DK175056B1 - Styring til elmotorer, navnlig i lineære aktuatorer - Google Patents

Description

DK 175056 B1 i

Styring til elmotorer, navnlig i lineære aktuatorer Opfindelsen baggrund

Opfindelsen angår en styring til elmotorer, navnlig i 5 lineære aktuatorer som angivet i krav l's indledning.

I styringer til lineære aktuatorer, der drives med en DC-motor, anvendes elektromekaniske relæer til styring af elmotorernes kobling til strømforsyning. En typisk 10 styring foregår mellem tre hovedtilstande, nemlig: strømforsyning afbrudt med motor kortsluttet, rotation i én omdrejningsretning og rotation i en modsat omdrejningsretning. Ændringer af disse tilstande kan være igangsætning og standsning af motoren samt vending 15 af omdrejningsretningen. Det er velkendt, at kontaktpunktet i et relæ er udsat for slid som følge af gnistdannelse, når strømmen sluttes og i særdeleshed, når store strømme afbrydes. Dette stress på kontakten har vist sig at være særligt udpræget i visse 20 tilstandsændringer. Eksempelvis har det vist sig, at en motoropkobling på grund af motorens inerti i en kort eller længere periode efter en tilstandsændring, såsom en standsning eller en spændingsinvertering, tilvejebringer en kraftig reaktiv spænding, der belaster relæets ydeevne 25 og reducerer relæets holdbarhed over tid. Denne problematik er bl.a. omhandlet i DE 35 16 985 Al og DE 38 II 799 Al. Relæer til motorstyringer må således påregnes en urimeligt lav levetid. Denne levetid er forståeligt nok særlig vanskelig at håndtere i forbindelse med 30 indkapslede elektroniske kredsløb, idet en udskiftning af relæer i sådanne systemer vil være forbundet med forholdsvis store omkostninger. I DE 35 16 985 Al og DE 38 11 799 søges problemet minimeret ved anvendelse af en FET-transistor til afkobling af kredsløbet før relæerne 35 skiftes. Den periode hvor kredsløbet er afkoblet 2 DK 175056 B1 bestemmes afhængig af, hvor længe og hvor meget relæerne preller.

Det er formålet med opfindelsen at tilvejebringe en 5 styring, hvor der opnås en væsentligt forbedret relælevetid ved at undgå prel.

Opfindelsen

Ved, som angivet i krav 1, at styringen er indrettet til 10 at aktivere begge relæer, når motoren ønskes standset og/eller omdrejningsretningen inverteret, opnås ifølge opfindelsen en bemærkelsesværdig forbedring af de i kredsløbet indgående relæers levetid samt en højere driftspålidelighed.

15 Årsagen til denne forbedring skal givetvis forklares med, at relæernes kontaktarme fastholdes mere entydigt i deres elektrisk aktiverede tilstand til forbindelsespunktet i relæet, hvorved kraftige gnistudladninger og kraftige 20 mekaniske påvirkninger undgås. Således reducerer styringen ifølge opfindelsen væsentlige mekaniske destruktive påvirkninger af relæarmene, da disse i stedet for at blive udsat for prel i ikke-aktiveret tilstand, dvs. i en ikke-tilstækkelig entydig mekanisk 25 "fastholdelse", fastholdes i en mere kontrolleret position i den elektrisk aktiverede tilstand.

Efter en given tidsperiode vil den væsentligste energi genereret af motoren, der i en overgang efter 30 tilstandsændringen fungerer som generator, afsættes i det elektriske kredsløb, dvs. i motorens indre modstand, fremfor i relæernes mekaniske kontaktsæt, hvorefter relæerne kan omkobles, eksempelvis ved deaktivering, til den ønskede position, dvs. forbundet til strømforsynings 35 positive eller negative pol.

3 DK 175056 B1

Ud over rent statiske betragtninger på de i det elektriske kredsløb indgående relæer, opnås ifølge opfindelsen en stærkt forbedret dynamisk optrædende, da 5 de i tilstandsændringen indgående nødvendige skift foregår under en elektrisk aktivering af relæerne fremfor fjedrende mekanisk deaktivering. Dette medfører, at relæarmene i de enkelte relæer tvinges mod kontaktpunktet med en kraftpåvirkning fra relæets styrespole, der 10 sikrer, at relæets prel minimeres eller undgås helt. Ifølge opfindelsen opnås således et veldefineret skift til relæets kontaktpunkt, idet prellet ved nedslaget på kontakten som ovenfor nævnt minimeres eller undgås. Modsvarende medfører deaktivering af relæspolen 15 kontaktprel i kontaktsættets hviletilstand hidrørende fra dynamiske masse-fjeder svingningsenergi. Da kraftige elektriske udladninger over relæets kontaktpunkt som følge af relæarmens prel og en relativ høj elektrisk effekt afgivet fra motoren under dennes opbremsning 20 undgås, forlænges levetiden af de anvendte relæer mærkbart. Pilotforsøg har således vist, at der kan opnås levetidsforbedringer på langt over en faktor 100.

Det skal yderligere bemærkes, at opfindelsen i sin 25 generiske udformning kan anvendes uden supplerende strøm-og spændingsreducerende forstaltninger, da opfindelsen netop er rettet mod, at de indgående relæer skal kunne holde til de faktisk opståede spændinger.

30 Ifølge opfindelsen opnås således en mere elektrisk afkobling af induktiv og elektrisk energi i det hele taget, hvorved den mekaniske optagelse af den elektriske energi i relæerne kan reduceres til et minimum.

4 DK 175056 B1

Opfindelsen forebygger således den alvorlige prel, der opstår særligt i forbindelse med større motorer, der anvendes i lineære aktuatorer, idet de af motoren generede gentagne store gnistdannelser i kendte systemer 5 nedsættes, således at kontakternes levetid og pålidelighed forøges væsentligt. Det har således vist sig, at relæernes udover den opnåede levetidsforlængelse udviser en markant forbedret levetid frem til break-down, hvis en sådan forekommer.

10

Det skal i forbindelse med ovenstående anføres, at opfindelsen i sin grundform ikke tager væsentlige foranstaltninger i retning af at nedbringe den af motoren generede kombination af høj spænding og strømstyrke, men 15 går i retning af at indrette styringen af relæerne på en sådan måde, at disse høje spændinger og strømstyrker ikke forårsager skader på relæets kontaktpunkter ved statusskift.

20 En yderligere fordel ved opfindelsen er ligeledes, at tidsforløbet under skiftet kan minimeres, da kredsløbet ifølge opfindelsen ikke kræver, at energitilstanden i motoren og det tilkoblede mekaniske system er reduceret under en given værdi. Dette er specielt en fordel i 25 forbindelse med opbremsning af mekaniske systemer med meget lav friktion eller inerti, da systemet ikke nødvendigvis bremser af sig selv ved afbrydelse af strømforsyningen, men arbejder mekanisk mod et givet endepunkt. Opfindelsen giver således mulighed for at 30 sådanne systemer kan håndteres problemfrit, ligesom det kan sikres, at opbremsning kan foregå under total elektrisk kontrol.

Ved, som angivet i krav 2, at indrette styringen til at 35 etablere afbrydelsen, inverteringen eller korrektionen 5 DK 175056 B1 efter en vis tidsforsinkelse ved passende styring af relæerne, opnås mulighed for at foretage et skift til relæernes hvilekontaktpunkt, uden at dette skift overlejres af store effekter genereret af motoren under 5 dennes opbremsning.

Ved, som angivet i krav 3, at lade motoren i de givne positioner af relæerne være forbundet til en strømforsyning via mindst én elektrisk styrbar kontakt, 10 fortrinsvis en FET-transistor, der afbrydes ved den efter aktivereringen af relæerne følgende deaktivering af ét eller begge relæer,. opnås en særlig fordelagtig udførelsesform af opfindelsen, idet den supplerende afbrydelse af systemet fra strømforsyning sikrer, at 15 skifteusikkerhed på relæerne ikke medfører en utilsigtet tilkobling til strømforsyning under relæernes deaktivering.

En typisk kombineret styring af relæer og FET-transistor 20 eller FET-transistorer vil implementeres, således at FET-elektronikken afbryder forbindelsen til strømforsyning, før eventuelle relæer aktiveres i henhold til opfindelsen.

25 Omvendt vil indkoblingen af FET-elektronikken og dermed en indkobling af strømforsyning først etableres, når relæerne er indstillet til den ønskede omløbsretning af en tilkoblet motor.

30 For hver FET-transistor kan der være koblet flere relæ -H-broer parallelt, ligesom styringen kan foretages med forskellige styreteknologier, såsom en individuel analog styring af hver kanal i en CB bestående af flere kanaler, fælles analog overstyring af alle kanaler parallelt eller 35 ved hjælp af en mikroprocessorstyring.

6 DK 175056 B1

Ved, som angivet i krav 4, at lade relæerne forbinde motoren til strømforsynings negative pol i deres ikke-aktiverede tilstand, opnås en særlig fordelagtig 5 anvendelse ifølge opfindelsen, da hviletilstanden således ikke kræver en strømforsyning. Udførelsesformen er således særlig fordelagtig i forbindelse med batteriapplikationer.

10 Opfindelsen skal i det følgende forklares nærmere i forbindelse med det på medfølgende tegning viste udførelseseksempel.

På tegningen er der vist et diagram, hvor en DC-motor 14 15 styres ved hjælp af to elektromagnetiske relæer 21 og 22, der ved passende styring forbinder motorens 14 terminaler med systemets strømforsyning 12 og strømforsyning's negative pol 30 via en passende styret FET-transistor 30. Motoren 14 kan eksempelvis være en permanent magnet 20 DC communicator motor. Under sædvanlig drift vil motoren fødes af en strømforsyning som beskrevet nedenstående, dvs. en effektforbrugende "mode", ligesom motoren umiddelbart efter afbrydelse i det beskrevne systemet vil fungere som en generator, når der er inerti i motoren 25 eller det til motoren tilkoblede mekaniske system, dvs. en effektgenererende "mode". Det skal bemærkes, at motoren således genererer effekt på relæernes 21, 22 kontaktsæt, uanset at strømforsyning er afkoblet ved hjælp af yderligere koblede switche.

30

Hvert relæ omfatter en mekanisk kontaktarm, der under styring er bevægelig mellem to kontaktpositioner 2, 3 henholdsvis 2a,3a. Det fremgår ligeledes af tegningen, at hvert relæ ifølge eksemplet aktiveres af en spole 11, 35 11a, der i sin aktive tilstand, dvs. når der påtrykkes en 7 DK 175056 B1 elektrisk styrestrøm/spænding på spolen, forbinder forbindelsespunkterne 1 og la elektrisk til henholdsvis forbindelsespunkterne 3 og 3a. I sin ikke aktiverede tilstand returnerer relæarmene til deres hvileposition, 5 der udelukkende er opretholdt i henhold til relæets mekaniske egenskaber, såsom fjederkraft, inerti, etc.

Når relæerne 21, 22 står i position 2 og 3a, dvs. med relæet 22 i aktiveret tilstand og ΓΕΤ-transistoren ON , 10 kører motoren én vej.

Ved en tilstandsændring af motoren i det viste system med FET-transistoren OFF trækkes kontaktarmen i relæet 21 til position 3, hvorved strømmen til motoren afbrydes, mens 15 begge relæer er elektrisk aktiverede.

Da motoren 14, eller det samlede system motoren er opkoblet i, har en vis inerti, vil motoren i en kort eller længere periode efter en afbrydelse af motoren 20 fungere som en generator, der mere eller mindre direkte vil ligge over relæernes kontaktpunkter. Disse relativt store, og ikke altid forudsigelige spændinger vil således kobles over kontakterne i relæerne 21, 22, mens disse er fastholdt eller skiftes under elektrisk styring til 25 positionerne 3, 3a, hvorfor relæernes kontaktpunkter ikke vil give anledning til prel og give anledning til væsentlige destruktive gnistdannelser i relæets kontaktpunkter.

30 Efterfølgende vil styringen efter en givet tidsforsinkelse, eksempelvis 50 ms, efter en standsning deaktivere begge relæer 21, 22 ved relæets fjederkraft på relæarmen, uden at kontaktpunkterne ved disse skift påvirkes af større elektrisk udladninger, da motorens 14 35 og systemets energi på dette tidspunkt er reduceret eller 8 DK 175056 B1 væk som følge af en hel eller delvis opbremsning af systemet. Det skal bemærkes, at den ovennævnte tidsforsinkelse bør tilpasses den enkelte applikation, således at motoren 14 er strømløs når relæerne 21, 22 5 deaktiveres.

Som supplement til den ovenfor beskrevne udførelsesform foretrækkes det, at FET-transistoren 30 afbrydes samtidigt eller umiddelbart før ovennævnte afbrydelse af 10 motoren 14. Denne supplerende afbrydelse af systemet ved hjælp af FET-transistoren 30 sikrer, at usikkerhed med hensyn til den tidslige styring af relæerne 21, 22 ikke pludselig foranlediger, at motoren 14 forbindes til strømforsyningen. Dette kunne eksempelvis forekomme, hvis 15 det ene relæ 21 ved returnering til ikke-aktiveret tilstand forbindes til strømforsynings negative pol 13, før det andet relæ 22 er skiftet fra sin aktiverede tilstand som følge af, at relæet eksempelvis kunne svej se.

20

En yderligere mulighed for at tilpasse eller forbedre ovennævnte styring til konkrete applikationer er at foretage et såkaldt soft-stop.

25 Dette soft-stop foretages ved indledningsvis at lade motoren 14 løbe hastigheden af sig med afbrudt FET-transistor i eksempelvis 250 ms før relætilstanden ændres til motorbrems, dvs. før det andet relæ 21 skiftes til sin aktiverede tilstand.

30

Denne kombinerede styring af relæerne 21, 22 og FET-transistoren 30 giver udprægede fordele i forhold til applikationer, hvor der optræder store kombinerede spændinger og strømme over relæerne 21, 22 samtidig med, 35 at disse skal undergå en tilstandsændring.

9 DK 175056 B1

Hvis der imidlertid måtte ønskes en reverseret omdrejningsretning, indledes operationen som ovenfor nævnt, mens den afsluttende deaktivering af begge relæer 5 erstattes af en deaktivering af relæet 22, hvorefter motoren 14 igangsættes med en modsat omdrejningsretning.

. Når relæerne 21, 22 efterfølgende står i position 2a og 3, dvs. med relæet 21 i aktiveret tilstand, reverseres motorens omdrejning i forhold til den først beskrevne 10 position'.

Helt tilsvarende den ovenstående beskrivelse af relæestyringens indretning ved en afbrydelse, foretrækkes det, at FET-transistoren 30 afbrydes før eller samtidig 15 med ovennævnte afbrydelse af motoren 14. Det skal i den forbindelse erindres, at relæernes reaktionstid er meget længere end FET'ens, der afbrydes straks.

Det skal bemærkes, at den viste udførelsesform er særlig 20 fordelagtig i forbindelse med batteriapplikationer, da systemet er afbrudt og forbundet til strømforsynings negative terminal i sin hviletilstand, dvs. med deaktiverede relæer.

25 Det skal dog understreges, at opfindelsen naturligvis også kan implementeres med "inverterede" relæer, dvs. hvor relæerne trækkes aktivt til strømforsynings negative pol, indenfor opfindelsens rammer.

30 Ifølge den viste foretrukne udførelsesform af opfindelsen opnås en forbedring af gennemsnitslevetiden for de i motorstyringerne indgående relæer på over faktor 100 i forhold til antallet af opnåelige skift.

Claims (4)

10 DK 175056 B1

1. Styring til elmotorer, navnlig i lineære aktuatorer og 5 omfattende to elektrisk aktiverbare relæer (21:22), der hver især i ikke-aktiveret tilstand forbinder et første forbindelsespunkt (l;la) med et andet forbindelsespunkt (2;2a), og i aktiveret tilstand forbinder det første forbindelsespunkt (1;1a) med et tredje forbindelsespunkt 10 (3;3a), og hvor elmotoren er indkoblet mellem de to første forbindelsespunkter (l;la), således at motoren ved givne positioner af relæerne {2, 3a; 3, 2a) er forbundet til en strømforsyning for at bringe motoren til at køre i den ene eller anden retning henholdsvis afbrudt fra 15 strømforsyningen når motoren holder stille, k e n d e t e g n e t ved, at styringen er indrettet til at aktivere begge relæer (21; 22) , når motoren ønskes standset og/eller omdrejningsretningen inverteret.

2. Styring ifølge krav 1, kendetegnet ved, at denne er indrettet til at etablere afbrydelsen, inverteringen eller korrektionen efter en vis tidsforsinkelse ved passende styring af relæerne.

3. Styring ifølge krav 2, kendetegnet ved, at motoren i de givne positioner af relæerne (2, 3a; 3, 2a) er forbundet til en strømforsyning via mindst én elektrisk styrbar kontakt, fortrinsvis en FET-transistor (30) , der afbrydes ved den efter aktivereringen af 30 relæerne (21, 22) følgende deaktivering af ét eller begge relæer (21, 22).

4. Styring ifølge krav 1 -3, kendetegnet ved, at relæerne (21, 22) forbinder motoren (14) til 35 strømforsyningens negative pol i deres ikke-aktiverede tilstand. DK 175056 B1 21 q -όΤΊ 22—I „0 Vv, Ϊ Xy S "X ,æ— rfv' 13 30 Fig.1 r