專利名稱：用于制動一個電換向電機的控制方法和電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于制動一個電換向電機，尤其是一個在手動工具中用作驅動器的開關磁阻電機的控制方法和電路。
在手動工具中，電換向電機被用作具有高功率的小體積驅動器，它必須在被使用者關機后迅速被制動。
這種電機包括諸如無電刷直流電機，恒磁同步電機，異步電機和開關磁阻(SR)-電機，這種電換向電機由一個具有多個由恒磁或軟磁材料構成的電極的，可旋轉放置的轉子和一個具有多個極靴的定子組成，并且它們具有一個穿過線圈的磁流被調節，在旋轉的轉子接通電流的時間內線圈通過一個逆整流器(Wechselrichter)與電壓源連接，逆整流器通過一個與用于確定轉子角的傳感器相連接的，微控制器的控制-和調節電路，參照一個額定值被調節。
通過電流方向和在一個相位周期中的開通-或關斷點，在一個導通時間中產生或者一個驅動矩，或產生一個制動矩。在SR-電機中逆整流器通常被設計為半橋，因為電流不僅在電機的，而且也在發電機的工作模式下在一個電流方向上流過線圈。通常在電網側整流器和負載側逆整流器之間設置一個中間電路，其中一個中間電路電容器用于短時間的能量供給。
為了制動轉子，通常在短路或釋放方式中的旋轉能量轉換為轉子或定子中的熱，或者在發電機模式下反饋給中間電路或電網，或者在分開的制動阻抗中轉換為熱。快速制動中的缺點在于，不僅增加了形式為制動阻抗的構件及必要的功率開關和控制電路，而且諸如在定子線圈中的短路電流和轉子中的磁場強度等工作參數變得不能被允許地高。
按照DE 19949804 A1，一種具有一個永磁轉子的無電刷直流電機具有三個角度錯開的霍爾-傳感器，三個線圈并且在整流器之間具有一個設計為三個橋臂具有并聯的空載二極管的全橋的逆整流器，它具有一個有一個中間電路電容和一個電流測量電阻的電壓中間電路。通過一個包含在微控制器中的合成電機模型，在負載和轉速變化時如此調整，使得饋給電機的直流電壓與電機中感應的電壓有規定的關系，并從而電機以合適的工作方式工作。在用于制動的發電機工作方式下，可能出現的不允許地高的中間電路電壓—它會導致逆整流器或電機的損壞—通過其它調整電路被限制。這種方案的缺點是，在電流-和電壓側被限制的，發電機工作方式下很小的制動矩。
按照DE 4311533 A1，對于一個無電刷直流電機的控制方法支持不同優先級和部分組合的電機功能換向；被調節的節拍；中斷；切換電機方式到無節拍的發電機方式。這個方案的缺點是在短路工作下快速制動時可能出現不允許地高的損耗，它會導致逆整流器或電機的損壞。
按照EP 534761 B1，在一個運行電換向SR-電機的方法中它在較高轉速時工作在恒定電流工作方式下，導通時間的開通時間點在半個相位周期上延伸并且在多個相位周期上被調整。
按照DE 3721477，為了嚴格調整用電換向電機的放帶設備的速度，一個線圈工作在電機工作方式下，而同時另一個線圈工作于發電機方式下。它們的磁場重迭。這種方案不適用于快速制動。
按照DE 19518991，在一個運行電換向電機的方式中在一個相位周期內在短路制動(每一個橋臂導通或關斷)和發電機方式(兩個橋臂關斷)之間快速切換，這樣一方面中間電路被饋電，另一方面，或者是制動電流，或者是中間電路電壓被調節到最大允許限度。此方案的缺點是在電流-和電壓側受限制的，發電機工作方式下很小的制動矩。
此外按照EP 534761 B1，在一個運行電換向SR-電機的方法中它在較高轉速下工作于恒定電流工作方式下，導通時間的開通時間點在半個相位周期上延伸并且在多個相位周期上被調整。
本發明的目的在于給出制動電換向電機的一種方法和一種電路，其中無需增加制動裝置，且不出現不允許地高的工作參數。
上述任務主要由獨立的權利要求所述特征完成。其它權利要求給出有優點的其它設計。
在制動電換向電機的方法中主要是在一個相位周期內涉及至少一個線圈的逆整流器不僅在電機工作方式下，而且也在發電機工作方式下用不等于零的導通時間工作，其中對應于導通時間的驅動矩或制動矩在相位周期上平均產生一個綜合的制動矩。
在兩個工作方式下不僅流過逆整流器，也流過定子線圈的電流不僅引起逆整流器中的熱，而且也引起電機線圈中的熱，并且引起對應轉子空間中的漏磁損耗，并從而導致分配損耗，這涉及在允許的電流界限值內最大化工作參數和盡可能快速地制動電機。
用微控制器和與其相連接的逆整流器制動電機的控制方法包含以下步驟·在第一步中至制動方式的轉換被檢測，有優點的是由使用者關機；·在第二步中通常的電機方式，最好具有一個轉速-和/或力矩調整，被結束，并且轉換到制動方式；·在其它的周期地重復的步驟中，具有驅動矩的第一個導通時間及時間上與其錯開的具有制動矩的第二個導通時間如此產生，使得它們在一個相位周期上平均產生一個綜合的制動矩。
在通常的一個高度優化的調節電路中，在制動方式下由線圈整個延遲調節的電流強度有優點地在導通時間內通過限流而被限制到一個電流界限值上，方法是導通時間被中斷，這樣避免了逆整流器或電機受到不允許地高的電流強度的傷害。
有優點的是在電機導通時間內和在發電機導通時間內不同的電流界限值被用于限流，這樣通過變化作為參數的相應電流界限值可以獨立調整在一個相位周期上平均的相應矩。此外優點還在于對電機導通時間設置的總計較小的電流界限值被用作參數，這樣總產生一個最大的允許制動矩并簡化了調整。
有優點的是在一個通過限流優化的調節電路中存在一個中間電路時，在制動方式下由感應整個延遲構成的中間電路電壓限制在一個允許的電壓界限值上，在發電機導電時間內通過限流到作為控制參數使用的電流界限值，通過一個最好是連續的電壓調節器限制中間電路電壓，這樣避免了過高的中間電路電壓對逆整流器或電機的傷害。
有優點的是中間電路電壓的電壓調節器被用于控制一個相位周期上平均的綜合制動矩，因為在中間電路電容器中一個相位周期上平均的中間電路電壓的變化是對于放出和反饋能量的能量平衡的一個度量，這樣綜合的制動矩可簡單地通過電流界限值的大小被調整。當在其之間來回切換的兩個電流界限值之差最大時得到最大的制動矩。
有優點的是在較高轉速下制動方式時，電機工作于恒定電流工作方式，具有在半個相位周期上的單個導通時間，電機和發電機導通時間在時間上無縫地相互連接，這樣制動方法也可用于較高轉速的情況下。
下面借助一個優化實施例詳細說明本發明。附圖中
圖1是工作循環圖，圖2是電流-時間圖，圖3是原理的控制-和調節電路的實施例。
如圖1所示，一個SR-電機的工作循環具有一個電機的導通時間t1-t2和一個發電機的導通時間t3-t4，相應通過線圈的電流I上的磁流Ψ在一個相位周期T上構成一個無電流縫隙的順時針方向的循環過程，其封閉的面積Wc是對制動能量的一個度量。導通時間的開通和關斷時間t1，t2，t3，t4由微控制器可控地配置給確定的轉子角位置。對應于最大允許流過線圈的電流強度I的第一個電流界限值Imax通過中斷限制在發電機導通時間t3-t4中的電流。第二個，作為參量可改變的下電流界限值Imin通過中斷限制電機導通時間t1-t2中的電流。
如圖2所示，通過線圈的電流I的電流-時間圖具有一個時間上無縫隙地相互連接的，從電機導通時間t1-t2至發電機導通時間t3-t4的過渡，其中在發電機導通時間t3-t4中電流I被最大允許電流界限值Imax限制，在電機導通時間t1-t2中電流I被可變的下電流界限值Imin限制。
圖3示出一個具有一個電換向電機4的驅動系統的原理電路圖。電機4在一個逆整流器7上工作，逆整流器從作為微控制器一部分的邏輯電路3接收其控制命令Zi。邏輯電路3處理從上級系統控制器6和電流調節器/限制器2收到的控制命令。電流調節器2收集通過線圈的電流I，將其與系統控制器6確定的電流界限值Imin，Imax中的一個進行比較，必要時與一個電流額定值Isoll比較，并且由此根據實現的調整方法導出相應的控制命令yi。電流額定值由一個外加的轉速調節器1提供，它從一個轉速-或角位置檢測器5接收轉速實際值n，從例如系統控制器6接收轉速額定值N。上級系統控制器6除了收集圖中未詳細示出的系統值以外，收集轉子角α和/或電機的轉速實際值n以及中間電路電壓U。轉子角α可以由轉速實際值n和時間以良好的近似求出或反過來。這個通常的原理電路除了對通過線圈的電流I的第一個電流限制值Imax之外，還具有一個用于限制中間電路電壓U的電壓調節電路。電壓調節電路由電壓調節器8組成，它將中間電路電壓U與一個規定的最大允許電壓Umax比較，并由此產生第二個下電流界限值Imin如果U大于最大值Umax，Imin變大，并且朝著規定的上電流界限值Imax改變。兩個電流界限值Imin和Imax被送到一個切換塊9，它根據系統控制器6的輸出值—在上述方法的意義上—交替地每次傳送兩個電流界限值Imin，Imax中的一個至電流調節器2。在所述制動中轉速調節器1不工作，因而其輸出值Isoll也不被使用，在正常電機工作方式下它被連接到電流調節器2的額定值輸入端。
本實施例涉及一個SR-電機。此方法也可用于其它電換向電機，這對專業人員原理上是沒有問題的，并且只需對此實施例作輕微的改動即可。
權利要求
1.用一個微控制器控制的逆整流器(7)制動一個電換向電機(4)的控制方法，其特征在于，在一個相位周期(T)內涉及至少一個線圈的逆整流器(7)連續地不僅在電機工作方式下，也在發電機工作方式下以不等于零的導通時間(t1-t2，t3-t4)工作，其中配置給導通時間(t1-t2，t3-t4)的驅動矩或制動矩在相位周期(T)上平均產生一個綜合的制動矩。
2.如權利要求1所述的控制方法，其特征在于，為制動電機(4)由微控制器和與其連接的逆整流器(7)完成以下步驟第一步至制動方式的轉換被檢測，最好由使用者關機；第二步通常的電機方式，最好具有一個轉速-和/或力矩調整，被結束并轉換到制動方式；在其它周期性重復的步驟中，具有驅動矩的第一個導通時間(t1-t2)以及時間上與其錯開的，具有制動矩的第二個導通時間(t3-t4)如此被產生，使得它們在一個相位周期(T)上平均產生一個綜合的制動矩。
3.如權利要求1或2所述的控制方法，其特征在于，在一個高度優化的調節電路中在制動方式中由線圈整個延遲調整的電流強度(I)在導通時間(t1-t2，t3-t4)內被一個限流限制到一個電流界限值(Imin，Imax)上，方法是導電時間(t1-t2，t3-t4)被中斷。
4.如以上權利要求中任一項所述的控制方法，其特征在于，在電機導通時間(t1-t2)和在發電機導通時間(t3-t4)中限流采用不同的電流界限值(Imin，Imax)，并且最好只有數值小的電流界限值(Imin)被用作調節參數。
5.如上述權利要求中任一項所述的控制方法，其特征在于，在一個通過限流優化的調節電路中存在中間電路時，在制動方式下由感應整體延遲構成的中間電路電壓(U)被限制到一個允許的電壓值(Umax)上，在發電機導通時間(t3-t4)內中間電路電壓(U)通過限流到作為控制參數使用的數值較小的電流界限值在一個最好是連續的電壓調節器(8)上被限制。
6.如權利要求5所述的控制方法，其特征在于，中間電路電壓(U)的電壓調節器(8)被用于控制在相位周期(T)上平均得到的制動矩。
7.如上述權利要求中任一項所述的控制方法，其特征在于，在較高轉速時制動方式下電機(4)以恒定電流工作方式工作，單個導通時間(t1-t2，t3-t4)為半個相位周期(T)，電機和發電機的導通時間(t1-t2，t3-t4)時間上無縫隙地相互連接。
8.實現如上述權利要求中任一項所述的制動一個電換向電機(4)的控制方法的電路，其特征在于，存在一個用于兩個電流界限值(Imin和Imax)的切換塊(9)，它與系統控制器(6)和電流調節器(2)相連接。
9.如權利要求8所述的電路，其特征在于，電壓調節器(9)與中間電壓(U)和切換塊(9)的電流界限值(Imin)輸入端相連接。
10.如以上權利要求中任一項所述的方法和/或電路在手動工具中的應用。
全文摘要
本發明涉及制動一個電換向電機的控制方法和電路，其中在一個相位周期(T)內涉及至少一個線圈的逆整流器連續地不僅在電機工作方式下，而且也在發電機工作方式下以不等于零的導通時間(t
文檔編號H02P6/24GK1398042SQ02126220
公開日2003年2月19日 申請日期2002年7月15日 優先權日2001年7月16日
發明者威斯麥基·沃爾特, 鮑爾·魯道夫, 多羅克·威爾莫斯 申請人:希爾蒂股份公司