CN1069001C - 用于补偿转矩下降的电换向直流电动机的电动机控制器 - Google Patents

用于补偿转矩下降的电换向直流电动机的电动机控制器 Download PDF

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Abstract

在电换向的DC电动机的情况下，一个附加电流和/或一个附加电压在换向瞬间被传送至在该时刻运行的电动机绕组，用以防止转矩下降。为了在不同的电动机负载下补偿转矩下降，附加电流和/或电压的持续时间和/或振幅由实际的电动机负载来确定。

Description

用于补偿转矩下降的电换向直流电动机的电动机控制器
本发明涉及一种电动机控制器，它具有连接至电动机的绕组的电换向系统，从换向瞬间开始，一个预定的附加电流被连接至在该时刻运行的电动机的那一线圈上，以防止转矩的下降。
US-4,511,827披露了一种控制器，它驱动一个电换向电动机而使得转矩波动被抑制。该设备在这种情况中包括一个传感器，用于确定转子的位置，换句话说即换向瞬间，以及一个控制器处理该信号，这样从换向瞬间起相应的线圈供给有附加电流，以防止转矩下降。
然而，已发现在已知的解决方案的情况下，提供一个预定电流给线圈仅仅在特定电动机电流范围内补偿转矩的下降。然而，例如，在一个视频录象机中，已知方法不能提供令人满意的结果，因为在一种操作模式中(例如播放或慢放)，电流可能非常不同，因为在例如不同的温度或磁带盒的情况下具有不同的机械负载。
本发明的目的是提供一种电动机控制器，即使在不同的电动机负载情况下也能避免转矩下降。通过本发明的下述技术方案能达到该目的：一种电换向直流电动机的电动机控制器，具有一补偿电路，用于在换向瞬间向电动机绕组提供附加电流和/或电压，以防止转矩下降，所述补偿电路的输入端接收一表示根据相应的电动机负载对电动机进行控制的一数字电动机控制信号CPWM，其输出端输出一经补偿的电动机控制信号PWM，该PWM信号包括一用于向电动机绕组提供附加电流和/或电压的信号，所述电动机负载被所述数字电动机控制信号CPWM所驱动，取决于该信号CPWM的占空比；该补偿电路包括：积分器，用于输出电动机控制信号PWM的OR门电路，比较器，和触发器；所述触发器接收一换向信号I，输出一用以向电动机绕组提供所述附加电流和/或电压的信号，该输出信号与该数字电动机控制信号CPWM共同送入所述OR门电路，从而该OR门电路输出一电动机控制信号PWM；所述积分器接收该数字电动机控制信号CPWM，并输出一与所述换向信号I相联系的控制信号S，所述比较器接收该控制信号S，并将该控制信号S与一参考电压Uref相比较，当该控制信号S与该参考电压Uref一致时该比较器输出一偏置信号至所述触发器，该触发器输出一倒相信号送至所述OR门电路，从而完成对电动机控制信号PWM的补偿。
根据本发明，在电换向DC电动机的电动机控制器的情况中，一个附加电流被连接到运行中的线圈上，从换向瞬间开始，为了防止转矩下降，附加电流脉冲的持续期间和/或振幅作为电动机负载的函数来确定。换句话说附加电流脉中的持续时间和/或振幅为可变的并根据电动机上的负载所确定，不言而喻，附加电流脉冲越长(越大)，电动机负载越高。
这有益地导致转矩下降被自动地并最适当地得到补偿，而不考虑电动机间的生成物扩散，温度范围及老化程度。
按照本发明的电动机控制器通常使用控制脉中的所谓脉宽调制(CPWM或PWM)方法控制电动机。电动机控制器的PWM信号在附加电流持续时间内被保持在“1”。开始施加附加电流的换向瞬间由一个传感器来确定。
电动机负载是由吸入的电动机电流确定的，可以用例如，测量电阻的方法确定电动机的电流，该电阻连在电动机的电路中，或根据PWM信号的脉冲持续时间与脉冲间歇的比率来确定电动机的电流。
此外，按照本发明的控制器可含有一个积分器，它依照CPWM信号的占空率产生一控制信号(S)。CPWM控制信号的积分的开始也是由换向信号的产生而引起的。
该控制器的优点为有一个触发器，它的Q输出端通过一个“或”门被连至CPWM控制信号，因而在换向信号出现时Q输出端被切换为逻辑“1”，当控制信号与参考电压相等时，触发器的Q输出端重新复位。最好是借助于一个差分放大器来执行参考电压与控制信号的比较。这也会导致CPWM信号的积分的结束。
本发明的优选实施例将在下文中参照附图说明，附图中：
图1示出按照本发明的电动机控制器的补偿部分的电路图。
图2a和2b示出用于控制用途所需的输入和输出信号的时序图，和
图3a和3b示出分别为没有补偿及使用补偿的电换向电动机的波形图。
图1所示的逻辑电路用于电换向电动机在数字化驱动时转矩下降的补偿。数字电动机控制信号CPWM，其中的电动机负载可由占空率得到，被送至补偿电路1的输入端。控制信号S借助于积分器2由该信号CPWM导出。积分器2最好包括3个串联电阻R1、R2和R3，以及两个电容器C1和C2,C1被设置在地(参考地电位)与R1和R2的节点之间，C2被设置在地与R2和R3节点之间，而且在C2上形成控制信号S。用于控制电动机的控制信号CPWM(未示出)被送至一个“或”门3的输入端，因而PWM控制信号出现在“或”门3的输出端并提供到PWM电源级(同样未示出)，以便在各自的电动机绕组或线圈中提供电动机电流。
由积分器2产生的控制信号S被送至一个差分放大器的反相输入端，它被设计为一个比较器4并且其非反相输入端施加有参考电压UREF，该参考电压UREF通过一个由电阻R4、R5组成的分压器来定义。比较器4的输出被送至触发器5的复位输入端，它由一个D触发器形成。触发器5的D输入是可由例如，一个工作电压Ub导出的正电位。电动机驱动器的换向信号I的存在通过时钟输入端激励触发器5，使得逻辑“1”出现在Q输出端。触发器5的Q输出被传送至“或”门3的另一输入端。由于借助于该“或”门电路被连接至Q输出端的CPWM信号，电源级的PWM信号结果保持在逻辑“1”或在“高”电平，所以一个附加电流被提供给电动机的绕组。触发器5的Q输出保持在逻辑“1”直到逻辑“1”出现在比较器4的输出端，因此通过触发器5的复位输入端R该触发器被复位，结果一个逻辑“0”显现在Q输出端或Q输出保持在“低”电平。一个NPN三极管T被连接在比较器4的反相输入端(控制信号S)与触发器5的Q输出端之间，因而它的基极通过一个电阻R6被连至Q输出端。三极管T的发射极处于工作电压Ub的正电位上，通过一个电阻R7被连接至基极，同时三极管T的集电极被连至比较器4的反相输入端。当触发器5的Q输出转换到逻辑“1”时，三极管T被转换为关断状态，同时在触发器5的Q输出端的逻辑“0”打开三极管T，或使其导通。
三极管T因此作为一个电子开关，通过它可将在其上形成控制信号S的电容器C2充电至工作电压的正电位，这根据在触发器5的Q输出端的逻辑信号状态而决定，或当Q输出端被转换至逻辑“0”或“低”电平时，作为通过电阻R1连续提供的CPWM信号的连续积分的结果，可将其放电至电容器C1上得到的电位。电容器C2的放电时间常数在这种情况中主要由电阻R3和电阻R4构成的并联电路所决定，电阻R2与用来放电的电容器C1形成一个串联电路。电容器C2的充电时间常数由通过导通的三极管T发射极与集电极路径的电阻所确定。
图2a和2b示出各种控制信号关于时间的波形。图2a说明了当电动机负载低的情况，图2b说明了当电动机负载高的情况。在图2a中上方的时钟波形表示出电动机控制信号CPWM，占空率相对较低。当换向信号I出现时，触发器5的Q输出端转换至“高”电平，使得三极管T被转换为截止且确定控制信号S的产生开始。这意味着相应于控制信号S的电容器C2上的电压因而降低，直到触发器5通过R输入端被复位。这导致在“或”门3的输出端产生较低时钟波形，也就是说在电流控制信号S的持续时间内“或”门3的输出端是逻辑“1”，在当前情况下它意味着与参考地电位相对应的正电位，而逻辑“0”是例如，参考地电位。
图2b示出与图2a相似的情形，但是对于电动机控制信号CPWM有一个较高的占空率。由于电动机控制信号CPWM的占空率较高，与图2a的情况相比较，电容器C1被充电至一较高的电压。其结果是，使电容器C2放电更慢并且电流控制信号S的波形也持续更长的时间，则“或”门3的输出端保持在逻辑“1”的时间周期明显地更长。
图3a示出未按照本发明补偿转矩下降的电动机绕组之一中的电流波形。上面部分图解了换向瞬间状态。下面部分显示一个电流波形的时间函数。可以清楚地看出在换向瞬间电流波形中出现下降并因此也在电动机的转矩波形中产生下降。
与其相反，图3b示出了为了防止转矩下降已使用了电流和/或电压补偿的电动机绕组之一中的电流波形。该电流波形以及由此使得电动机的转矩波形在换向瞬间近似为常数。

Claims (10)

1、一种电换向直流电动机的电动机控制器，具有一补偿电路，用于在换向瞬间向电动机绕组提供附加电流和/或电压，以防止转矩下降，其特征在于：
所述补偿电路(1)的输入端接收一表示根据相应的电动机负载对电动机进行控制的一数字电动机控制信号CPWM，其输出端输出一经补偿的电动机控制信号PWM，该PWM信号包括一用于向电动机绕组提供附加电流和/或电压的信号，所述电动机负载被所述数字电动机控制信号CPWM所驱动，取决于该信号CPWM的占空比；
该补偿电路(1)包括：积分器(2)，用于输出电动机控制信号PWM的OR门电路(3)，比较器(4)，和触发器(5)；
所述触发器(5)接收一换向信号I，输出一用以向电动机绕组提供所述附加电流和/或电压的信号，该输出信号与该数字电动机控制信号CPWM共同送入所述OR门电路(3)，从而该OR门电路(3)输出一电动机控制信号PWM；所述积分器(2)接收该数字电动机控制信号CPWM，并输出一与所述换向信号I相联系的控制信号S，所述比较器(4)接收该控制信号S，并将该控制信号S与一参考电压Uref相比较，当该控制信号S与该参考电压Uref一致时该比较器(4)输出一偏置信号至所述触发器(5)，该触发器(5)输出一倒相信号送至所述OR门电路(3)，从而完成对电动机控制信号PWM的补偿。
2．按照权利要求1所述的电动机控制器，其特征在于所述换向信号I来自一传感器。
3、按照权利要求1或2所述的电动机控制器，其特征在于所述积分器(2)根据所述数字电动机控制信号CPWM的占空比产生一控制信号S。
4、按照前述权利要求1或2所述的电动机控制器，其特征在于所述比较器(4)是一差分放大器。
5、按照前述权利要求3所述的电动机控制器，其特征在于所述比较器(4)是一差分放大器。
6、按照权利要求1,2或5所述的电动机控制器，其特征在于所述电动机负载由所得出的电动机电流所确定。
7、按照权利要求3所述的电动机控制器，其特征在于所述电动机负载由所得出的电动机电流所确定。
8、按照权利要求4所述的电动机控制器，其特征在于所述电动机负载由所得出的电动机电流所确定。
9、按照权利要求6所述的电动机控制器，其特征在于电动机的电流由电动机电路中的测量电阻所确定。
10、按照权利要求7或8所述的电动机控制器，其特征在于电动机的电流由电动机电路中的测量电阻所确定。
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