CN104854788B - 电动机工作的方法以及相应的电动机装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动机（2）工作的方法，该电动机可通过开关装置（3）与电源（5）连接，并与空载装置（9）并联地连接，其中，在每个工作周期内都以一定的接通比控制开关装置（3），用于调节电动机（2）的所希望的有效工作电压，从而每个工作周期按照至少一种工作方式由接通时段和空载时段组成。在此规定，空载装置（9）具有空载晶体管（10）和与该空载晶体管并联连接的、设置在电源（5）的截止方向上的空载二极管（11）；在空载时段内按下述步骤控制空载晶体管（10）：确定在电动机（2）上降下来的空载电压；如果空载电压不同于零，特别是小于零，那就使得空载晶体管（10）接通持续一定的导通时段。本发明还涉及一种电动机装置（1）。

Description

电动机工作的方法以及相应的电动机装置

技术领域

本发明涉及一种电动机工作的方法，该电动机可通过开关装置与电源连接，并与空载装置并联，其中，在每个工作周期内都以一定的接通比控制开关装置，用于调节电动机的所希望的有效工作电压，从而每个工作周期按照至少一种工作方式由接通时段和空载时段组成。本发明还涉及一种电动机装置。

背景技术

电动机例如是直流电动机，它可以通过开关装置与被构造成直流电源的电源连接，其方式为，相应地调节该开关装置。电源或直流电源优选具有恒定的电压。如果现在电动机持久地与电源连接，电动机就会产生与电源电压有关的一定转速。

为了调节即特别是控制和/或调整转速，规定，借助于开关装置来调整施加在电动机上的有效工作电压。为此例如进行脉冲宽度调制，在调制时，针对多个相继的工作周期，在每个独立的工作周期内都确定一定的接通比，并借助开关装置来调节。电动机因而优选可借助开关装置周期性地与电源连接。

接通比确定了接通时段的时长与相应工作周期的总时长的比，只有在所述接通时段内才把开关装置切换至导通。如果有效工作电压等于由电源提供的电压，就在整个工作周期把开关装置切换至导通，从而接通时段的时长等于相应工作周期的时长。

然而，按照至少一种工作方式，有效工作电压应小于由电源提供的电压。因此，开关装置并非在整个工作周期内都导通，所以，工作周期由接通时段和空载时段组成，其中，在空载时段内，开关装置并不接通，电源与电动机之间的电连接因而中断。通过这种方式可以调节所希望的有效工作电压，进而调节电动机的所希望的转速，特别是控制性地和/或调整性地予以调节。

由于电动机或其电机绕组具有大电感，所以，在每个接通时段之后都需要电流衰减电路。这个电流衰减电路通过与电动机并联连接的空载装置来提供。空载装置例如可以是二极管，它按照其功能也可以称为空载二极管，并设置在电动机的截止方向上。这意味着，在接通时段期间，没有电流流经空载装置，因而电流完全供电动机工作之用。而在空载时段中，流经电动机的电机电流可以通过空载装置衰减。

把空载装置设计成空载二极管所具有的优点是，决不需要例如通过控制器进行有源控制，一旦电机电流衰减，二极管就自动截止。空载二极管因而是一种无源的空载装置。但这种电路的缺点是，通过二极管流通电压（Diodenflussspannung）和电机电流确定的损耗功率相当高。这对于靠大电流和低的工作电压工作的电动机来说尤为不利，而在自动化领域中常常有这种情况。

发明内容

相反，一种具有权利要求1的特征的电动机工作的方法具有如下优点：只需很小的电路技术成本即可明显减小损耗功率。根据本发明，实现此点的方式为，空载装置具有空载晶体管和与该空载晶体管并联连接的、设置在电源的截止方向上的空载二极管；在空载时段内按下述步骤控制空载晶体管：确定在电动机上降下来的空载电压；如果空载电压不同于零，特别是小于零，那就使得空载晶体管接通持续一定的导通时段。与由现有技术已知的方法相反，现在不使用或者至少不仅仅使用（空载）二极管形式的无源的空载装置，确切地说，而是使用有源的即可通断的空载装置。该空载装置包括彼此并联连接的空载晶体管和空载二极管。因此，无论空载晶体管还是空载二极管都在电路技术上与电动机并联。

这种电路具有的优点是，相比于纯无源的空载装置，损耗功率明显更小。即使在控制频率高的情况下，这种装置也能毫无问题地工作，特别是如果空载时段如此短暂，以至于并非整个电机电流都通过空载装载而衰减。在有时会出现“空隙”工作的低频情况下，电机电流在空载时段内因而衰减至零，但此时会出现损害。如果空载晶体管在整个空载时段内都接通，即被调节为导通，则电动机的发电机式的电机电压就会因通过空载晶体管造成的短路而导致电机电流方向逆转，致使电动机制动。这样会明显增大损耗功率，因为用于电动机经常加速和制动的大量能量被消耗掉了。

出于这个原因，可以规定，及时地切断空载晶体管，即中断通过它的空载电路。但这种切断的时间点很难确定，且通常取决于很多因素，例如电机转速、电源电压、电动机电感、绕组电阻、电网的滤波特性等等。可以直接测量电机电流，但其转换相当繁琐且成本高昂，这是因为例如需要电流分流器和/或快速的耐干扰的放大器或比较器。

为了以简单的方式、尤其以低廉的电路成本而且低成本地实现对空载晶体管的控制，因此规定，如果在电动机上降下来的空载电压不同于零，则仅在一定的导通时段内接通空载晶体管。这里选择的顺序在原则上是任意的。因而可以规定，首先在测量时段内确定在电动机上降下来的空载电压，然后根据一定的空载电压接通空载晶体管。因而对一定的空载电压与零值进行比较，并根据这种比较的结果来控制空载晶体管。在该方法的变型或补充中规定，在空载时段开始时马上将空载晶体管接通持续一定的导通时段，然后才按给定顺序，即确定空载电压、随后相应地接通空载晶体管，实施前述方法，对空载电压的确定特别优选地通过测量来进行。为此可以设置相应的测量装置。

在一定的导通时段内接通空载晶体管，如果该导通时段在工作周期结束之前结束，那就重复所述做法，即再次确定空载电压，并据此来接通空载晶体管。相反，如果工作周期在导通时段结束之前结束，则导通时段也结束，紧接着引入下一个工作周期，因而引入下一个接通时段。

总之，因而在空载时段内交替地历经测量时段和一定的导通时段，直到空载时段或工作周期结束。重要的是，空载晶体管的接通并不连续地进行，而是分成了多个小部分，即一定的导通时段。在每次导通时段之后都确定空载电压，并与零比较。只要电机电流未衰减，空载电压就约为-0.7V，这是因为与空载晶体管并联连接的空载二极管沿流通方向（Flussrichtung）被供电。

特别优选地，只有当空载电压小于零时才在一定的导通时段内接通空载晶体管。如果电机电流已经衰减，空载电压就不是负的，即不小于零。对于静止式电动机来说，空载电压等于零；而对于转动式电动机而言，空载电压—在电机电流已经衰减的情况下—是正的。在后者情况下尤其规定，针对空载时段的余下部分调节对空载电压的确定和对空载晶体管的接通，即等待空载时段结束，而并不将空载晶体管（有可能再次）接通。

本发明的方法具有很多优点：一方面，特别是相比于采用无源空载装置的方法，在空载电路或空载装置中实现明显较小的损耗功率。损耗功率例如可以减小大约70%~90%。相应地，所用器件的特别是空载装置的热负荷减小了。此外，不必例如借助软件程序计算导通时段。确切地说，只用硬件就能实现所述方法。也无需精确地快速地测量电机电流；确定空载电压就足够了。可以在接通时段之后紧接着和/或在导通时段之后紧接着就确定空载电压或发电机式的电压。

本发明的一种优选的设计规定，导通时段的时长被固定为恒定。因此，无需改变导通时段的时长或长度，以便在电机电流衰减至零时切断空载晶体管。确切地说，如果满足空载电压的条件，始终都在被固定为恒定的整个导通时段内接通空载晶体管。这能以简单的方式用硬件实现，因而无需用来执行方法的软件程序等。

本发明的一种改进规定，导通时段的时长被选为等于工作周期时长的不到50%、特别是最多40%、最多30%、最多25%、最多20%、最多15%、最多10%、最多5%或最多1%。为了避免开篇所述的问题，即，电机电流在空载晶体管接通期间衰减为零，要适当地选取导通时段，使得在任何情况下在工作周期期间多次确定空载电压并相应地接通空载晶体管。出于这个原因，导通时段优选短于工作周期的一半。但特别优选地选择一个较高的节拍频率，以便尽可能减小损耗功率。例如，导通时段的时长等于前述值，但其也可以明显较小，最多为工作周期时长的0.5%、最多0.25%或最多0.1%。

本发明的一种优选的设计规定，对空载电压的确定在测量时段内进行，在该测量时段期间，空载晶体管并不接通。如上已述，在空载时段内，测量时段和一定的导通时段交替，直到空载时段或相应的工作周期结束。这里当然也会出现的是，如果工作周期结束的话，测量时段和/或导通时段在其本该结束之前就结束了。在测量时段期间，空载晶体管并不接通，从而可以简单地确定空载电压。当然也可以仅仅近似地确定空载电压，即特别是估计空载电压。

现在特别优选地规定，测量时段被选择得短于导通时段。测量时段的时长例如为导通时段的时长的最多50%、最多25%、最多10%、最多5%或最多1%。

本发明的一种改进规定，作为空载装置，采用MOSFET，且空载二极管就是MOSFET的本体二极管。术语“MOSFET”是金属氧化物半导体场效应晶体管。它除了具有用作空载晶体管的场效应晶体管外，还具有与场效应晶体管并联连接的本体二极管。因此，利用这种集成的器件既可以实现空载晶体管，又可以实现空载二极管。

本发明的另一有利的设计规定，借助控制器特别是借助控制器的集成的电路来控制开关装置、控制空载装置和/或确定空载电压。电动机因而配设有控制器，该控制器特别优选地具有集成的电路。对于实施所述方法所必需的步骤于是借助于控制器来执行。在此尤其仅仅使用控制器的集成的电路。这意味着，无需软件程序等。确切地说，只需要集成的电路，其例如是ASIC（特定用途集成电路）。

还可以规定，使用功率晶体管作为开关装置。为了使电动机工作，往往仅使用低电压范围内的电压。因此，流经电动机进而流经开关装置的电流的电流强度至少有时很大。出于这个原因，使用功率晶体管作为开关装置，它特点例如为超过1A的最大集电极电流。

最后可以规定，按照至少一种工作方式，流经电动机的电机电流在空载时段期间彻底衰减。通常只有当接通时段仅具有较短的时长，即有效工作电压明显小于由电源提供的电压时，才有这种情况。如上已述，在这种情况下实施本发明的方法尤为有利，以便减小损耗功率。如果在使用持久地接通的空载晶体管情况下电机电流减小，就会在电机电流衰减之后令电动机制动，因而损耗功率相应地高。而采用上述方法就不会有这种情况，按照该方法，当空载电压不同于零时，空载晶体管仅仅接通一定的时段。

本发明还涉及一种电动机装置，其特别是用来实施上述方法，其带有电动机，该电动机可通过开关装置与电源连接，并与空载装置并联连接，其中，控制器被设计用来控制开关装置，用于在每个工作周期内都按一定的接通比来调节电动机的所希望的有效工作电压，从而每个工作周期都按照至少一种工作方式由接通时段与空载时段组成。在此规定，空载装置具有空载晶体管和与空载晶体管并联连接的、设置在电源截止方向上的空载二极管，控制器被设计用来在空载时段内按如下步骤控制空载晶体管：确定在电动机上降下来的空载电压；如果空载电压不同于零、特别是小于零，就把空载晶体管接通持续导通时段。这种电动机装置或相应方法的优点已经介绍过了。不言而喻，电动机装置或所述方法可以按照上述设计予以改进，就此参见这些设计。

下面，在不限制本发明的情况下，借助附图中所示的实施例详述本发明。其中：

图1为电动机装置的示意图；

图2为曲线图，其中绘出了关于时间的电机电压和电机电流。

图1所示为电动机装置1的示意图。该电动机装置具有电动机2和开关装置3，开关装置与电动机2串联连接。通过开关装置3，电动机2可与电源5的极4连接。而在极6上直接连接着电动机2。因而可以通过对优选具有功率晶体管7的开关装置3的相应通断，使得电动机2与电源5或其极4连接或者与其断开。除了功率晶体管7外，开关装置3还可以具有二极管8，在这种情况下，该二极管与功率晶体管7并联，且设置在电源5的截止方向上。

有个空载装置9与电动机2并联地电连接，该空载装置具有空载晶体管10和与其并联连接的空载二极管11。特别优选地，空载装置9以MOSFET的形式存在。MOSFET具有被考虑作为空载二极管11的本体二极管。利用集成的电路对空载装置9或空载晶体管11进行控制，该电路例如是控制器13的组成部分。开关装置3也可以借助于控制器13来控制，特别是借助于电路来控制。

在电动机装置1工作期间，对开关装置3进行控制，从而在电动机2上产生有效的工作电压，即特别是周期性地接通和切断。该有效工作电压可以不同于由电源5提供的电压U_s，特别是小于该电压。为此，规定开关装置3在直接相继的工作周期内节拍式地工作。针对每个工作周期都选择一定的接通比例，并借助开关装置3来调节。该接通比例描述了在接通时段与相应的工作周期时长之间的比例，在所述接通时段内（导通地）接通开关装置3。因而在比例为1时，开关装置3在整个工作周期期间都接通。然而，在电动机装置1的至少一种工作方式中规定，该比例小于1，从而除了接通时段外，在工作周期中还存在空载时段。施加在电动机2上的电压称为U_电机。该电压在接通时段期间基本上等于电源5的电压U_s。

因为电动机2或其在此未单独示出的电机绕组具有大电感，所以必须—在利用开关装置3中断电动机2与电源5之间的电连接之后—使得流经电动机2的电流I_电机衰减。为此设置有空载装置9。接通空载晶体管10，同时断开开关装置3，这样使得电机电流衰减了。

为了防止流经电动机2的电流的流向逆转并因而将电动机制动，现在要在空载时段期间按下述方式控制空载晶体管10：规定，在空载时段期间，测量时段和一定的导通时段交替，该导通时段的时长被固定为恒定。在测量时段期间确定在电动机上降下来的空载电压。如果该空载电压与零不同，特别是小于零，就引入导通时段，在该导通时段内将空载晶体管10接通，从而电动机2的两个极彼此电连接。而在测量时段期间，或者基本上在导通时段之外，空载晶体管10并不接通，即不导通。例如也可以借助电路或控制器13对空载电压进行确定。

除了前述做法之外，还可以规定，在确定空载电压之前，首先引入一定的导通时段，在该导通时段期间将空载晶体管9接通。在该导通时段之后紧接着就采取所述做法，按照该做法，在测量时段期间交替地确定空载电压，然后根据一定的空载电压在一定的导通时段内接通空载晶体管10。按照电动机装置1的至少一种工作方式规定，流经电动机2的电机电流在空载时段期间彻底消减。

前述方法的时间过程借助图2示出。该图所示为曲线图，其中示出了曲线14即电机电压U_电机关于时间的曲线和曲线15即电机电流I_电机关于时间的曲线。工作周期的时长用⊿t_T表示，接通时段的时长用⊿t_E表示，空载时段的时长用⊿t_F表示。在此，⊿t_T=⊿t_E+⊿t_F。在工作周期开始时，即在时间点t₀，电机电流I_电机例如等于零。从时间点t₀起，借助开关装置3使得电动机2与电源5连接。因此，电机电压U_电机等于电源5的电压U_s，且电机电流I_电机上升。在接通时段结束时，即在时间点t₁，中断电连接。现在为了使得电机电流I_电机衰减，在空载时段中，使得空载晶体管10在导通时段内至少导通一次。在所示曲线图中设置了多个这种导通时段。这些导通时段用⊿t_S表示，但仅仅有些接通时段才这样。第一导通时段可以在接通时段结束之后延迟一段时间地设置。但该第一导通时段当然也可以紧接在接通时段之后。

如所述，在空载时段中，导通时段和测量时段交替，仅仅有些测量时段用⊿t_W标出。也可以采用相反的顺序，按照这种相反的顺序，首先引入测量时段，然后才在相应的电机电压U_电机的情况下引入导通时段。优选至少直到时间点t₂时规定这种交替，在这个时间点，电机电流I_电机已衰减至零。电机电流I_电机在导通时段之一内曾衰减过，但原则上这在该导通时段之后的测量时段内才能确定出来。该测量时段开始于时间点t₃。理想情况下，时间点t₂和t₃重叠，但如所述那样，并非必须如此。由于电机电流I_电机从时间点t₂起等于零，因此，所确定的电机电压U_电机在测量时段内是正的，如果情况并非如此，假若电动机2还在旋转，那么，所述电机电压就等于零。在电机电压U_电机为正的和/或电机电压U_电机等于零的情况下，在测量时段之后直至空载时段或工作周期结束，不再引入导通时段。

Claims (15)

1.一种电动机（2）工作的方法，该电动机可通过开关装置（3）与电源（5）连接，并与空载装置（9）并联地连接，其中，在每个工作周期内都以一定的接通比控制开关装置（3），用于调节电动机（2）的所希望的有效工作电压，从而每个工作周期按照至少一种工作方式由接通时段和空载时段组成，其特征在于，空载装置（9）具有空载晶体管（10）和与该空载晶体管并联连接的、设置在电源（5）的截止方向上的空载二极管（11）；并且在空载时段内按下述步骤控制空载晶体管（10）：

- 确定在电动机（2）上降下来的空载电压；并且

- 如果空载电压不同于零，那就使得空载晶体管（10）接通持续一定的导通时段，

其中，如果所述一定的导通时段在工作周期结束之前结束，那就再次确定空载电压并且如果空载电压不同于零接通空载晶体管（10）。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将导通时段的时长固定为恒定。

3.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将导通时段的时长选为等于工作周期时长的不到50%的时长。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对空载电压的确定在测量时段内进行，在该测量时段期间，空载晶体管（10）不接通。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，将测量时段选择得短于导通时段。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，作为空载装置（9），采用MOSFET，且空载二极管（11）就是MOSFET的本体二极管。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，借助控制器（13）来控制开关装置（3）、控制空载装置（9）和/或确定空载电压。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用功率晶体管（7）作为开关装置（3）。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，按照至少一种工作方式，使得流经电动机（2）的电机电流在空载时段期间彻底衰减。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，如果空载电压小于零，那就使得空载晶体管（10）接通持续一定的导通时段。

11.如权利要求3所述的方法，其特征在于，将导通时段的时长选为等于工作周期时长的最多40%、最多30%、最多25%、最多20%、最多15%、最多10%、最多5%或最多1%的时长。

12.如权利要求7所述的方法，其特征在于，借助所述控制器的集成的电路（12）来控制开关装置（3）、控制空载装置（9）和/或确定空载电压。

13.一种电动机装置（1），带有电动机（2），该电动机可通过开关装置（3）与电源（5）连接，并与空载装置（9）并联连接，其中，控制器（13）被设计用来在每个工作周期内都按一定的接通比来控制开关装置（3），用于调节电动机（2）的所希望的有效工作电压，从而每个工作周期都按照至少一种工作方式由接通时段与空载时段组成，其特征在于，空载装置（9）具有空载晶体管（10）和与空载晶体管并联连接的、设置在电源（5）的截止方向上的空载二极管（11），并且控制器（13）被设计用来在空载时段内按如下步骤控制空载晶体管（10）：

- 确定在电动机（2）上降下来的空载电压；并且

- 如果空载电压不同于零，就把空载晶体管（10）接通持续一定的导通时段，

其中，如果所述一定的导通时段在工作周期结束之前结束，那就再次确定空载电压并且如果空载电压不同于零接通空载晶体管（10）。

14.如权利要求13所述的电动机装置（1），其特征在于，所述电动机装置（1）用来实施根据权利要求1到12中任一项所述的方法。

15.如权利要求13所述的电动机装置（1），其特征在于，如果空载电压小于零，就把空载晶体管（10）接通持续一定的导通时段。