CN105981290A - 用于同步电机的控制电路和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于手持式牙科器械的同步电机(1)的控制电路，所述控制电路具有电压供应装置(2)以及通过开关(6)而连接的箝位电路(7)，以及一种测定同步电机(1)的转子的旋转位置的方法，其中在一总时长(T2)内切断电流供应，在一时间间隔(T1)内耦接箝位电路(7)，接着测量EMK并且根据所述EMK测定所述旋转位置。

Description

用于同步电机的控制电路和控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于手持式牙科器械的同步电机的控制电路，所述控制电路具有电压供应装置，以及一种测定同步电机的转子的旋转位置以对所述同步电机进行转速控制的方法。

现有技术

同步电动机，即以电动机模式运行的同步电机，是已知的例如用于手持式牙科器械的电力驱动器，其中转子在定子中随运动旋转场同步运动。

进一步已知，为控制这样的同步电机，需要在运行期间获得转子相对于旋转定子场的位置。由DE 195 27 982 A1例如已知，为此设置传感器。

其缺点在于，这样的传感器会产生附加成本，并且鉴于卫生要求，将传感器例如集成在手持式牙科器械中，可能会有问题。

另一种测定转子位置的方法是测量转子所产生的感应电动势(EMK)。但为此须切断电动机绕组的供电，这个操作需要一定时间，其间不提供驱动功率。为缩短这段时间，已知的做法例如是消磁，但这会导致制动转矩的产生。

其结果是不断在驱动转矩与缺少转矩甚或制动转矩之间发生变换。这种持续的转矩变化可能会造成非期望的振动和噪声。

EP 0 993 108 A2描述一种通过EMK测量来获得转子的旋转位置的方法和装置。该方法基于以下原理：测定转子在定子绕组中所产生的感应电动势(EMK)，其中将其他定子绕组短路，并且在接近假定过零时产生电力短缺。

其缺点在于，测量受定子电流的过零影响。但是，若不在接近电流过零时进行测量，就会在消磁方面造成等待时间的大幅增加，具体视绕组中的电流瞬时值而定。

本发明的目的是提供一种电路和一种方法，所述方法能够在同步电机运行时随时测定EMK，尽快将电动机绕组消磁并且总体上保持较短的测量时间。

发明内容

本发明用以达成上述目的的解决方案为一种用于手持式牙科器械的同步电机的控制电路，所述控制电路具有电压供应装置以及通过开关而连接的箝位电路。

所述箝位电路有助于在中断电压供应后很快地将控制电路消磁，从而在极短时间内形成几乎无电的状态并实现感应电动势(EMK)的测量。

这样就不必长时间中断同步电机的电力供应，从而尤其可避免振动和噪声。如此一来，这样一种同步电机特别适用于手持式牙科器械，例如用于牙髓病治疗。

此外，本发明的控制电路有助于提供一种无电刷或者无控制用传感器的电动机。

所述电压供应装置例如可以是全桥。所述开关可以是高功率电子开关，例如功率模拟开关(Leistungsanalogschalter)。为保持尽可能短的测量间断，所述开关应当非常快。

有益地，所述箝位电路被箝位在所述控制电路的中性点或模拟中性点上。

通过箝位在控制电路的中性点上，能实现快速消磁，进而实现极短的测量间断。

为此，可以直接通过可供实施箝位操作的附加导线引出中性点。该附加导线和与之相关联的接触点可被省去，其实现方式是在控制电路中模拟中性点并且箝位在该模拟中性点上。其中，可以通过电动机相上所形成的电压来预先规定中性点的位置。借此可将同步电机的不对称考虑在内，并且在电压极低的情况下也还能足够精确地测量EMK。

有益地，所述控制电路具有电容器，所述电容器模拟所述中性点。

正是在牙科应用领域，例如在手持式牙科器械中，空间条件极为有限，因此通过模拟中性点来省去附加的中性点进线，这是有益的。模拟中性点的平均电压的电容器是一种特别简单的、可以用来模拟中性点的元件。

有益地，所述控制电路具有启动单元，所述启动单元可通过开关连接至所述电容器。

可接通的启动单元能够在同步电机启动前将电容器设定为初始值。这样就可预先将电容器充电至期望值，从而大幅缩短同步电机的启动阶段。

此外，本发明涉及一种测定同步电机的转子的旋转位置以对所述同步电机进行转速控制的方法。该方法规定，在所述同步电机运行期间在一总时长内切断所述同步电机的电流供应，并且在一时间间隔内将箝位电路耦接至所述同步电机的中性点。在所述时间间隔之后测量感应电动势(EMK)并且根据所述感应电动势测定所述旋转位置。

短时接通箝位电路能够使同步电机尽快达到至少几乎无电的状态，从而可在极短时间内实现EMK的测量。借此避免同步电机被长时间中断电力供应以及由此而产生的振动和/或噪声。因此，所述方法特别适用于手持式牙科器械，例如用于牙髓病治疗。

有益地，高阻测量所述EMK。借此将串联电阻上的电压降对同步电机的绕组的影响减至最小并且可忽略此影响。为此，测量所需要的电阻的大小应当是绕组的欧姆分量(ohmscher Anteil)的至少10000倍。若不进行高阻测量，则当相应常数是已知时，也可根据测量值算出这样的电压降。

有益地，通过电容器模拟所述中性点，并且在接通电流供应以运行所述同步电机之前，将所述电容器充电至期望值。

电容器是一种简单的模拟中性点的方案，并且可以省去附加的测量用进线。但是在启动之后，启动阶段中需要一定时间来使电容器达到恒定值并模拟中性点。将电容器预充电至期望值，这能缩短启动时间。

有益地，所述转子每转一圈，反复测量所述EMK。

反复测量有助于避免误差。为此可在箝位后依次反复测量并测定测量值之间的变化。当测量值之间的变化达到最小时，不必再继续测量。借此可结束测量间断并再度耦接同步电机的电压供应。这能进一步缩短为测定EMK所设置的测量间断。

附图简单说明

参照附图对本发明的控制电路和本发明的方法进行阐述。其中：

图1为具有控制电路的同步电机；

图2为测定转子的旋转位置的方法示意图；

图3为所述控制电路的另一变型。

实施方式

图1示出同步电机1，其具有构建为全桥的电压供应装置2和三个连接成星形3的定子绕组4。全桥2各通过一馈线5连接一定子绕组4。通过箝位和开关6在馈线5上各耦接一箝位电路7。

图2以示意图示出关于测量转子的旋转位置的方法的开关及接触状态S，其中闭合的开关状态或者说接触状态用z标示，断开的开关状态或者说未接触用a标示。中断全桥2所提供的电力供应。为此，所述全桥例如可具有开关9，该开关的开关状态用实线加以表示。在这个阶段，同步电机1一定程度上作为发电机而运行。但是，这个发电机所产生的电压被感应电流所产生的电压覆盖。为尽快建立空载状态，借助开关6耦接箝位电路7，以便通过箝位电路7的电阻负载来消磁。为此，箝位电路7例如可具有图1中所示出的电阻8。

至少在较短的时间间隔T1内耦接箝位电路7。在图2中，箝位电路7或开关6的开关状态用虚线加以表示。在由此而实现的消磁之后，或者说在时间间隔T1过去之后，再度断开开关6并且再度将箝位电路7去耦。现在，同步电机1几乎为无电运行，并且相对中性点3高阻测量EMK。为尽量减小误差，或者说，为达到尽可能无电的状态，选择高阻值的电阻13，并且尽可能也选择高阻值的电阻8。在图2中，接触用点线加以表示。接着再度耦接全桥2为同步电机1所提供的电力供应。

因此，中断电压供应的总时长T2由时间间隔T1和测量EMK所需要的时间间隔T3组成。总时长特别短，因为借助箝位电路7能很快地将同步电机消磁，因而能保持极短的时间间隔T2。

为尽可能缩短测量EMK所需要的时间T3，例如可在箝位之后，即在时间间隔T1之后，以尽可能快的速度依次反复测量EMK，并且将测量值分别与前一个测量值进行比较。当测量值不再变化，或者当变化量小于一例如预先规定的极限值时，结束时间间隔T3，也就是停止测量并且再度耦接同步电机1的电力供应。

在图1所示出的第一实施变型中，EMK的测量并非通过直接在中性点3上进行测量而实现，因为这需要附加的导线，而且例如在牙科电动机中，往往出于空间和/或成本原因而节省掉相应的进线。确切而言，这个实施例是借助电阻13和电容器10模拟中性点3。为此，电容器10通过电阻13耦接至馈线5。借此被动模拟中性点3。

所述电容器通过高阻值电阻13连接定子绕组4，使得在该电容器上能够测量到平均中性点电压。

由于电阻13必须是高阻值的，否则会干扰运行，因此在同步电机1启动后，需要相当长的时间来在电容器10上形成平均中性点电压并实现不受干扰的运行。为尽快达到电容器10的稳定值，在图1的实施例中，具有可预设的启动条件的启动单元11进一步通过开关12连接至电容器10。启动单元11例如可以是具有预设电压值的电压源。在同步电机启动前和/或启动时，可将开关12闭合并为电容器10预充电，从而使其对应期望的中性点。接着，开关13再度断开并且在同步电机1剩下的运行时间内也保持断开。

因此，借助所述起动单元可将中性点的被动模拟至少在最初时设置为初始值。通过为电容器预充电，可以避免启动困难或者至少缩短不平稳启动时间。

如图3所示，也可以通过进线14直接在中性点3上检测EMK，这样就省去了电容器10和启动单元11。

附图标记

1 同步电机

2 电压供应装置

3 中性点

4 定子绕组

5 馈线

6 开关

7 箝位电路

8 电阻

9 开关

10 电容器

11 启动单元

12 开关

13 高阻值电阻

14 中性点进线

a 断开的开关状态/未接触

S 开关/接触状态

T1 时间间隔

T2 总时长

T3 时间间隔

z 闭合的开关状态/接触状态

Claims (8)

1.一种用于手持式牙科器械的同步电机(1)的控制电路，所述控制电路具有电压供应装置(2)，其特征在于，所述控制单元具有通过开关(6)而连接的箝位电路(7)。

2.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述箝位电路(7)被箝位在所述控制电路的中性点(3)或模拟中性点上。

3.如权利要求1或2所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路具有电容器(10)，所述电容器模拟所述中性点(3)。

4.如权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路具有起动单元(11)，所述起动单元可通过开关(12)连接至所述电容器(10)。

5.一种测定同步电机(1)的转子的旋转位置以对所述同步电机(1)进行转速控制的方法，其特征在于，

-在所述同步电机运行期间在一总时长(T2)内切断所述同步电机(1)的电流供应，

-在一时间间隔(T1)内将箝位电路(7)耦接至所述同步电机(1)的中性点(3)，

-在所述时间间隔(T1)之后测量感应电动势(EMK)，并且

-根据所述EMK测定所述旋转位置。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，高阻测量所述EMK。

7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，通过电容器(10)模拟所述中性点(3)，并且在接通电流供应以运行所述同步电机(1)之前，将所述电容器(10)充电至期望值。

8.如权利要求5至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述转子每转一圈，反复测量所述EMK。