CN205565758U - 用于控制机电部件的操作状态改变的电子设备 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于控制机电部件的操作状态改变的电子设备。该电子设备包括直流供电电源，其能够产生第一电流和低于所述第一电流的第二电流；机电部件，其包括电感元件且具有第一操作状态和第二操作状态；能够采用第一配置和第二配置的控制模块，第一配置允许使机电部件从第一操作状态转变为第二操作状态，第二配置允许使机电部件从第二操作状态转变为第一操作状态。该设备还包括电容器，且控制模块进一步：能够在第一配置之前采用初始第一配置以允许对电容器充电，然后允许在第一配置期间通过电感元件对电容器至少部分放电以使得在其中流动将被添加到所述第一电流中的附加电流；以及能够在第二配置之前采用初始第二配置以允许对所述电容器的放电。

Description

用于控制机电部件的操作状态改变的电子设备

技术领域

本实用新型的实现和实施例涉及对机电部件的控制，在例子并非是限制性的情况下，所述机电部件例如是双稳态继电器，直流电机，浇水编程器，且具有两种操作状态，例如激活状态和去激活状态，并由直流电源供电，所述直流供电电源例如是可再充电或者不可再充电的电池单元或电池，并且更特别地涉及控制所述部件从第一操作状态向第二操作状态的改变以及相反方向的改变，例如继电器的激活及其去激活。

背景技术

传统上，机电部件包括连接在由直流电源供电的两个晶体管半桥之间的电感元件，如线圈，从而使得有可能使电流在线圈中以一个方向或者另一方向流动，这取决于是否期望使该部件从其第一操作状态向第二操作状态改变或者以相反方向改变，例如，取决于是否是期望激活继电器或去激活继电器。

另外，一般来说，由供电电源所产生电流其中一个电流(例如激活电流)高于另一电流，例如去激活电流。

对包括跨过两个晶体管半桥的线圈的机电部件进行控制一般需要较高功率，例如，对于小型双稳态继电器为220毫瓦的量级。此外，当使用低压供电电源时，必须有一个供电电源(例如电池)具有低内阻并且一个晶体管在导电状态(“导通”状态)具有低内阻。此外，随着电池变小时，其内部电阻变得显著增加。

目前，对于使用低压供电电源的低消耗应用，一个解决方案包括将形成能量储存设备的电容器永久连接到电池。然而，通常低成本且具有几百微法值的这样的电容器展现出显著的泄漏电流，这导 致永久电流损失。

另一种解决方案是使用具有低内阻的电池。然而，这样的电池要么昂贵要么较大。

另一种解决方案是使用更加昂贵的半桥，以降低他们在导通状态下的内部电阻。

实用新型内容

根据一种实现和实施例，提议即使在使用了具有显著内阻的小型直流供电电源和/或在导通状态具有显著内阻的晶体管半桥的情况下，也有效地控制机电部件从一个操作状态向另一操作状态的改变。

根据一种实现和实施例，提议将电容器连接在承载最高电流的半桥的一侧，以使机电部件从这些操作状态其中之一转变为另一个(例如在继电器的激活期间)，并且在使得所述电流流过所述继电器的线圈之前将此电容器充电，并且然后以产生附加电流的方式通过所述线圈对该电容器进行放电，所述附加电流将被添加到由所述直流供电电源所产生的电流中。

因此，根据一个方面，提出了一种用于控制机电部件从第一操作状态向第二操作状态的改变以及在相反方向上的改变的方法，其中所述机电部件从其第一操作状态向其第二操作状态的改变(例如继电器的激活)包括第一电流在所述部件的电感元件中的流动，所述第一电流由直流供电电源产生且高于第二电流，所述第二电流由所述直流供电电源产生并且在从所述第二操作状态向所述第一操作状态的改变期间(例如在所述继电器的去激活期间)在所述电感元件中以相反方向流动。

根据该方面的一般性特征，从所述第一操作状态向所述第二操作状态的改变包括：在所述第一电流流动之前，对电容器的充电，然后与第一电流的产生同时以使得附加电流在所述感应元件中流动的方式通过所述电感元件对所述电容器进行放电，所述附加电流将被添加到所述第一电流中。

此外，从所述第二操作状态向所述第一操作状态的改变包括：在所述第二电流的流动之前，对所述电容器的放电。

因此，该电容器的存在使得可以至少在机电部件的激活开始时致使附加电流在机电部件的线圈中流动，这允许使用小型和廉价的电池。此外，由于存在由电容器所产生的这个附加电流，承载最高电流的半桥一侧可能是“薄弱”的，也就是说，它可能在导通状态具有显著的电阻，这允许使用低成本部件甚至更少部件，因为甚至可以在某些情况下使用传统微控制器的输出端口。

根据一个实现，该方法可以进一步包括在每次机电部件从其两个状态其中一个状态向其另一状态的改变后对电容器进行放电的附加阶段。

这样的阶段允许在从第二操作状态向第一操作状态改变(通常在继电器的去激活期间)时节省时间。此外，在从第一操作状态的改变期间(通常在继电器的激活期间)提供此附加阶段的事实使得从一个周期到另一周期(即，在激活期间和在去激活期间)可以具有对称特性。

根据另一个方面，提出了一种电子设备，所述电子设备包括：

直流供电电源，其能够产生第一电流和低于所述第一电流的第二电流，

机电部件，其包括电感元件，且具有第一操作状态和第二操作状态，

控制模块，其由供电电源供电，并具有第一控制端子和第二控制端子，且可采用第一配置和第二配置，其中所述第一控制端子和第二控制端子分别连接到所述电感元件的两个端子，所述第一配置允许所述第一电流从第一控制端子流向第二控制端子以便使所述部件从其第一操作状态转变为其第二操作状态，所述第二配置允许所述第二电流从所述第二控制端子流向所述第一控制端子，以便使所述部件从其第二操作状态转变为其第一操作状态；以及

电容器。

所述控制模块进一步：

能够在所述第一配置之前采用初始第一配置，所述初始第一配置允许对所述电容器充电，并且然后允许在其第一配置期间通过所述电感元件对电容器的至少部分放电，以使在其中流动附加电流，所述附加电流将被添加到所述第一电流中，以及

能够在所述第二配置之前采用初始第二配置，所述初始第二配置允许对所述电容器的放电。

根据一个实施例，该直流供电电源包括正极端子和负极端子，所述电容器连接在所述第一控制端子和所述负极端子之间，所述控制模块包括：

第一开关和第二开关，所述第一开关和所述第二开关串联连接在所述直流供电电源的正极端子和负极端子之间，且具有形成所述第一控制端子的第一公共节点，

第三开关和第四开关，所述第三开关和所述第四开关串联连接在所述直流供电电源的正极端子和的负极端子之间，且具有形成所述第二控制端子的第二公共节点，

所述控制装置被配置为

·闭合所述第一开关并断开其他开关，以便将所述控制模块置于其初始第一位置，然后闭合所述第一开关和所述第四开关并断开其他开关，以便将所述控制模块置于其第一配置中，以及

·闭合所述第二开关并断开其他开关，以便将所述控制模块置于其初始第二位置，然后闭合所述第二开关和所述第三开关并断开其他开关，以便将所述控制模块置于其第二配置中。

根据一个实施例，所述控制模块还能够在所述第一配置和所述第二配置之后采用最终配置，所述最终配置允许对所述电容器的放电。

因此，所述控制装置例如被配置为闭合所述第二开关并断开其他开关，以便所述将控制模块置于其最终配置中。

附图说明

在查阅实现和实施例的详细描述和附图之后，本实用新型的特征和其他优点将变得明显，这些实现和实施例绝非限制性的，并且在附图中：

图1到7示出本实用新型的实现和实施例的示意图示。

具体实施方式

在图1中，附图标记DIS指示电子装置，该电子装置包括直流供电电源1，例如可再充电或不可再充电的电池单元或电池，其递送空载(off-load)电压+V。

附图标记2图示出机电部件，例如继电器，其包括感应元件BB，如线圈，并且具有A1和A2两个端子。

该装置DIS还包括控制模块3，所述控制模块3由供电电源1供电，且具有分别连接到应元件BB的两个端子A1和A2的第一控制端子N1和第二控制端子N2。

在这个实施例的例子中，控制模块3包括第一晶体管半桥30，该第一晶体管半桥30包括串联连接在电压源1的正极端子B+和负极端子B-(地)之间的第一开关300(在本例中是PMOS晶体管)和第二开关301(在这本例中为NMOS晶体管)。

第一控制端子N1由两个晶体管300和301的相连接的两个漏极形成。

控制模块3还包括第二晶体管半桥31，在本例中，该第二晶体管半桥31包括串联连接在直流供电电源1的正极端子B+和负极端子B-之间的第三开关310(例如PMOS晶体管)和第四开关31(例如NMOS晶体管)。

第二控制端子N2由晶体管310和311的相连接的两个漏极形成。

四个晶体管300、301、310和311在各自的门极上由控制装置32所发出的控制信号控制，该控制装置32例如可以以软件方式具体 实现在微控制器内。

除刚刚描述的装置外，该设备DIS还包括电容器4，其具有连接到第一控制终端N1以及线圈BB的第一端子A的第一端子40以及连接到供电电源的负极端子B-的第二端子41。

正如将在下文中更详细地看到的那样，控制模块3和电容器4意在控制机电部件2从第一操作状态向第二操作状态的改变。

当该机电部件例如是继电器时，第一个操作状态为例如去激活状态，并且第二操作状态于是为激活状态。

从第一操作状态向第二操作状态的变化因此对应于继电器的激活，而从第二操作状态向第一个操作状态的变化对应于继电器的去激活。

机电部件2从一个操作状态变化向另一操作状态的改变包括电流在电感元件的BB中的流动。

此外，电流其中一个电流通常高于另一电流。

这是特别是机电部件为双稳态继电器的情况。事实上，对继电器激活所需的电流通常高于其去激活所需要的电流，在激活过程中，磁隙更大，永磁通量弱，而在去激活期间磁隙为零，因为继电器是接合的且仅仅需取消永磁磁通以便切断继电器，也就是说对它去激活。

在此处描述的例子中，继电器的激活将导致电流从端子A1向端子A2流过线圈BB，而去激活会导致电流从端子A2向端子A1流过线圈。

同时，由于激活电流大于去激活电流，电容器4被连接在在第一控制端子N1的电平，即拟承载最高电流的半桥30的一侧。

现在，将特别参考附图2至图7，以说明图1所示的设备DIS的操作的例子。

图2至图4涉及机电继电器2的激活，也就是说，从其第一操作状态(去激活状态)向其第二次操作状态(激活状态)的变化。

现在，更加特别地参考图2，可以看出控制模块3采用初始第一 配置，其中第一开关300闭合(晶体管导通)，而其他开关301，310和311断开(晶体管截止)。

这个初始第一配置允许对通过由直流供电电源1递送的电流I1对电容4进行充电。

本领域技术人员将会知道如何调整将控制模块置于该初始第一配置的时间，以便对电容器进行充电。这当然取决于电容器的大小。

因此，对于电容值在约十微法和几百微法的电容器，充电时间可以是几毫秒到几十毫秒的量级。

然后，如图3所示，控制模块采用了第一配置，其中第一开关300和第四开关311闭合，而其他开关301和310断开。

在这个第一个配置中，电池1以其内阻和晶体管300在导通时的内阻形成第一电流源，并且已经利用电池的空载电压+V被充电的电容器4以其低内阻形成第二电流源。

这两个电流源是并联的。

此外，在开始时，由电容器4及其低阻抗形成的电流源与由电池、其内阻和晶体管300的内阻形成的电流源相比占有优势。因此，电容器4可以通过线圈BB放电，以提供附加电流I2，附加电流I2将被添加到由电池1递送的电流I3。

由此产生的电流14经过线圈BB然后通过晶体管311对地放电。

电容器4放电至电压的平衡点，并且只有在那时由电池递送的电流I3才在线圈BB中流动。

因此，电容器4已经允许在继电器的激活期间在开始时提供附加电流，该附加电流使得可以克服由于电池和/或晶体管300的内阻太高而引起的可能负面影响。

现参考图4，可以看出激活周期优选地以将电容器4对地放电(放电电流I40)结束。

为了这个目的，控制模块3采用了最终配置，以允许对电容器4的放电。

在这最终配置中，控制装置32将第二开关301闭合并断开其他 开关300、310和311。

在这里，再次使得开关301保持闭合足够的时间以允许对电容器4的有效放电。

通过指示的方式，几毫秒可能是需要的。

然后，控制装置32将控制模块置于静止状态中，其中所有开关300、310、301和311断开(晶体管截止)。

现在更加特别地参考图5至图7，以说明在继电器的去激活期间，该设备DIS的操作的一个例子。

对于该去激活，控制装置32将控制模块置于初始第二配置，如图5所示，其中控制模块以使第二开关导通以便对电容器4放电(放电电流I5)的方式来控制第二开关301。

事实上，这使得有可能确保在进行继电器的实际去激活之前电容器4是没电的(empty)。

然后，如图6所示，控制装置32将控制模块置于第二个配置中，其中第三开关310和第二开关301被闭合，而其他开关300和311是断开的。

因为这样，所以由供电电源1递送的电流I6从端子A2向端子A1在线圈BB中流动，该电流I6然后在去激活阶段的开始时细分为对电容器4进行充电的电流I7和对地放电的电流I8。

电容器4被充电直至电压平衡点，这时电流I7被消除并且只有电流I8仍然存在。

然后，如图7所示，控制装置32再次将控制模块3置于其最终配置，其中晶体管301导通，以便经由放电电流I9对电容器4放电。

然后，控制装置再次将控制模块置于其静止状态，其中所有开关都断开。

电容器4的大小取决于机电部件的特性。因此，具有上述电容值(几十微法到几百微法)的电容器可以激活或去激活额定功率在几十毫瓦的双稳态继电器。

这里将注意到的是，电容器4在激活和去激活的活动阶段之外 并不消耗功率。事实上，在这些阶段之外，当控制模块是在静止状态时，电容4是与电池1电隔离的。因此，电容器的可能泄露并没有意义，这使得可以使用低成本的电容器。

此外，由于电容器4使得有可能有使得半桥30在导通状态具有中等内阻，这将使得完全可以使用集成在微控制器的输出端口的晶体管来用做晶体管300和301。

然而，在继电器的激活和去激活需要高功率的情况下，提供适当大小的晶体管300和301当然仍然是需要的，并且这些晶体管将在微控制器32的外部。

Claims (4)

1.一种用于控制机电部件的操作状态改变的电子设备，所述电子设备包括：直流供电电源(1)，所述直流供电电源(1)能够产生第一电流(I3)和低于所述第一电流(I3)的第二电流(I6)；机电部件(2)，所述机电部件(2)包括电感元件(BB)，且具有第一操作状态和第二操作状态；控制模块(3)，所述控制模块(3)由所述供电电源供电，并具有第一控制端子(N1)和第二控制端子(N2)，且能够采用第一配置和第二配置，其中所述第一控制端子(N1)和所述第二控制端子(N2)分别连接到所述电感元件(BB)的两个端子(A1，A2)，所述第一配置允许所述第一电流(I3)从所述第一控制端子(N1)向所述第二控制端子(N2)的流动以便使所述部件从其第一操作状态转变为其第二操作状态，所述第二配置允许所述第二电流(I6)从所述第二控制端子(N2)向所述第一控制端子(N1)的流动以便使所述部件从其第二操作状态转变为其第一操作状态，其特征在于，所述电子设备进一步包括电容器(4)，以及所述控制模块(3)进一步：能够在所述第一配置之前采用初始第一配置，所述初始第一配置允许对所述电容器充电，然后允许在其第一配置期间通过所述电感元件(BB)对电容器(4)的至少部分放电以便使得在其中流动附加电流(I2)，所述附加电流(I2)将被添加到所述第一电流(I3)中；以及能够在所述第二配置之前采用初始第二配置，所述初始第二配置允许对所述电容器(4)的放电。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述直流供电电源(1)包括正极端子(B+)和负极端子(B-)，所述电容器(4)连接在所述第一控制端子(N1)和所述负极端子(B-)之间，并且所述控制模块(3)包括：第一开关(300)和第二开关(301)，所述第一开关(300)和所述第二开关(301)串联连接在所述直流供电电源的所述正极端子和所述负极端子之间，且具有形成所述第一控制端子(N1)的第一公共节点；第三开关(310)和第四开关(311)， 所述第三开关(310)和所述第四开关(311)串联连接在所述直流供电电源的所述正极端子和的所述负极端子之间，且具有形成所述第二控制端子(N2)的第二公共节点，以及控制装置(32)，所述控制装置被配置为：

闭合所述第一开关(300)并断开其他开关，以便将所述控制模块置于其初始第一位置，并且然后闭合所述第一开关和所述第四开关(300，311)并断开其他开关，以便将所述控制模块置于其第一配置中，以及

闭合所述第二开关(301)并断开其他开关，以便将所述控制模块置于其初始第二配置，并且然后闭合所述第二开关(301)和所述第三开关(310)并断开其他开关，以便将所述控制模块置于其第二配置中。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述控制模块进一步能够在所述第一配置和所述第二配置之后采用最终配置，所述最终配置允许对所述电容器(4)的放电。

4.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述控制装置被配置为闭合所述第二开关(301)并断开其他开关，以便将所述控制模块置于其最终配置中。