CN116982251A - 用于为负载提供电压的方法以及用于执行方法的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于为负载提供电压的方法以及一种用于执行该方法的设备，所述负载尤其是——尤其是电机的——可电磁致动的制动器的电感和/或线圈，其中，尤其是在时间上重复地，从交流电压的第一相位角开始以脉宽调制的方式并且从第二相位角开始以不调制、尤其是和/或不控制和/或直接的方式，为负载提供——尤其是单相的——交流电压的正的半波。

Description

用于为负载提供电压的方法以及用于执行方法的设备

技术领域

本发明涉及一种用于为负载提供电压的方法以及一种用于执行该方法的设备。

背景技术

普遍已知的是，在借助于晶闸管进行相位截止控制/相位角控制时，电压被突然接入。

发明内容

因此本发明的目的是，以低排放的方式运行电机的可电磁致动的制动器。

根据本发明，该目的通过根据权利要求1中给出的特征所述的方法以及通过根据权利要求13中给出的特征所述的设备来实现。

在方法中，本发明的重要特征是，该方法被设置用于为负载提供电压，尤其是为——尤其是电机的——可电磁致动的制动器的线圈和/或电感提供电压，

其中，尤其是在时间上反复地，从交流电压的第一相位角开始脉宽调制地并且从第二相位角开始不调制地、尤其是和/或不控制地和/或直接地，为负载提供——尤其是单相的——交流电压的正的半波。

在此优点是，电压在第二相位角时不是突然变大，而是借助于先前的脉宽调制平滑升高，尤其即连续可微地升高。由此，可降低噪声排放以及也可降低EMV排放。

在一种有利的设计方案中，在第一相位角和第二相位角之间，如此控制作为时间的函数的、或者尤其是作为相位角的函数的脉宽调制比，使得为负载提供从零开始升高的电压曲线、尤其是从零开始升高且在脉宽调制周期上利用移动平均法求平均的电压曲线。在此优点是，可根据一曲线控制电压升高。因此，可实现光滑的变化过程。

在一种有利的设计方案中，在第一相位角时，所述曲线的一阶时间导数为零。在此优点是，电压以连续可微的方式从零开始升高。

在一种有利的设计方案中，在第二相位角时，所述曲线的一阶时间导数是连续的。在此优点是，能实现被脉宽调制的电压的光滑连接。更准确地说，在电压被脉宽调制的情况下，在脉宽调制周期上求得的电压平均值、尤其是电压的移动平均值是光滑的，即连续可微地过渡到在该相位角之后出现的电压中，就像在第一相位角时从零开始光滑升高那样。以这种方式，可避免噪声排放。

在一种有利的设计方案中，所述曲线是光滑的，尤其是连续可微的。在此优点是，可降低噪声排放，并且当考察在脉宽调制周期上求平均的电压曲线时，可实现光滑的电压曲线。

在一种有利的设计方案中，所述曲线具有回旋线部段和/或正弦部段。在此优点是，当考察在脉宽调制周期上求平均的电压曲线时，可实现光滑的电压曲线。

在一种有利的设计方案中，所述曲线具有S形曲线。在此优点是，当考察在脉宽调制周期上求平均的电压曲线时，可实现光滑的电压曲线。

在一种有利的设计方案中，将单相的交流电压的正的半波供应给两个半桥的并联电路，这两个半桥各自具有由两个可控的半导体开关组成的串联电路，半导体开关的驱控信号由信号电子器件产生，

其中，从相应的半桥的两个节点为负载提供电压，节点尤其即为两个半导体开关之间的连接部位，

或者

将单相的交流电压的正的半波供应给两个半桥的并联电路，这两个半桥各自具有由可控的半导体开关和二极管组成的串联电路，

其中，用于这两个可控的半导体开关的驱控信号由信号电子器件产生，

其中，从相应的半桥的两个节点为负载提供电压，节点尤其即为相应二极管与相应半导体开关之间的连接部位。

在此优点是，负载、尤其是线圈获得在并联电路的两个半桥的节点之间提供的电压。在其交流电压侧的连接端子处，设置有交流电压，该交流电压给逆变器馈电。直流电压侧的连接端子为负载提供单极性电压。在此，尤其是为交流电压的相应的正的半波实现相位截止控制，但仅仅使该交流电压如此程度地通过，使得可实现理论电压。为此，将第二相位角设定为在0°与180°之间的值。

在具有两个可控的、串联布置的半导体的有利的设计方案中，在交流电压或所属的电流过零点时，如此驱控半导体开关，使得尤其是所有的半导体开关都断开，或者使两个串联电路的仅仅两个高边的半导体开关断开而使两个串联电路的两个低边的半导体开关闭合。在此优点是，从过零点开始，不再有电压提供给负载。

在一种有利的设计方案中，检测被供应给负载的电流的实际值，尤其是以在交流电压的周期上求平均的方式检测被供应给负载的电流的实际值，并且如此调整第二相位角，使得将实际值朝向电流的理论值调节，

尤其是其中，在交流电压的每个周期中，为第二相位角分配仅一个唯一的值。在此优点是，仅仅以脉宽调制的节拍改变该值，并因此可避免高频的过度管制。此外，通过这种与低通滤波相似的性能，避免了形成高频的振荡。

在一种有利的设计方案中，在交流电压的相应的周期中，尤其是根据交流电压的相应的周期的第二相位角，如此确定第一相位角，使得第一相位角与第二相位角具有预设的、尤其是恒定的角距离，

尤其是其中，该角距离为10°与45°之间，尤其是30°与40°之间，

尤其是从而在第二相位角改变时必须适配/调整所述曲线。在此优点是，提供对于光滑的曲线足够长的时间跨度。

在一种有利的设计方案中，脉宽调制频率为5kHz与100kHz之间，尤其是在不可被听到的范围内，和/或在15kHz与30kHz之间。在此优点是，几乎不出现可听到的噪声排放。

在一种有利的设计方案中，检测交流电压，尤其是以在交流电压的周期上求平均的方式检测交流电压，并且为了释放制动器而如此控制第二相位角，使得为线圈提供在线圈处出现的理论电压。在此优点是，可控制在线圈处出现的电压。

在一种有利的设计方案中，检测在线圈处出现的电压，尤其是以在交流电压的周期上求平均的方式检测在线圈处出现的电压，并且为了释放制动器而如此调整第二相位角，使得将检测到的电压朝向理论电压值调节。在此优点是，可调节在线圈处出现的电压。

在一种有利的设计方案中，为了使制动器接合，不给线圈提供电压，尤其即将线圈短路，或者在一段时间上施加反电压，随后于是不再有电压提供给线圈。在此优点是，可实现快速的线圈去激励/去励磁。但为此需要两个半桥的并联电路，这两个半桥各自具有由两个可控的半导体开关组成的串联电路，以便可产生反电压。

在一种有利的设计方案中，检测被供应给负载的电流的实际值，尤其是以在交流电压的周期上求平均的方式检测被供应给负载的电流的实际值，并且检测在线圈处出现的电压，尤其是以在交流电压的周期上求平均的方式检测在线圈处出现的电压，其中，从检测到的电流的实际值和检测到的、在线圈处出现的电压中确定功率，在使用制动器的热模型的情况下，从该功率的时间曲线中确定制动器的温度、尤其是线圈的温度或制动器的容纳线圈的磁体的温度，

尤其是其中，一调节器、尤其是所述调节器使用至少一个与该温度相关的参数、尤其是线圈的欧姆电阻。在此优点是，电流检测不仅用于电流调节器，而且用于确定温度，一方面可监控该温度是否超过阈值并因此可给出警报，而且另一方面，与温度相关的调节器参数可跟踪热变化并且由此可实现更好的调节。

在用于执行上述方法的设备方面，重要的特征是，设备具有整流器，尤其是半波整流器/单路整流器，整流器的交流电压侧的连接端子馈给尤其是单相的交流电压，

其中

-整流器的直流电压侧的连接端子为设备的两个半桥的并联电路馈电，这两个半桥各自具有由两个可控的半导体开关组成的串联电路，半导体开关的驱控信号由设备的信号电子器件产生，

其中，为负载提供在相应的半桥的两个节点之间出现的电压，节点尤其即为相应半桥的两个半导体开关之间的连接部位，

或者其中

-整流器的直流电压侧的连接端子为设备的两个半桥的并联电路馈电，其中，半桥中的第一半桥具有由第一可控半导体开关和第一二极管组成的串联电路，并且半桥中的第二半桥具有由第二可控半导体开关和第二二极管组成的串联电路，

其中，设备的信号电子器件产生用于第一半导体开关的驱控信号和用于第二半导体开关的驱控信号，

其中，为负载提供在相应的半桥的两个节点之间出现的电压，节点尤其即为相应半桥的相应二极管与相应半导体开关之间的连接部位，

尤其是其中，第一可控半导体开关与整流器的直流电压侧的连接端子的高电势相连接，并且第二可控半导体开关与整流器的直流电压侧的连接端子的低电势相连接。

在此优点是，在使用各自具有两个半导体开关的串联电路的两个半桥时，可产生用于使线圈快速去激励、即用于使制动器接合的反电压。

在一种有利的设计方案中，整流器的直流电压侧的连接端子与电容器和可变电阻并联。在此优点是，电容器用作非极性电容器，并且因此用作滤波元件。而可变电阻能实现线圈的快速去激励和进而制动器的快速接合。

在一种有利的设计方案中，负载是——尤其是电机的——可电磁致动的制动器的线圈。在此优点是，在线圈被通电时，可抵抗由弹簧元件产生的力使衔铁盘轴向远离制动块支架，并因此可实现释放制动块支架。

在一种有利的设计方案中，信号电子器件被合适地实施成以脉宽调制的方式形成驱控信号。在此优点是，可根据曲线控制电压。

从从属权利要求中得到其它优点。本发明并不局限于权利要求的特征组合。对于本领域技术人员来说，尤其是从目的提出和/或通过与现有技术比较而提出的目的中，得出权利要求和/或单个权利要求特征和/或说明书特征和/或附图特征的其它合理的组合方案。

附图说明

现在根据示意图详细解释本发明：

图1示出了用于控制用于供应给负载的电压的第一方法，该负载尤其是电机的或用于电机的可电磁致动的制动器的线圈，其中，在相位截止控制2的开始时刻之前进行脉宽调制2。

在图2中，不同于图1的脉宽调制1，使电压连续地提高。

图3示出了电压的脉冲包控制。

图4示出了脉宽调制的脉冲包控制。

图5示出了具有相位截止角/相位角(Phasenanschnittwinkel)的脉冲包控制。

图6示出了用于执行该方法的布置方案。

具体实施方式

如在图1中示出的那样，与相位截止控制不同地，电压U不是在某一时刻立即接入，而是首先进行脉宽调制并且然后完全接入。

优选地，将单向的交流电压的正的半波供应给两个半桥的并联电路，每个半桥分别具有由两个可控半导体开关组成的串联电路，半导体开关的驱控信号由信号电子器件产生。从半桥的两个节点、尤其即从相应半桥的两个半导体开关的连接部位，将电压提供给负载。

随着电网周期，周期性重复地从交流电压的第一相位角开始以脉宽调制的方式运行可控半导体开关。在此，如此控制作为时间的函数的脉宽调制比，使得为负载提供从零开始升高的电压曲线。

在一段时间之后，尤其即在达到交流电压的相位角(尤其即第二相位角)的第二值时，结束脉宽调制，并且利用恒定的电压信号驱控半导体开关，从而使跟随正的半波的电压曲线基本上直接提供给负载。

在电压通过零点时，如此驱控半导体开关，使得尤其是所有半导体开关都断开，或者仅仅使两个串联电路的两个高边半导体开关断开而使两个串联电路的两个低边半导体开关闭合。由此，用于供应给负载的电压保持在零值/消失的值，尤其是为零，直至交流电压的下一个正的半波达到第一值。

以这种方式可避免电压在相位角的第一值时非连续地升高，而是电压根据尽可能连续且可微的、尤其是光滑的电压曲线上升，直至达到在相位角的第二值处存在的电压。

在此，根据S形曲线伸延的电压曲线是特别优选的，从而电压曲线的一阶时间导数在第一值时为零，并且在第二值时也尽可能为零。优选地，曲率是作为时间的函数的电压曲线的长度的线性函数。由此，电压曲线优选地是回旋线部段。

在任何情况下，当电压曲线的二阶、尤其是以及三阶时间导数始终小于阈值时，电压曲线特别光滑。

优选地，作为可控半导体开关，使用IGBT或MOSFET。

线圈被容纳在与电机的壳体相连接的磁体中。在此，电机的转子轴借助于被容纳在壳体中的轴承可转动地被支承。带动件与转子轴以不能相对转动的方式相连接，尤其是套装在转子轴上，其中，带动件具有外齿部，该外齿部与制动块支架的内齿部啮合，由此制动块支架与带动件以不能相对转动但可轴向移动的方式相连接。在线圈被通电时，与磁体以不能相对转动的方式相连接、但可轴向移动的、由铁磁性材料制成的衔铁盘抵抗由支撑在磁体处的弹簧元件产生的弹簧力被朝向磁体吸引。在线圈未通电时，弹簧元件将衔铁盘压到制动块支架上，制动块支架由此被压到构造在壳体处的、尤其是构造在壳体的轴承盖处的制动面上，用以产生用于转子轴的制动力矩。尤其是，被供以单极性电压的线圈用作该制动器的电磁致动器。

根据本发明，可降低噪声排放、切换损失和EMV排放。因为光滑的、即连续可微的电压曲线具有更小的谐波振荡。

在根据本发明的其它实施例中，使用作为时间的函数的正弦电压曲线，其中，在第一值时，电压曲线的时间导数为零，即，设置正弦函数的局部最小值、尤其是最低点，而在第二值时，电压曲线的时间导数连续地过渡为跟随正的半波的电压曲线的时间导数。

但如在图2中示出的那样，也可通过以下方式避免电压曲线的非连续的突变，即，将负载、尤其即制动器的线圈与可控半导体开关、尤其是MOSFET串联，并且由整流器、尤其是半波整流器给该串联电路供电。于是，由此通过连续地提高可控半导体开关的控制电压，可实现连续地降低可控半导体开关的传导电阻，由此使可供负载使用的电压连续增大。

如在图3中示出的那样，通过使用可控的整流器、尤其是半波整流器，也可为负载提供少于所有的正的半波。由此，与使用未控制的半波整流的情况相比，在多个电网周期上平均为负载提供的电压更小。

但如在图4中示出的那样，可利用针对图1阐述的具有半桥的布置方案，在交流电压的相应选出的正的半波期间执行脉宽调制的运行。由此，可为负载提供光滑的电压曲线、尤其是仅提供低于阈值的电压曲线。例如，在正的半波中的一个正的半波期间，可为负载提供正弦电压曲线，该正弦电压曲线在正的半波开始时具有最低点并且在正的半波结束时同样具有最低点，其中，在相应的最低点处，在负载上出现的电压为零。但备选地，也可实现具有回旋线部段的电压曲线。由此，电压曲线又是光滑的。

如在图5中示出的那样，根据这种实施例，也不是传导交流电压的每个正的半波，并且此外借助于相位截止控制仅仅传导一部分正的半波。

在图6中示出的实施例中，用于执行上述方法的布置方案具有由两个串联电路的并联电路构成的桥式整流器。在此，作为串联电路中的第一串联电路，二极管D3和二极管D4串联，而作为串联电路中的第二串联电路，二极管D5和二极管D6串联。

用于滤波的电容器C与该并联电路并联。优选地，电容器不实施成极性电容器，例如实施成薄膜电容器。

电容器C与可变电阻V并联，该可变电阻在线圈L去激励时被设置。

该并联电路与另一并联电路并联，该另一并联电路由两个半桥组成，其中，半桥中的第一半桥由可控半导体开关T1和二极管D1的串联电路组成，可控半导体开关T1与所述桥式整流器的直流电压侧的连接端子的高电势相连接。

半桥中的第二半桥由可控半导体开关T2和二极管D2的串联电路组成，可控半导体开关T2与所述桥式整流器的直流电压侧的连接端子的低电势相连接。

优选地，这两个可控半导体开关(T1、T2)分别与续流二极管并联。

从两个半桥的节点为线圈L提供电压。

通过同步地以脉宽调制的方式驱控两个可控半导体开关T1和T2，为线圈L提供与脉宽调制比相应的、与在桥式整流器的直流电压侧的连接端子处的电压相关的电压。

为了对线圈去激励，将低边的可控半导体开关T2置于导通的状态中，并且使高边的可控半导体开关T1断开。于是，线圈电流因此自由地流过半导体开关T2和二极管D1。

为了对线圈L快速去激励，使两个半导体开关T1和T2闭合，从而线圈电流流过可变电阻V，并且可变电阻将线圈L的能量转换成热。以这种方式，可实现特别快速的去激励，即特别快速地使制动器接合。因为在由线圈产生的磁场消失之后，弹簧元件将衔铁盘压到制动块支架上，由此将制动块支架压到制动面上。

借助于在图6中未示出的电流传感器，检测流过线圈L的电流。这样检测到的电流值一方面作为实际值供应给信号电子器件的调节器，该调节器如此调整第二相位角，使得将实际值朝向理论电流值、例如用于制动器的保持电流的理论值调节，该保持电流用于持续地使制动器断开。但是当在制动器处施加电压时，不是强制必须激活该调节器。

此外，检测到的电流值也被用于，并且与在线圈L处出现的且借助于在图6中同样未示出的用于电压检测的传感器检测的电压一起用于，确定线圈的电功率，因为该电功率使线圈发热并且引起与该电功率的时间曲线相关的线圈温度。线圈的欧姆电阻与该温度相关，并且在调节时作为参数被考虑。

为了确定温度，使用热模型，该热模型考虑制动器的磁体、制动器的线圈以及其它重要构件的热容量和传热阻力作为参数。

附图标记列表：

1脉宽调制

2相位截止控制

D1二极管

D2二极管

D3二极管

D4二极管

D5二极管

D6二极管

T1可控半导体开关

T2可控半导体开关

V可变电阻

C电容器

L电感、线圈。

Claims (15)

1.一种用于为负载提供电压的方法，所述负载尤其是——尤其是电机的——可电磁致动的制动器的电感和/或线圈，

其特征在于，

尤其是在时间上重复地，从交流电压的第一相位角开始以脉宽调制的方式并且从第二相位角开始以不调制的、尤其是和/或不控制的和/或直接的方式，为负载提供——尤其是单相的——交流电压的正的半波，所述正的半波尤其是借助于半波整流器产生的正的半波，或者是借助于整流器、尤其是桥式整流器或中点整流器整流的半波。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在第一相位角与第二相位角之间，作为时间的函数、或者尤其是相位角的函数的脉宽调制比被控制成，使得为负载提供从零开始升高的电压曲线、尤其是从零开始升高且在一个脉宽调制周期上进行移动平均的电压曲线。

3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

在第一相位角时，所述曲线的一阶时间导数为零，

和/或

在第二相位角时，所述曲线的一阶时间导数是连续的。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述曲线是光滑的，尤其是连续可微的，

和/或

所述曲线具有回旋线部段和/或正弦部段，

和/或

所述曲线具有S形曲线。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

将单相的交流电压的正的半波供应给两个半桥的并联电路，每个所述半桥分别具有由两个可控的半导体开关组成的串联电路，这些半导体开关的驱控信号由信号电子器件产生，

从半桥的两个节点为负载提供电压，该节点尤其即为相应半桥的两个半导体开关之间的连接部位，

或者

将单相的交流电压的正的半波供应给两个半桥的并联电路，每个所述半桥分别具有由可控的半导体开关和二极管组成的串联电路，

用于这两个可控的半导体开关的驱控信号由信号电子器件产生，

从半桥的两个节点为负载提供电压，该节点尤其即为相应半桥的相应二极管与相应半导体开关之间的连接部位。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在交流电压过零点时，半导体开关被驱控成，使得尤其是所有的半导体开关都断开，或者仅使两个串联电路的其中一个高边半导体开关或者两个高边半导体开关断开，而使两个串联电路的其中一个低边半导体开关或两个低边半导体开关闭合。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

检测被供应给负载的电流的实际值，尤其是以在交流电压的一个周期上求平均的方式进行检测，第二相位角被调整成，使得将实际值朝向电流理论值调节，

尤其是其中，在交流电压的每个周期中，为第二相位角分配仅一个唯一的值。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

在交流电压的相应的周期中，将第一相位角确定为、尤其是根据交流电压的相应周期的第二相位角将第一相位角确定为，使得第一相位角与第二相位角具有预设的、尤其是恒定的角距离，

尤其是其中，所述角距离在20°与45°之间，尤其是在30°与40°之间，

尤其是从而在第二相位角改变时必须适配所述曲线。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，脉宽调制频率在5kHz与100kHz之间，尤其是在不能被听到的范围内，和/或在15kHz与30kHz之间。

10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，检测交流电压，尤其是以在交流电压的一个周期上求平均的方式进行检测，为了释放制动器，第二相位角被控制成，使得为线圈提供在线圈处出现的理论电压。

11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，检测在线圈处出现的电压，尤其是以在交流电压的一个周期上求平均的方式进行检测，为了释放制动器，第二相位角被调整成，使得将检测到的电压朝向理论电压值调节。

12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了使制动器接合，不给线圈提供电压，尤其即对线圈短路，或者在一段时间上施加反电压，随后不再有电压可供线圈使用。

13.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

检测被供应给负载的电流的实际值，尤其是以在交流电压的一个周期上求平均的方式进行检测，以及检测在线圈处出现的电压，尤其是以在交流电压的一个周期上求平均的方式进行检测，其中，从检测到的电流的实际值和检测到的、在线圈处出现的电压确定功率，在使用制动器的热模型的情况下，从所述功率的时间曲线中确定制动器的温度、尤其是线圈的温度或制动器的容纳线圈的磁体的温度，

尤其是其中，一调节器、尤其是所述调节器使用至少一个与所述温度相关的参数、尤其是线圈的欧姆电阻。

14.一种用于执行根据上述权利要求中任一项所述的方法的设备，

所述设备具有整流器、尤其是半波整流器、桥式整流器或中点整流器，整流器的交流电压侧的连接端子馈给交流电压、尤其是单相的交流电压，

其特征在于，

-整流器的直流电压侧的连接端子给所述设备的两个半桥的并联电路馈电，每个所述半桥分别具有由两个可控的半导体开关组成的串联电路，所述半导体开关的驱控信号由所述设备的信号电子器件产生，

为负载提供在半桥的两个节点之间出现的电压，该节点尤其即为相应半桥的两个半导体开关之间的连接部位，

或者

-整流器的直流电压侧的连接端子为所述设备的两个半桥的并联电路馈电，所述半桥中的第一半桥具有由可控的第一半导体开关和第一二极管组成的串联电路，所述半桥中的第二半桥具有由可控的第二半导体开关和第二二极管组成的串联电路，

所述设备的信号电子器件产生用于第一半导体开关的驱控信号和用于第二半导体开关的驱控信号，

为负载提供在半桥的两个节点之间出现的电压，该节点尤其即为相应半桥的相应二极管与相应半导体开关的连接部位，

尤其是其中，可控的第一半导体开关与整流器的直流电压侧的连接端子的高电势相连接，可控的第二半导体开关与整流器的直流电压侧的连接端子的低电势相连接。

15.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，负载是——尤其是电机的——可电磁致动的制动器的线圈，

和/或

信号电子器件被合适地实施成以脉宽调制的方式形成驱控信号。