别是通过对上桥臂开关元件T1至T3的脉冲宽度调制设定周期来实现对电机的转速的调整和/或调节。特定的控制参数P可从外部输送至整流控制机构4中。

这种电机控制系统的细节是公开的，因此这里不再赘述。

为了产生转子的旋转位置信号SH1至SH3，需要探测转子的旋转位置，这种探测可通过任意的方式来实现，例如像图中绘出的那样通过传感器，尤其是通过电机M中的霍尔传感器H1、H2、H3来实现，或者也可以不用传感器， 而通过计算电机电动势(Motor-EMK)来实现。整流控制机构4可由微处理器或微控制机构μC及适当的常规外围设备所构成。

根据本发明，控制电路1在硬件方面集成有两个冗余锁定保护单元10和12，这两个保护单元在运行时，也就是说在驱动级6的推动信号存在时根据转子的旋转对电机M进行监测，其中在通过监测旋转位置信号而确定转子停滞或者锁定的情况下，第一锁定保护单元10将关闭驱动级6，而第二锁定保护单元12则将切断用于驱动级6的供电电压U_vcc。

两个锁定保护单元10、12中的每一个均可被输送两个输入信号，一个是整流控制机构4的推动信号，优选上桥臂推动信号ST1或ST2，另一个是旋转位置探测装置H1至H3的转子旋转位置信号SH1或SH2。为使可靠程度更高，最好向两个锁定保护单元10、12输送两个不同的推动信号ST1、ST2以及两个不同的旋转位置信号SH1、SH2。通过对上桥臂推动信号分别进行监测，依据周期能够准确地得知，电机M是否是处于整流运行状态，而不是处于制动运行状态或预负载运行状态。必须在固定的时间内，通过相应的旋转位置信号的变化确定电机的旋转。若电机M例如由于锁定而没有起动，那么旋转位置信号将不会有变化。由此，锁定保护单元10和12将相应地以彼此独立的方式打开，并通过驱动级6快速、可靠地切断半导体末级2。在这种情况下，使得避免温度很快升高的可靠性有了双重保证。

为关闭驱动级6，第一锁定保护单元10将向驱动级6的断路输入端SD1(SD＝shutdown，切断)发送一控制信号S_SD1。第二锁定保护单元12则通过接在驱动级6的供电输入端VCC之前的开关元件S1切断推动器-供电电压U_vcc，确切地说，是通过控制信号S_S1切断推动器-供电电压U_vcc。

在本发明的另一有利设计方案中，为了对半导体末级2进行过热保护，控制电路1同样在硬件方面还额外集成有两个冗余过流保护单元14和16，这两个单元用来监测电机工作电流。为此，在与半导体末级2串联连接的测量电阻R_M处的测量电压U_M将作为输入信号分别被输送。这两个代表各工作电流的测量电压U_M将分别与预先给定的电流极限值进行比较。在超过第一电流极限值的情况下，第一过流保护单元14将关闭驱动级6。在超过第二电流极限值的情况下，第二过流保护单元16将切断用于驱动级6的供电电压U_vcc。

如开头已经阐明的那样，在控制电路1中还可以集成常规的软件限流器，该限流器用来预先设定用于工作电流的上阈值和用于起动电流的下阈值。在达到或超过这些阈值时，将通过软件来切断控制器。

利用这些额外的过流保护单元14、16，将实现提升可靠性的目的。第一过流保护单元14的第一电流极限值被预设成稍大于软件限流器中针对工作电流所设的上阈值，而第二过流保护单元16的第二电流极限值则被预设成稍大于软件限流器中针对起动电流所设的下阈值。在一已实现的实施方式中，软件限流器的上阈值例如为12.0A，而为起动电流设定的下阈值则例如为8.1A。在这种情况下，第一过流保护单元14的第一电流极限值被设置为比上阈值约大0.7A，即设置为12.7A。而第二过流保护单元16的第二电流极限值可同样设置为比用于起动电流的下阈值约大0.7A，也就是说设为8.8A。由此将实现如下目的，即，在软件限流器失灵时，如果出现不正常运行状态，也就是说，起动阶段达到或超过了第二电流极限值或者运行阶段达到或超过了第一电流极限值，那么仍然能够可靠地实现断路。

在运行过程中若确认电机M运转，则关闭第二过流保护单元16。这可通过锁定保护单元10或12的一工作信号S_B来实现，锁定保护单元10或12在示出的实施例中是第一锁定保护单元10。由此将避免在运行过程中有多个限流器起作用的情况。

当第一过流保护单元14向驱动级6的另一断路输入端SD2发送控制信号S_SD2时，其关闭驱动级6。第二过流保护单元16通过其他的接在驱动级6的供电输入端VCC之前的第二开关元件S2来切断推动器供电电压U_vcc。因此，两个开关元件S1和S2是串接在供电输入端VCC之前的。为实现断路，过流保护单元16为开关元件S2产生控制信号S_S2。为与根据本发明的措施相结合，在电机M内部还安置有至少一个常规的温度控制器18，其中驱动级供电电压U_vcc是经过该温度控制器18输送的。因此，温度控制器18与例如可以是15V的供电电压U_vcc的输电线上的开关元件S1、S2串联连接在一起。通过这种设计方式，温度控制器18就无需接通满负荷电流，而只需接通只有几mA的极小控制电流，因此温度控制器可以实施为具有较小的体积且成本低廉。在功能上，在绕组温度缓慢上升时，置于定子槽中的温度控制器18将是有效的。

还需指出的是，直流电源电压U_DC优选是通过对电网交流电压进行整流而获得的。因此该电压也常被称作中间电路电压(Zwischenkreisspannung)。

本发明并不限制于前面已经说明和描写过的实施例，其也包括所有在发明意义上起同样功能的结构。需要强调的是，本发明的实施例并不限于将全部特征组合在一起，确切地说，每一单个子特征在与其他所有子特征分开时仍然具有发明上的意义。另外，本发明迄今为止并也不限于在权利要求1中限定的特征组合，其也可以被定义为由全部已公开的单个特征中的一定特征组合而成的任意一种其他组合。这意味着，原则上并在实践中，权利要求1中的每一个单个特征都可以删去，或者说，权利要求1中的每一个单个特征都可以被在本申请中其他地方所公开的单个特征所取代。就此而言，所述权利要求1只可被理解为对于一个发明的一种最初表述尝试。

Claims (11)

1.一种用于无刷电子整流直流电机(M)的控制电路(1)，具有半导体末级(2)，所述半导体末级由电子整流控制机构(4)通过驱动级(6)以如下方式来控制，即，为了产生用于转子的旋转磁场这一目的，所述驱动级会根据转子的旋转位置，以时间上错开的方式对所述电机(M)的定子绕组(U,V,W)实施控制，其特征在于，具有冗余的第一锁定保护单元(10)和第二锁定保护单元(12)，所述第一锁定保护单元(10)和第二锁定保护单元(12)在运行状态下根据转子的旋转监测所述电机(M)，其中，在确定停滞的情况下，第一锁定保护单元(10)关闭所述驱动级(6)，第二锁定保护单元(12)切断所述驱动级(6)的供电电压(U_vcc)，

所述控制电路(1)具有用来监测电机工作电流的冗余的第一过流保护单元(14)和第二过流保护单元(16)，其中，在超过第一电流极限值的情况下，所述第一过流保护单元(14)关闭所述驱动级(6)，而在超过第二电流极限值的情况下，所述第二过流保护单元(16)切断所述驱动级(6)的供电电压(U_vcc)，

所述第一过流保护单元(14)的第一电流极限值大于软件限流器针对工作电流所设的上阈值，而所述第二过流保护单元(16)的第二电流极限值则大于软件限流器针对起动电流所设的下阈值，从而在电子软件限流器失灵时，在起动阶段，至少在起动电流达到或超过所述第二电流极限值时，且在运行过程中，则至少在工作电流达到或超过第一电流极限值时切断电流。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述第一锁定保护单元(10)和第二锁定保护单元(12)中的每一个均被输送两个输入信号，一个是所述整流控制机构(4)的推动信号(ST1或ST2)，另一个则是旋转位置探测装置(H1，H2和H3)所提供的转子旋转位置信号(SH1或SH2)。

3.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，将两个不同的推动信号(ST1，ST2)以及两个不同的旋转位置信号(SH1，SH2)输送至所述第一锁定保护单元(10)和第二锁定保护单元(12)。

4.根据权利要求1至3之一所述的控制电路，其特征在于，所述第一锁定保护单元(10)在其向所述驱动级(6)的第一断路输入端(SD1)发送第一控制信号(S_SD1)时关闭所述驱动级(6)。

5.根据权利要求1至3之一所述的控制电路，其特征在于，所述第二锁定保护单元(12)通过串接在所述驱动级(6)的供电输入端(VCC)之前的第一开关元件(S1)来切断所述驱动级(6)的供电电压(U_vcc)。

6.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，在运行过程中，若确认电机(M)在运转，则关闭所述第二过流保护单元(16)。

7.根据权利要求6所述的控制电路，其特征在于，在运行过程中，若确认电机(M)在运转，则通过所述第一锁定保护单元(10)和第二锁定保护单元(12)之一的工作信号(S_B)来关闭所述第二过流保护单元(16)。

8.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述第一过流保护单元(14)在其向所述驱动级(6)的第二断路输入端(SD2)发送第二控制信号(S_SD2)时关闭所述驱动级(6)。

9.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述第二过流保护单元(16)通过串接在所述驱动级(6)的供电输入端(VCC)之前的第二开关元件(S2)来切断所述驱动级(6)的供电电压(U_vcc)。

10.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述驱动级(6)的供电电压(U_vcc)经过安置在电机(M)内部的温度控制器(18)而被输送到所述驱动级(6)的供电输入端(VCC)。

11.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，被设计成用于带有三个按星形或三角形连接法连接的定子绕组(U,V,W)的三相电机(M)，其中，所述半导体末级(2)被构造为具有六个开关元件(T1，T2，T3，T4，T5，T6)的全电桥，其以依次形成的不同组合分别成对地通过驱动级(6)来控制。