CN1097338C - 无刷直流电动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有换向电路(5)的无刷直流电动机(1)，所述换向电路用于相电流的换向，以便在直流电动机(1)的给定运行模式下产生给定的换向角。为了保证电动机在所有运行模式下都能达到令人满意的性能，换向电路(5)以充分高于电动机运行频率的切换频率在产生不同换向角(-160°，-220°)的多种模式之间进行切换。本发明尤其适用于在食品加工机这样的家庭用具中使用的无刷直流电动机。

Description

无刷直流电动机
本发明涉及具有换向电路的无刷直流电动机，所述换向电路用于相电流的换向，以便在直流电动机的给定运行模式下产生给定的换向角。
这种类型的电动机例如用于食品加工机这样的家庭用具中。
EP0762625A1公开了一种无刷直流电动机，其中平滑的直流电源电压被加给包含三个半桥的换向电路，每个半桥带有两个开关元件。换向电路为星形连接的电动机定子三相绕组提供相电压。包括控制和调节元件的模块为换向电路提供换向信号，该信号定义了换向电路开关元件的开关状态。为此目的，模块对检测信号进行处理，所述检测信号响应于直流电动机旋转位置且由位置检测器提供。位置检测器设置在转子附近，例如采用霍尔传感器的形式。相电压的波形和幅值通过脉宽调制(PWM)来调整。脉宽调制通过换向电路的开关元件的快速切换来实现，脉宽调制的频率基本高于换向频率。
在无刷直流电动机中，例如由于成本原因，不能任意调整换向角而只有有限数量的换向角可以使用，这就存在着不能保证电动机在所有运行条件下都能令人满意地运行的问题。
根据本发明，上述问题得到了解决，产生不同换向角的多种模式之间的换向电路的切换以高于电动机运行频率的切换频率来实现。
模式之间的快速切换导致位于不用快速切换的有效换向角之间的合成换向角。因此，在基本不改变必要的直流电动机基本结构的情况下增加了有效换向角的数量。合成换向角也可以在不使用本发明的情况下从有效的换向角获得。但有必要为快速切换的控制/调节提供控制电路。在此，电动机的运行频率定义为相电流的基本频率。
换向电路在第一模式和第二模式之间的切换最好以充分高于电动机运行频率的切换频率来实现，其中，在第一模式下产生第一换向角，在第二模式下产生第二换向角。在没有本发明的情况下，当将产生的合成换向角居于也有效的两个换向角之间的中心时，这种仅两个换向角之间的切换是足够的，甚至当分配给第一模式的时间间隔等于分配给第二模式的时间间隔时。
在本发明的实施例中，设有控制模式之间切换过程的控制电路。这样，就能以低成本且简单的方式实现控制。尤其是，模式切换频率由用于及时控制相电压幅度的随时变化的脉宽调制的频率导出。相当于模式切换频率的理想频率的控制信号可以很容易地通过分频或倍频从脉宽调制频率导出，这是经常使用的方式。
本发明可以用于修改换向角，尤其用于直流电动机的制动。
本发明也涉及以上述方式切换换向电路的控制电路。
通过举例的方式，参考附图详细描述了本发明的一个实施例。在附图中：
图1示出了根据本发明所述的直流电动机的基本结构，以及
图2示出了控制直流电动机换向电路的控制电路。
图1中，例如230V、50Hz的电源电压UN应用于无刷直流电动机1的两个输入端2和3。电源电压UN应用于电源整流器4。电源整流器4为平滑电容器Cg提供直流供电电压，因此在该电容器两端出现平滑后的直流供电电压Ug。电压Ug应用于换向电路5，换向电路5包括三个半桥，每个半桥具有两个开关元件。第一半桥包括开关元件S1和S2，第二半桥包括开关元件S3和S4，第三半桥包括开关元件S5和S6。换向电路5为星形连接的电动机定子三相绕组提供所需的相电压。相绕组的星形连接仅是电动机型式的一个例子，对本发明来说不是必须的。第一相绕组包括有效电阻Ra，1和电感La，1。在该绕组中感应出电压UI，1。第二相绕组包括有效电阻Ra，2和电感La，2。在该绕组中感应出电压UI，2。最后，第三相绕组包括有效电阻Ra，3和电感La，3。在该绕组中感应出电压UI，3。第一相绕组连接到开关元件S1和S2之间的节点，第二相绕组连接到开关元件S3和S4之间的节点，第三相绕组连接到开关元件S5和S6之间的节点。
直流电动机1包括永磁转子6，永磁转子6的旋转位置通过三个位置检测器7来检测。图1仅示出了其中一个位置检测器7。在该特定例子中，位置检测器采用霍尔传感器的形式。它们为控制电路8提供位置信号，所述控制电路接收电压Ug并且控制换向电路5的开关元件S1至S6的开关状态。通过换向电路5进行控制的细节参考背景技术部分所提到的EP0762625A1。
图2示出了图1所提及的控制单元8的电路细节。它包括同步单元9和处理单元10。处理单元10接收和处理位置检测器7产生的数字检测信号HS1，HS2和HS3。在其三个输出端，三个数字控制信号BS1，BS2和BS3是有效的，通过这三个控制信号来控制换向电路5的开关元件S1至S6的开关状态。在直流电动机的正常运行中，即当直流电动机完成其驱动电气设备的功能时，检测信号HS1，HS2和HS3没有任何变化地传送到处理单元10的控制输出，在控制输出处作为控制信号BS1，BS2和BS3。位置检测器7的布置方式是使得在该运行条件下获得给定的有利换向角。在本例中，例如用于该运行条件的换向角为-40°。同步单元9在直流电动机的制动模式下通过处理单元10对处理起作用。在该模式下，同步单元9在其输入11接收制动信号，在本例中是以数字“1”的形式。同步单元9在制动运行期间设置给定的有利换向角，在本例中，换向角为-190°。
以下详细描述用于制动模式的理想换向角的产生。为此，实际上，在本例直流电动机1中，仅能通过改变检测信号HS1，HS2和HS3到控制信号BS1，BS2和BS3的分配来改变换向角。前面提到的-40°换向角是在检测信号HS1用作控制信号BS1、检测信号HS2用作控制信号BS2、检测信号HS3用作控制信号BS3时设置的。通过循环改变该分配或者检测信号反转，就能通过控制单元8来改变主要的换向角。由于控制信号和检测信号相互之间分配的这种循环变化，那么，如果检测信号HS2用作控制信号BS1、检测信号HS3用作控制信号BS2、检测信号HS1用作控制信号BS3，就能得到-160°的换向角。如果反转的检测信号HS1用作控制信号BS1、反转的检测信号HS2用作控制信号BS2、反转的检测信号HS3用作控制信号BS3，则由于180°的相位移而得到-220°的换向角。
同步单元9包括用作分频器的边沿触发的D触发器。也用于受换向电路5影响的脉宽调制的时钟信号13应用于所述触发器的时钟输入C。脉宽调制用于对直流电动机的相电压或相电流的波形进行整形。控制单元8也通过适当调制应用于开关元件S1至S6的的控制信号来控制脉宽调制。触发器12的Q输出端的数字信号通过2分频脉宽调制信号13导出，从而具有相同时钟频率。它被应用于具有连接到端子11的第二输入的AND控制极14并且在该第二输入接收数字制动信号。在直流电动机1的制动模式下，数字“1”应用于端子11，否则是数字“0”。AND控制极14的输出连接到NAND电路15的输入，NAND电路15输出连接AND电路16的输入。AND电路16的第二输入连接接收制动信号的端子11。同步单元9还包括NOT电路，NOT电路的输入接收AND电路16的的输出信号。
处理单元10包括EXOR电路18、19和20，它们每一个都有连接AND电路14输出信号的输入端。检测信号HS1应用于EXOR电路18的第二输入端，检测信号HS2应用于EXOR电路19的第二输入端，检测信号HS3应用于EXOR电路20的第二输入端。处理单元10包括三个AND电路21、22和23，它们每一个都有连接NOT电路17输出信号的输入端。AND电路21还具有连接EXOR电路18的另一输入端。AND电路22还具有连接EXOR电路19的另一输入端。AND电路23还具有连接EXOR电路20的另一输入端。
处理单元10还包括三个OR电路24、25和26。OR电路24具有连接AND电路21的输出的输入端。OR电路24的另一输入端连接到AND电路27的输出，AND电路27的一个输入端接收检测信号HS2，另一输入接收AND电路16的输出信号。OR电路25的第一输入端连接AND电路22的输出，OR电路25的第二输入端连接AND电路28的输出，AND电路28的一个输入端接收检测信号HS3，另一输入端接收AND电路16的输出信号。AND电路23的输出信号应用于OR电路26的第一输入端，AND电路29的输出信号应用于该OR电路的第二输入端。检测信号HS1应用于AND电路29的一个输入端，AND电路16的输出信号应用于AND电路29的另一输入端。OR电路24在其输出端提供控制信号BS1，OR电路25在其输出端提供控制信号BS2，OR电路26在其输出端提供控制信号BS3。
在处于直流电动机制动模式的情况下，在触发器12的Q输出端出现数字“1”，数字“1”也出现在AND电路14的输出端。同时，AND电路16在其输出端产生数字“0”。在这种情况下，反转的检测信号HS1作为控制信号BS1应用于换向电路5，反转的检测信号HS2作为控制信号BS2应用于换向电路5，反转的检测信号HS3作为控制信号BS3应用于换向电路5。这对应于-120°的换向角。
在处于直流电动机1制动模式的情况下，数字“0”出现在触发器12的Q输出端，数字“1”将出现在AND电路16的输出端以及数字“0”出现在AND电路14的输出端。结果，检测信号HS2被用作控制信号BS1，检测信号HS3被用作控制信号BS2，检测信号HS1被用作控制信号BS3。这对应于-160°的换向角。
在设置-220°换向角模式和设置-160°换向角模式之间的切换随着出现在触发器12的Q输出端的适当信号频率而起作用。这种切换频率高于电动机1的运行频率。电动机运行频率相当于相电压或相电流的基波频率。相电压或相电流的频率例如位于从10Hz到1kHz的范围内，在本例中，-220°换向角模式和-160°换向角模式之间的切换频率位于5kHz和10kHz之间。由于具有相同占空比的两种模式之间的切换速度大于电动机运行频率，因此在所述例子中得到-190°的合成换向角。
由于同步单元9和处理单元10采用数字电路的形式，而且-220°换向角模式和-160°换向角模式之间的切换过程通过数字电路来控制，因此本发明实施起来特别简单。本发明不限于应用于直流电动机1的制动模式。它可以按照人们的意愿用于具有给定换向角的任何直流电动机运行模式。本发明不限于两种模式之间以至两个换向角之间的切换。为了得到其它合成的换向角，将所公开的方法扩展到在两种以上模式之间以至两个以上换向角之间进行切换是很容易的。在此所提到的另一变形是不同模式之间的切换一律不受影响，只是在不同的模式中使用不同长度的时间间隔以至不同的占空比，以便扩展产生合成换向角的范围。

Claims (6)

1、无刷直流电动机(1)，具有换向电路(5)，所述换向电路用于相电流的换向，以便在直流电动机(1)的给定运行模式下产生给定的换向角，其特征在于，换向电路(5)以高于电动机运行频率的切换频率在产生不同换向角(-160°，-220°)的多种模式之间进行切换。
2、根据权利要求1所述的直流电动机，其特征在于，换向电路在第一模式和第二模式之间的切换以高于电动机运行频率的切换频率来实现，其中，在第一模式下产生第一换向角(-160°)，在第二模式下产生第二换向角(-220°)。
3、根据权利要求1或2所述的直流电动机，其特征在于，设有控制模式之间切换过程的控制电路(9，10)。
4、根据权利要求3所述的直流电动机，其特征在于，通过控制电路(9，10)，模式切换频率由用于控制相电压幅度的随时变化的脉宽调制的频率导出。
5、根据权利要求1-4中任一项所述的直流电动机，其特征在于，实现模式之间的切换以产生直流电动机制动模式下的给定换向角(-190°)。
6、一种控制直流电动机换向电路切换过程的控制电路，所述直流电动机(1)，具有换向电路(5)，所述换向电路用于相电流的换向，以便在直流电动机(1)的给定运行模式下产生给定的换向角，其特征在于，换向电路(5)以高于电动机运行频率的切换频率在产生不同换向角(-160 °，-220°)的多种模式之间进行切换。
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