CN103023403A - 直流电路中的具有主动反馈的弹簧式驱动器 - Google Patents

Abstract

DC电路中的具有主动反馈的弹簧式驱动器具有马达和马达控制器。马达控制器具有其中配置了后备电容器的DC电路和开关设备。DC电路连接到电源网络以把能量馈送到后备电容器中，并且能够经由开关设备把马达连接到后备电容器。马达的转子连接到弹簧设备，当转子从空转位置偏移时弹簧设备向转子施加恢复力。如果从电源网络向后备电容器馈送能量，则控制设备激活开关设备的开关元件以把转子的实际偏移调整至所要求的偏移。能够经由后备电容器向控制设备提供能量。如果在转子从空转位置偏移的状态下从电源网络向后备电容器的能量馈送失败，则控制设备把所要求的偏移设置至空转位置，并且激活开关元件以使马达经由开关元件把能量馈送到后备电容器中。

Description

直流电路中的具有主动反馈的弹簧式驱动器

技术领域

本发明涉及一种电驱动器，

- 其中，该驱动器具有马达和针对马达的马达控制器，

- 其中，所述马达控制器具有DC电路和开关设备，

- 其中，在DC电路中配置了后备电容器，

- 其中，DC电路连接到电源网络，以把能量馈送到后备电容器中，并且所述马达能够经由开关设备连接到后备电容器，

- 其中，所述马达具有定子和可相对定子旋转支撑的转子，

- 其中，转子连接到弹簧设备，在转子从其空转位置偏移的情况下能够通过该弹簧设备把恢复力施加于转子，

- 其中，在从电源网络向后备电容器馈送能量的情况下，依据从外部向控制设备预先指定的转子的所要求的偏移，控制针对马达的开关设备的控制设备激活开关设备的开关元件，以把转子的实际偏移调整至所要求的偏移。

背景技术

从WO 2005/119 898 A2可获知以上所描述类型的电驱动器。

弹簧式驱动器通常用作阀门和折叶的驱动器，以确保在电源网络出现故障的情况下把阀门或者折叶移动至定义的位置。

当弹簧恢复转子时可能出现负面效应。具体地讲，其可能导致所恢复的元件的机械碰撞，这种机械碰撞在极端情况下可能导致机械损坏。此外，当转子恢复时生成电能，而马达控制器必须容纳和处置这一电能。

在WO 2005/119 898 A2中，把马达配备为无刷DC马达。在WO 2005/119 898 A2中，为避免上述问题，建议利用转换器通过脉宽调制使马达的3个绕组中的两个短路，从而使转子按受限的速度移至其空转位置。

WO 2005/119 898 A2的教导仅部分地解决了以上所提到的问题。具体地讲，避免了阀门或者折叶的碰撞。然而，出现必须由马达和开关设备应对的高的短路电流。此外，开关设备必须应对马达中出现的电压。

发明内容

因此，本发明的目的在于进一步开发一种以上陈述的类型的电驱动器，以完全消除现有技术的问题。

通过具有权利要求1的特性的电驱动器达到所述目的。本发明的电驱动器的优势实施例为从属权利要求2～9的主题。

有创造性的是，把以上所陈述的类型的电驱动器配备为：

- 后备电容器能够向控制设备提供能量，以及

- 当在转子从空转位置偏移的状态下从电源网络向后备电容器提供能量失败时，控制设备自动地把所要求的偏移设置至空转位置，并且激活开关设备的开关元件，以使马达至少在由弹簧设备恢复的开始时经由开关设备的开关元件把能量馈送到后备电容器中。

由于经由后备电容器向控制设备提供能量，所以控制设备作为负载连接到后备电容器。因此，控制设备通过其功耗很大程度上抵消了后备电容器处的电压增加。由于开关设备的开关元件的激活，所反馈的电流可以经由开关设备本身的开关元件流动，与开关元件的固有存在的、仅能够输送受限程度的电流的续流二极管不同。这缓解了开关设备上的电负荷。由于控制设备的进一步操作以及转子的实际偏移与（新设置的）所要求的偏移之间的偏差，也与正常的操作中一样，出现了转子向空转位置的实质上的制动性的转移。

在从电源网络向后备电容器的能量提供失败的情况下，能够提供开关设备的开关元件的特定的激活类型。然而，更简单从而优选的是，当在转子的偏移状态下从电源网络的能量提供失败时，控制设备按与在其中从电源网络提供能量以及从外部把转子所要求的偏移设置至空转位置的情况相同的方式激活开关设备的开关元件。这一方法不要求控制设备的控制行为的任何改变。仅必须把所要求的偏移设置为值0。

优选的，提供这样一种控制设备：当在转子的偏移状态下从电源网络的能量提供失败时，控制设备激活开关设备的开关元件，以使转子按受控的速度或者受限的速度移至其空转位置。

特别是，可以把马达配备为多相马达。在这一情况下，通常，开关设备的开关元件包含高和低开关元件，其中能够通过相应的高开关元件把马达的每相连接到后备电容器的高电位，并且经由相应的低开关元件把马达的每相连接到后备电容器的低电位。在从电源网络提供能量的情况下，对于每相，控制设备按推挽模式激活相应的高开关元件和相应的低开关元件。根据本发明，当在转子的偏移状态下从电源网络的能量提供失败时，也保持这一激活类型。

在从电源网络向后备电容器的能量提供失败的情况下，能够不断地把电能反馈到后备电容器中。然而，优选的是，当在转子的偏移状态下从电源网络的能量提供失败时，在把能量提供到后备电容器中期间，控制设备确定DC电路的能量状态。这意味着，其处于当DC电路的能量状态降至最小能量之下时调整开关设备的开关元件的激活的位置。

为了检测DC电路的能量状态，例如，控制设备能够检测经由开关设备馈送到DC电路或者后备电容器中的电流。作为替换，为了检测DC电路的能量状态，控制设备可以检测存在于后备电容器处的电压。

如已经提到的，通常把驱动器用作阀门或者折叶驱动器。因此优选的是，转子直接或者经由传动装置连接到阀门或者折叶。

特别地，可以把马达配备为无刷DC马达。

附图说明

与以下参照附图更详细解释的示例性实施例的描述相结合，本发明的上述特征、特性以及优点与实现上述特征、特性以及优点的方式将变得更加明显，并且能够更全面地得以理解。此处，给出了下列示意性的附图：

图1  电驱动器，

图2  马达和开关设备，

图3  开关图，

图4  流程图，以及

图5  进一步的流程图。

具体实施方式

根据图1，电驱动器具有马达1和马达控制器2（马达控制电路2）。可以根据要求配备马达1。例如，可以把马达1配备为永激同步机。优选的是，根据图2中所示的图，把马达1配备为无刷DC马达，特别是配备为多相无刷DC马达。可以按类似的方式根据要求把马达1配备为内部转子，或者，如图1中所示的图，配备为外部转子马达。马达电路2用于向马达1提供电能并且用于控制马达1。

马达电路2具有DC电路3。配置在DC电路3中的部件之一为后备电容器4。

DC电路3连接到电源网络5，以把能量馈送到后备电容器4中。例如，根据图1中所示的图，可以存在整流器6，其把DC电路3连接到单相或者3相公共电源网络（单相网络的额定电压为100V、110V或者230V，主频率为50Hz或者60Hz）。其它电源也是可行的，例如，24V DC，而且，在某些情况下，甚至可以为低于24V的低电压。

马达电路2也是开关设备7。经由开关设备7，能够把马达1连接到后备电容器4。为此，开关设备7具有根据图2的开关元件8，9。通常，把马达1配备为多相马达。对于马达1的每相10，开关设备7的开关元件8，9通常均包括高开关元件8和低开关元件9。能够通过相应的高开关元件8把马达1的相应的相10连接到后备电容器4的高电位。按类似的方式，能够通过相应的低开关元件9把相应的相10连接到后备电容器4的低电位。

通常，把开关元件8，9配备为半导体开关元件，例如，配备为MOSFET或者IGBT。它们具有固有的续流二极管（freewheeling diode）11。出于制造的原因，续流二极管11是不可避免的。因此，续流二极管11不涉及与开关元件8，9分立的、基本上可以忽略的部件，而是不可避免地出现在任何情况下。

根据图1，马达1具有定子12和转子13。相对定子12可旋转地支撑转子13。于是通过存在于后备电容器4处的电压U的适当的连接（以下将其称为DC链接电路电压U），可以在转子上产生对应的扭矩，从而能够转动转子13。

根据图1，转子13链接到弹簧设备14。当转子13转动时，弹簧设备14绷紧和松弛。弹簧设备14展示了这样一种状态：在该状态下弹簧设备能够（完全）松弛或者甚至不完全松弛，但是（例如，由于碰撞），例如，不再在转子13上行使任何恢复力。转子13的对应位置对应于转子13的空转位置。在转子13的每其它偏移中，转子13均具有由弹簧设备14施加于其的恢复力，即，所施加的力把转子13恢复至空转位置。

例如，可以把转子13连接到折叶16或者阀门16，可以直接地连接，也可以经由传动装置15连接，如图1中的虚线所示。

根据图1，马达电路2还具有针对马达1的控制设备17。控制设备17用于控制开关设备7，特别是开关元件8，9。经由后备电容器4向它们提供电能。因此，控制设备17配置在后备电容器4和开关设备7之间，但是根据图1中所示的图也配置在后备电容器4的前方，其中在后一种情况下，没有通过对应配置的去耦二极管18将控制设备17从后备电容器4去耦的情况发生。因此去耦二极管18仅在图1中通过虚线显示并且有叉穿过。

通常，电能自然从电源网络5馈送到后备电容器4中。以下把这一状态称为正常操作。但是，电源网络5可能出现故障。这一状态在下面称为紧急操作。

在正常操作中，控制设备17激活开关设备7的开关元件8，9。依据转子13的所要求的偏移 x*激活这些元件。根据图1，在正常操作中，从外部向控制设备17预先指定所要求的偏移 x*，例如经由未在图中加以显示的输入设备、通过同样未在图中加以显示的人或者更高等级的控制设备。

控制设备17控制开关元件8，9，以把转子13的实际偏移调整至所要求的偏移 x*。通常，本领域技术人员熟悉开关设备7的开关元件8，9的对应的激活。具体地讲，通常，控制设备17通过脉宽调制，而且特别是按推挽模式，激活高和低开关元件8，9。对于所给定相10中的任何相10（参见图3），激活发生在时钟周期T中，其中在相应时钟周期T中，在相应相10的激活周期Tˊ期间，把相应的高开关元件8切换为“运转中”。在激活周期Tˊ期间，把对应的低开关元件9切换为“停用”。相反，在激活周期Tˊ之外，控制设备17把高开关元件8切换为“停用”。另一方面，在激活周期Tˊ之外，把低开关元件9切换为“运转中”。仅在极短的转换周期T〞期间例外，在这一期间中为了避免短路，既停用相应相10的高开关元件8，也停用相应相10的低开关元件9。

由于把转子13连接到弹簧设备14这一事实，所以在正常操作中，转子13必须具有永久施加于其的扭矩，以补偿弹簧设备14的恢复力。仅当所要求的偏移 x*对应于转子13的空转位置时例外。

如果从电源网络5提供能量失败，即，当紧急操作发生时，仅可短时间地仍然从后备电容器4向马达1提供电能。此后，弹簧设备14的恢复力获得优势。对于这一情况，控制设备17必须通过开关设备7的对应的激活确保避免驱动器的临界操作状态。因此配备控制设备17（例如，对其进行编程），使其实现以下结合图4所解释的操作模式：

在步骤S1中，控制设备17检查是否正从电源网络5向DC电路3提供能量。依据该检查结果，控制设备17转向步骤S2或者步骤S4。

在步骤S2中，控制设备17接受转子13的所要求的偏移 x*。在步骤S3中，控制设备17控制开关设备7的开关元件8，9，以把转子13的实际偏移调整至所要求的偏移 x*。例如，实际偏移的调整可以为速度受控的、速度受限的、或者扭矩有限的。针对开关设备7的开关元件8，9的对应的调节方案和对应的激活确定方案是本领域技术人员所熟悉的。

另一方面，如果从电源网络5提供能量失败，则控制设备17转向步骤S4。在步骤S4中，控制设备17自动地把所要求的偏移 x*设置至空转位置。此外，在步骤S5中控制设备17控制开关设备7的开关元件8，9，以使马达1经由开关设备7的开关元件8，9把能量馈送到后备电容器4中。因此，尤其是同样在紧急操作中，控制设备17按推挽模式控制高和低开关元件8，9同相。

可以在步骤S5的框架中根据要求确定把转子13转移至空转位置的精确的类型。例如，控制设备17能够按与步骤S3相类似的方式激活开关设备7的开关元件8，9，以使转子13按受控的速度或者受限的速度移至空转位置。

馈送到后备电容器4中的能量最初在紧急模式中增加DC链接电路电压U。然而，由于经由后备电容器4向控制设备17提供电能（而且实际上是完全，即达到与正常模式中相同的程度），所以控制设备17通过其功耗很大程度地抵消了DC链接电路电压U的增加。

在步骤S5的框架中必须确定开关元件8，9的对应激活信号的方式是本领域技术人员本身所熟悉的。具体来讲，如果从外部把所要求的偏移 x*设置至空转位置，则控制设备17可以按与正常操作中相同的方式确定开关元件8，9的激活信号。因此，在某些情况下，可以完全省略步骤S5。在这种情况下，该序列从步骤S5转向步骤S3。

使用以上结合图4所解释的操作方法，在紧急操作中，马达1不仅在转子13的恢复开始时，而且还不断地把能量馈送到后备电容器4中。这种操作方法是完全可行的。然而，如果根据图5修改图4的操作，通常会导致更好的结果。

根据图5（除了步骤S1~S5之外），还存在步骤S6~S8。

在步骤S6中，控制设备17确定DC电路3的能量状态EZ。由于步骤S6紧随步骤S5这一事实，所以在经由开关设备7把能量从马达1馈送到后备电容器4中时执行步骤S6。

为了确定DC电路3的能量状态EZ，控制设备17可以检测由开关设备7馈送到DC电路3中的电流I，例如，经由适当配置的电流测量设备19（参见图2）。作为一种替换或者添加，控制设备17可以经由适当配置的电流测量设备19ˊ（参见图1）检测馈送到后备电容器4本身中的电流Iˊ。作为一种替换或者添加，根据图1的控制设备17可以检测在后备电容器4处存在的DC链接电路电压U。

在步骤S7，控制设备17检查所确定的DC电路3的能量状态EZ是否处于最小能量Emin之上。依据该检查结果，控制设备17接下来转向步骤S1或者步骤S8。如果控制设备17转向步骤S8，则在步骤S8中，其停用开关设备7的所有开关元件8，9。

因此，根据图5的实施例具有这样的功效：在紧急操作中，仅在转子13的恢复开始时把电能馈送到后备电容器4中。如果DC电路3的能量状态EZ降低至最小能量Emin之下，则控制设备17停止对开关元件8，9的激活。

本发明具有明显的优点。具体地讲，产生了针对开关元件8，9的简单的控制方法。此外，可以使开关元件8，9以及后备电容器4的尺寸小于现有技术中的尺寸。而且，还消除了续流二极管11的过载。最后，可以避免马达1、传动装置15以及折叶16或者阀门16的机械应力。

尽管已经通过优选的示例性实施例较详细地图示与描述了本发明，然而本发明不局限于所公开的示例。本领域技术人员可以在不背离本发明的保护范围的情况下，推知其它变化形式。

Claims (9)

1.一种电驱动器，

- 其中，该驱动器具有马达（1）和针对马达的马达控制器（2），

- 其中，马达控制器（2）具有DC电路（3）和开关设备（7），

- 其中，在DC电路（3）中配置后备电容器（4），

- 其中，DC电路（3）链接到电源网络（5），以把能量馈送到后备电容器（4）中，并且能够经由开关设备（7）把马达（1）连接到后备电容器（4），

- 其中，马达（1）具有定子（12）和可相对定子（12）旋转支撑的转子（13），

- 其中，转子（13）链接到弹簧设备（14），在转子（13）从空转位置偏移的情况下通过该弹簧设备（14）转子（13）具有施加于其的恢复力，

- 其中，在从电源网络（5）向后备电容器（4）馈送能量的情况下，激活针对马达（1）的开关设备（7）的控制设备（17）依据从外部向控制设备（17）预先指定的转子（13）的所要求的偏移 （x*），控制开关设备（7）的开关元件（8，9），以把转子（13）的实际偏移调整至所要求的偏移（x*），

- 其中，能够经由后备电容器（4）向控制设备（17）提供能量，

- 其中，当在转子（13）从空转位置偏移的状态下从电源网络（5）向后备电容器（4）的能量馈送失败的情况下，控制设备（17）自动地把所要求的偏移（x*）设置至空转位置，并且激活开关设备（7）的开关元件（8，9），以使马达（1）至少在由弹簧设备（14）恢复的开始时经由开关设备（7）的开关元件（8，9）把能量馈送到后备电容器（4）中。

2.根据权利要求1中所要求的电驱动器，

    其特征在于：

当在转子（13）的偏移状态下从电源网络（5）的能量馈送失败的情况下，控制设备（17）按与其中从电源网络（5）馈入能量并且从外部把转子（13）的所要求的偏移（x*）设置至空转位置的情况相同的方式激活开关设备（7）的开关元件（8，9）。

3.根据权利要求1或者2中所要求的电驱动器，

    其特征在于：

当在转子（13）的偏移状态下从电源网络（5）的能量馈送失败时，控制设备（17）激活开关设备（7）的开关元件（8，9），以使转子（13）按受控的速度或者受限的速度移至空转位置。

4.根据权利要求1、2或者3中所要求的电驱动器，

    其特征在于：

- 马达（1）配备为多相马达（1），

- 开关设备（7）的开关元件（8，9）包含高和低开关元件（8，9），

- 能够经由相应的高开关元件（8）把马达（1）的每相（10）连接到后备电容器（4）的高电位，并且能够经由相应的低开关元件（9）把马达（1）的每相（10）连接到后备电容器（4）的低电位，以及

- 在从电源网络（5）馈入能量的情况下以及当在转子（13）的偏移状态下从电源网络（5）馈送能量失败时，对于每相（10），控制设备（17）按推挽模式激活相应的高和相应的低开关元件（8，9）。

5.根据以上权利要求中任何权利要求中所要求的电驱动器，

    其特征在于：

当在转子（13）的偏移状态下从电源网络（5）的能量馈送失败时，在把能量提供到后备电容器（4）中期间，控制设备（17）检测DC电路（3）的能量状态（EZ），而且如果DC电路（3）的能量状态（EZ）降至最小能量（Emin）之下，则控制设备（17）设置开关设备（7）的开关元件（8，9）的激活。

6.根据权利要求1中所要求的电驱动器，

其特征在于：

为了检测DC电路（3）的能量状态（EZ），控制设备（17）检测经由开关设备（7）馈入DC电路（3）或者后备电容器（4）的电流（I，Iˊ）。

7.根据权利要求1中所要求的电驱动器，

其特征在于：

为了检测DC电路（3）的能量状态（EZ），控制设备（17）检测存在于后备电容器（4）处的电压（U）。

8.根据以上权利要求中任何权利要求中所要求的电驱动器，

    其特征在于：

转子（13）直接或者经由传动装置（15）连接到折叶（16）或者阀门（16）。

9.根据以上权利要求中任何权利要求中所要求的电驱动器，

其特征在于：

马达（1）配备为无刷DC马达（1）。

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