CN1398042A - 用于制动一个电换向电机的控制方法和电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制动一个电换向电机的控制方法和电路，其中在一个相位周期(T)内涉及至少一个线圈的逆整流器连续地不仅在电机工作方式下，而且也在发电机工作方式下以不等于零的导通时间(t1－t2，t3－t4)工作，其中配置给导通时间(t1－t2，t3－t4)的驱动矩或制动矩在相位周期(T)上平均产生一个综合的制动矩。

Description

用于制动一个电换向电机的控制方法和电路
本发明涉及用于制动一个电换向电机，尤其是一个在手动工具中用作驱动器的开关磁阻电机的控制方法和电路。
在手动工具中，电换向电机被用作具有高功率的小体积驱动器，它必须在被使用者关机后迅速被制动。
这种电机包括诸如无电刷直流电机，恒磁同步电机，异步电机和开关磁阻(SR)-电机，这种电换向电机由一个具有多个由恒磁或软磁材料构成的电极的，可旋转放置的转子和一个具有多个极靴的定子组成，并且它们具有一个穿过线圈的磁流被调节，在旋转的转子接通电流的时间内线圈通过一个逆整流器(Wechselrichter)与电压源连接，逆整流器通过一个与用于确定转子角的传感器相连接的，微控制器的控制-和调节电路，参照一个额定值被调节。
通过电流方向和在一个相位周期中的开通-或关断点，在一个导通时间中产生或者一个驱动矩，或产生一个制动矩。在SR-电机中逆整流器通常被设计为半桥，因为电流不仅在电机的，而且也在发电机的工作模式下在一个电流方向上流过线圈。通常在电网侧整流器和负载侧逆整流器之间设置一个中间电路，其中一个中间电路电容器用于短时间的能量供给。
为了制动转子，通常在短路或释放方式中的旋转能量转换为转子或定子中的热，或者在发电机模式下反馈给中间电路或电网，或者在分开的制动阻抗中转换为热。快速制动中的缺点在于，不仅增加了形式为制动阻抗的构件及必要的功率开关和控制电路，而且诸如在定子线圈中的短路电流和转子中的磁场强度等工作参数变得不能被允许地高。
按照DE 19949804 A1，一种具有一个永磁转子的无电刷直流电机具有三个角度错开的霍尔-传感器，三个线圈并且在整流器之间具有一个设计为三个桥臂具有并联的空载二极管的全桥的逆整流器，它具有一个有一个中间电路电容和一个电流测量电阻的电压中间电路。通过一个包含在微控制器中的合成电机模型，在负载和转速变化时如此调整，使得馈给电机的直流电压与电机中感应的电压有规定的关系，并从而电机以合适的工作方式工作。在用于制动的发电机工作方式下，可能出现的不允许地高的中间电路电压—它会导致逆整流器或电机的损坏—通过其它调整电路被限制。这种方案的缺点是，在电流-和电压侧被限制的，发电机工作方式下很小的制动矩。
按照DE 4311533 A1，对于一个无电刷直流电机的控制方法支持不同优先级和部分组合的电机功能：换向；被调节的节拍；中断；切换电机方式到无节拍的发电机方式。这个方案的缺点是在短路工作下快速制动时可能出现不允许地高的损耗，它会导致逆整流器或电机的损坏。
按照EP 534761 B1，在一个运行电换向SR-电机的方法中它在较高转速时工作在恒定电流工作方式下，导通时间的开通时间点在半个相位周期上延伸并且在多个相位周期上被调整。
按照DE 3721477，为了严格调整用电换向电机的放带设备的速度，一个线圈工作在电机工作方式下，而同时另一个线圈工作于发电机方式下。它们的磁场重迭。这种方案不适用于快速制动。
按照DE 19518991，在一个运行电换向电机的方式中在一个相位周期内在短路制动(每一个桥臂导通或关断)和发电机方式(两个桥臂关断)之间快速切换，这样一方面中间电路被馈电，另一方面，或者是制动电流，或者是中间电路电压被调节到最大允许限度。此方案的缺点是在电流-和电压侧受限制的，发电机工作方式下很小的制动矩。
此外按照EP 534761 B1，在一个运行电换向SR-电机的方法中它在较高转速下工作于恒定电流工作方式下，导通时间的开通时间点在半个相位周期上延伸并且在多个相位周期上被调整。
本发明的目的在于给出制动电换向电机的一种方法和一种电路，其中无需增加制动装置，且不出现不允许地高的工作参数。
上述任务主要由独立的权利要求所述特征完成。其它权利要求给出有优点的其它设计。
在制动电换向电机的方法中主要是在一个相位周期内涉及至少一个线圈的逆整流器不仅在电机工作方式下，而且也在发电机工作方式下用不等于零的导通时间工作，其中对应于导通时间的驱动矩或制动矩在相位周期上平均产生一个综合的制动矩。
在两个工作方式下不仅流过逆整流器，也流过定子线圈的电流不仅引起逆整流器中的热，而且也引起电机线圈中的热，并且引起对应转子空间中的漏磁损耗，并从而导致分配损耗，这涉及在允许的电流界限值内最大化工作参数和尽可能快速地制动电机。
用微控制器和与其相连接的逆整流器制动电机的控制方法包含以下步骤：
·在第一步中至制动方式的转换被检测，有优点的是由使用者关机；
·在第二步中通常的电机方式，最好具有一个转速-和/或力矩调整，被结束，并且转换到制动方式；
·在其它的周期地重复的步骤中，具有驱动矩的第一个导通时间及时间上与其错开的具有制动矩的第二个导通时间如此产生，使得它们在一个相位周期上平均产生一个综合的制动矩。
在通常的一个高度优化的调节电路中，在制动方式下由线圈整个延迟调节的电流强度有优点地在导通时间内通过限流而被限制到一个电流界限值上，方法是导通时间被中断，这样避免了逆整流器或电机受到不允许地高的电流强度的伤害。
有优点的是在电机导通时间内和在发电机导通时间内不同的电流界限值被用于限流，这样通过变化作为参数的相应电流界限值可以独立调整在一个相位周期上平均的相应矩。此外优点还在于对电机导通时间设置的总计较小的电流界限值被用作参数，这样总产生一个最大的允许制动矩并简化了调整。
有优点的是在一个通过限流优化的调节电路中存在一个中间电路时，在制动方式下由感应整个延迟构成的中间电路电压限制在一个允许的电压界限值上，在发电机导电时间内通过限流到作为控制参数使用的电流界限值，通过一个最好是连续的电压调节器限制中间电路电压，这样避免了过高的中间电路电压对逆整流器或电机的伤害。
有优点的是中间电路电压的电压调节器被用于控制一个相位周期上平均的综合制动矩，因为在中间电路电容器中一个相位周期上平均的中间电路电压的变化是对于放出和反馈能量的能量平衡的一个度量，这样综合的制动矩可简单地通过电流界限值的大小被调整。当在其之间来回切换的两个电流界限值之差最大时得到最大的制动矩。
有优点的是在较高转速下制动方式时，电机工作于恒定电流工作方式，具有在半个相位周期上的单个导通时间，电机和发电机导通时间在时间上无缝地相互连接，这样制动方法也可用于较高转速的情况下。
下面借助一个优化实施例详细说明本发明。附图中：
图1是工作循环图，
图2是电流-时间图，
图3是原理的控制-和调节电路的实施例。
如图1所示，一个SR-电机的工作循环具有一个电机的导通时间t1-t2和一个发电机的导通时间t3-t4，相应通过线圈的电流I上的磁流Ψ在一个相位周期T上构成一个无电流缝隙的顺时针方向的循环过程，其封闭的面积Wc是对制动能量的一个度量。导通时间的开通和关断时间t1，t2，t3，t4由微控制器可控地配置给确定的转子角位置。对应于最大允许流过线圈的电流强度I的第一个电流界限值Imax通过中断限制在发电机导通时间t3-t4中的电流。第二个，作为参量可改变的下电流界限值Imin通过中断限制电机导通时间t1-t2中的电流。
如图2所示，通过线圈的电流I的电流-时间图具有一个时间上无缝隙地相互连接的，从电机导通时间t1-t2至发电机导通时间t3-t4的过渡，其中在发电机导通时间t3-t4中电流I被最大允许电流界限值Imax限制，在电机导通时间t1-t2中电流I被可变的下电流界限值Imin限制。
图3示出一个具有一个电换向电机4的驱动系统的原理电路图。电机4在一个逆整流器7上工作，逆整流器从作为微控制器一部分的逻辑电路3接收其控制命令Zi。逻辑电路3处理从上级系统控制器6和电流调节器/限制器2收到的控制命令。电流调节器2收集通过线圈的电流I，将其与系统控制器6确定的电流界限值Imin，Imax中的一个进行比较，必要时与一个电流额定值Isoll比较，并且由此根据实现的调整方法导出相应的控制命令yi。电流额定值由一个外加的转速调节器1提供，它从一个转速-或角位置检测器5接收转速实际值n，从例如系统控制器6接收转速额定值N。上级系统控制器6除了收集图中未详细示出的系统值以外，收集转子角α和/或电机的转速实际值n以及中间电路电压U。转子角α可以由转速实际值n和时间以良好的近似求出或反过来。这个通常的原理电路除了对通过线圈的电流I的第一个电流限制值Imax之外，还具有一个用于限制中间电路电压U的电压调节电路。电压调节电路由电压调节器8组成，它将中间电路电压U与一个规定的最大允许电压Umax比较，并由此产生第二个下电流界限值Imin：如果U大于最大值Umax，Imin变大，并且朝着规定的上电流界限值Imax改变。两个电流界限值Imin和Imax被送到一个切换块9，它根据系统控制器6的输出值—在上述方法的意义上—交替地每次传送两个电流界限值Imin，Imax中的一个至电流调节器2。在所述制动中转速调节器1不工作，因而其输出值Isoll也不被使用，在正常电机工作方式下它被连接到电流调节器2的额定值输入端。
本实施例涉及一个SR-电机。此方法也可用于其它电换向电机，这对专业人员原理上是没有问题的，并且只需对此实施例作轻微的改动即可。

Claims (10)

1.用一个微控制器控制的逆整流器(7)制动一个电换向电机(4)的控制方法，其特征在于，在一个相位周期(T)内涉及至少一个线圈的逆整流器(7)连续地不仅在电机工作方式下，也在发电机工作方式下以不等于零的导通时间(t1-t2，t3-t4)工作，其中配置给导通时间(t1-t2，t3-t4)的驱动矩或制动矩在相位周期(T)上平均产生一个综合的制动矩。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，为制动电机(4)由微控制器和与其连接的逆整流器(7)完成以下步骤：
第一步：至制动方式的转换被检测，最好由使用者关机；
第二步：通常的电机方式，最好具有一个转速-和/或力矩调整，被结束并转换到制动方式；
在其它周期性重复的步骤中，具有驱动矩的第一个导通时间(t1-t2)以及时间上与其错开的，具有制动矩的第二个导通时间(t3-t4)如此被产生，使得它们在一个相位周期(T)上平均产生一个综合的制动矩。
3.如权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，在一个高度优化的调节电路中在制动方式中由线圈整个延迟调整的电流强度(I)在导通时间(t1-t2，t3-t4)内被一个限流限制到一个电流界限值(Imin，Imax)上，方法是导电时间(t1-t2，t3-t4)被中断。
4.如以上权利要求中任一项所述的控制方法，其特征在于，在电机导通时间(t1-t2)和在发电机导通时间(t3-t4)中限流采用不同的电流界限值(Imin，Imax)，并且最好只有数值小的电流界限值(Imin)被用作调节参数。
5.如上述权利要求中任一项所述的控制方法，其特征在于，在一个通过限流优化的调节电路中存在中间电路时，在制动方式下由感应整体延迟构成的中间电路电压(U)被限制到一个允许的电压值(Umax)上，在发电机导通时间(t3-t4)内中间电路电压(U)通过限流到作为控制参数使用的数值较小的电流界限值在一个最好是连续的电压调节器(8)上被限制。
6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，中间电路电压(U)的电压调节器(8)被用于控制在相位周期(T)上平均得到的制动矩。
7.如上述权利要求中任一项所述的控制方法，其特征在于，在较高转速时制动方式下电机(4)以恒定电流工作方式工作，单个导通时间(t1-t2，t3-t4)为半个相位周期(T)，电机和发电机的导通时间(t1-t2，t3-t4)时间上无缝隙地相互连接。
8.实现如上述权利要求中任一项所述的制动一个电换向电机(4)的控制方法的电路，其特征在于，存在一个用于两个电流界限值(Imin和Imax)的切换块(9)，它与系统控制器(6)和电流调节器(2)相连接。
9.如权利要求8所述的电路，其特征在于，电压调节器(9)与中间电压(U)和切换块(9)的电流界限值(Imin)输入端相连接。
10.如以上权利要求中任一项所述的方法和/或电路在手动工具中的应用。
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