電動機工作的方法以及相應(yīng)的電動機裝置的制造方法
【專利說明】電動機工作的方法以及相應(yīng)的電動機裝置
[0001]本發(fā)明涉及一種電動機工作的方法，該電動機可通過開關(guān)裝置與電源連接，并與空載裝置并聯(lián)，其中，在每個工作周期內(nèi)都以一定的接通比控制開關(guān)裝置，用于調(diào)節(jié)電動機的所希望的有效工作電壓，從而每個工作周期按照至少一種工作方式由接通時段和空載時段組成。本發(fā)明還涉及一種電動機裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]電動機例如是直流電動機，它可以通過開關(guān)裝置與被構(gòu)造成直流電源的電源連接，其方式為，相應(yīng)地調(diào)節(jié)該開關(guān)裝置。電源或直流電源優(yōu)選具有恒定的電壓。如果現(xiàn)在電動機持久地與電源連接，電動機就會產(chǎn)生與電源電壓有關(guān)的一定轉(zhuǎn)速。
[0003]為了調(diào)節(jié)即特別是控制和/或調(diào)整轉(zhuǎn)速，規(guī)定，借助于開關(guān)裝置來調(diào)整施加在電動機上的有效工作電壓。為此例如進行脈沖寬度調(diào)制，在調(diào)制時，針對多個相繼的工作周期，在每個獨立的工作周期內(nèi)都確定一定的接通比，并借助開關(guān)裝置來調(diào)節(jié)。電動機因而優(yōu)選可借助開關(guān)裝置周期性地與電源連接。
[0004]接通比確定了接通時段的時長與相應(yīng)工作周期的總時長的比，只有在所述接通時段內(nèi)才把開關(guān)裝置切換至導通。如果有效工作電壓等于由電源提供的電壓，就在整個工作周期把開關(guān)裝置切換至導通，從而接通時段的時長等于相應(yīng)工作周期的時長。
[0005]然而，按照至少一種工作方式，有效工作電壓應(yīng)小于由電源提供的電壓。因此，開關(guān)裝置并非在整個工作周期內(nèi)都導通，所以，工作周期由接通時段和空載時段組成，其中，在空載時段內(nèi)，開關(guān)裝置并不接通，電源與電動機之間的電連接因而中斷。通過這種方式可以調(diào)節(jié)所希望的有效工作電壓，進而調(diào)節(jié)電動機的所希望的轉(zhuǎn)速，特別是控制性地和/或調(diào)整性地予以調(diào)節(jié)。
[0006]由于電動機或其電機繞組具有大電感，所以，在每個接通時段之后都需要電流衰減電路。這個電流衰減電路通過與電動機并聯(lián)連接的空載裝置來提供。空載裝置例如可以是二極管，它按照其功能也可以稱為空載二極管，并設(shè)置在電動機的截止方向上。這意味著，在接通時段期間，沒有電流流經(jīng)空載裝置，因而電流完全供電動機工作之用。而在空載時段中，流經(jīng)電動機的電機電流可以通過空載裝置衰減。
[0007]把空載裝置設(shè)計成空載二極管所具有的優(yōu)點是，決不需要例如通過控制器進行有源控制，一旦電機電流衰減，二極管就自動截止。空載二極管因而是一種無源的空載裝置。但這種電路的缺點是，通過二極管流通電壓(D1denflussspannung)和電機電流確定的損耗功率相當高。這對于靠大電流和低的工作電壓工作的電動機來說尤為不利，而在自動化領(lǐng)域中常常有這種情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]相反，一種具有權(quán)利要求1的特征的電動機工作的方法具有如下優(yōu)點:只需很小的電路技術(shù)成本即可明顯減小損耗功率。根據(jù)本發(fā)明，實現(xiàn)此點的方式為，空載裝置具有空載晶體管和與該空載晶體管并聯(lián)連接的、設(shè)置在電源的截止方向上的空載二極管；在空載時段內(nèi)按下述步驟控制空載晶體管:確定在電動機上降下來的空載電壓；如果空載電壓不同于零，特別是小于零，那就使得空載晶體管接通持續(xù)一定的導通時段。與由現(xiàn)有技術(shù)已知的方法相反，現(xiàn)在不使用或者至少不僅僅使用(空載)二極管形式的無源的空載裝置，確切地說，而是使用有源的即可通斷的空載裝置。該空載裝置包括彼此并聯(lián)連接的空載晶體管和空載二極管。因此，無論空載晶體管還是空載二極管都在電路技術(shù)上與電動機并聯(lián)。
[0009]這種電路具有的優(yōu)點是，相比于純無源的空載裝置，損耗功率明顯更小。即使在控制頻率高的情況下，這種裝置也能毫無問題地工作，特別是如果空載時段如此短暫，以至于并非整個電機電流都通過空載裝載而衰減。在有時會出現(xiàn)“空隙”工作的低頻情況下，電機電流在空載時段內(nèi)因而衰減至零，但此時會出現(xiàn)損害。如果空載晶體管在整個空載時段內(nèi)都接通，即被調(diào)節(jié)為導通，則電動機的發(fā)電機式的電機電壓就會因通過空載晶體管造成的短路而導致電機電流方向逆轉(zhuǎn)，致使電動機制動。這樣會明顯增大損耗功率，因為用于電動機經(jīng)常加速和制動的大量能量被消耗掉了。
[0010]出于這個原因，可以規(guī)定，及時地切斷空載晶體管，即中斷通過它的空載電路。但這種切斷的時間點很難確定，且通常取決于很多因素，例如電機轉(zhuǎn)速、電源電壓、電動機電感、繞組電阻、電網(wǎng)的濾波特性等等。可以直接測量電機電流，但其轉(zhuǎn)換相當繁瑣且成本高昂，這是因為例如需要電流分流器和/或快速的耐干擾的放大器或比較器。
[0011]為了以簡單的方式、尤其以低廉的電路成本而且低成本地實現(xiàn)對空載晶體管的控制，因此規(guī)定，如果在電動機上降下來的空載電壓不同于零，則僅在一定的導通時段內(nèi)接通空載晶體管。這里選擇的順序在原則上是任意的。因而可以規(guī)定，首先在測量時段內(nèi)確定在電動機上降下來的空載電壓，然后根據(jù)一定的空載電壓接通空載晶體管。因而對一定的空載電壓與零值進行比較，并根據(jù)這種比較的結(jié)果來控制空載晶體管。在該方法的變型或補充中規(guī)定，在空載時段開始時馬上將空載晶體管接通持續(xù)一定的導通時段，然后才按給定順序，即確定空載電壓、隨后相應(yīng)地接通空載晶體管，實施前述方法，對空載電壓的確定特別優(yōu)選地通過測量來進行。為此可以設(shè)置相應(yīng)的測量裝置。
[0012]在一定的導通時段內(nèi)接通空載晶體管，如果該導通時段在工作周期結(jié)束之前結(jié)束，那就重復所述做法，即再次確定空載電壓，并據(jù)此來接通空載晶體管。相反，如果工作周期在導通時段結(jié)束之前結(jié)束，則導通時段也結(jié)束，緊接著引入下一個工作周期，因而引入下一個接通時段。
[0013]總之，因而在空載時段內(nèi)交替地歷經(jīng)測量時段和一定的導通時段，直到空載時段或工作周期結(jié)束。重要的是，空載晶體管的接通并不連續(xù)地進行，而是分成了多個小部分，即一定的導通時段。在每次導通時段之后都確定空載電壓，并與零比較。只要電機電流未衰減，空載電壓就約為-0.7V，這是因為與空載晶體管并聯(lián)連接的空載二極管沿流通方向(Flussrichtung)被供電。
[0014]特別優(yōu)選地，只有當空載電壓小于零時才在一定的導通時段內(nèi)接通空載晶體管。如果電機電流已經(jīng)衰減，空載電壓就不是負的，即不小于零。對于靜止式電動機來說，空載電壓等于零；而對于轉(zhuǎn)動式電動機而言，空載電壓一在電機電流已經(jīng)衰減的情況下一是正的。在后者情況下尤其規(guī)定，針對空載時段的余下部分調(diào)節(jié)對空載電壓的確定和對空載晶體管的接通，即等待空載時段結(jié)束，而并不將空載晶體管(有可能再次)接通。
[0015]本發(fā)明的方法具有很多優(yōu)點:一方面，特別是相比于采用無源空載裝置的方法，在空載電路或空載裝置中實現(xiàn)明顯較小的損耗功率。損耗功率例如可以減小大約70%~90%。相應(yīng)地，所用器件的特別是空載裝置的熱負荷減小了。此外，不必例如借助軟件程序計算導通時段。確切地說，只用硬件就能實現(xiàn)所述方法。也無需精確地快速地測量電機電流；確定空載電壓就足夠了?？梢栽诮油〞r段之后緊接著和/或在導通時段之后緊接著就確定空載電壓或發(fā)電機式的電壓。
[0016]本發(fā)明的一種優(yōu)選的設(shè)計規(guī)定，導通時段的時長被固定為恒定。因此，無需改變導通時段的時長或長度，以便在電機電流衰減至零時切斷空載晶體管。確切地說，如果滿足空載電壓的條件，始終都在被固定為恒定的整個導通時段內(nèi)接通空載晶體管。這能以簡單的方式用硬件實現(xiàn)，因而無需用來執(zhí)行方法的軟件程序等。
[0017]本發(fā)明的一種改進規(guī)定，導通時段的時長被選為等于工作周期時長的不到50%、特別是最多40%、最多30%、最多25%、最多20%、最多15%、最多10%、最多5%或最多1%。為了避免開篇所述的問題，即，電機電流在空載晶體管接通期間衰減為零，要適當?shù)剡x取導通時段，使得在任何情況下在工作周期期間多次確定空載電壓并相應(yīng)地接通空載晶體管。出于這個原因，導通時段優(yōu)選短于工作周期的一半。但特別優(yōu)選地選擇一個較高的節(jié)拍頻率，以便盡可能減小損耗功率。例如，導通時段的時長等于前述值，但其也可以明顯較小，最多為工作周期時長的0.5%、最多0.25%或最多0.1%。
[0018]本發(fā)明的一種優(yōu)選的設(shè)計規(guī)定，對空載電壓的確定在測量時段內(nèi)進行，在該測量時段期間，空載晶體管并不接通。如上已述，在空載時段內(nèi)，測量時段和一定的導通時段交替，直到空載時段或相應(yīng)的工作周期結(jié)束。這里當然也會出現(xiàn)的是，如果工作周期結(jié)束的話，測量時段和/或?qū)〞r段在其本該結(jié)束之前就結(jié)束了。在測量時段期間，空載晶體管并不接通，從而可以簡單地確定空載電壓。當然也可以僅僅近似地確定空載電壓，即特別是估計空載電壓。
[0019]現(xiàn)在特別優(yōu)選地規(guī)定，測量時段被選擇得短于導通時段。測量時段的時長例如為導通時段的時長的最多50%、最多25%、最多10%、最多5%或最多1%。
[0020]本發(fā)明的一種改進規(guī)定，作為空載裝置，采用MOSFET，且空載二極管就是MOSFET的本體二極管。術(shù)語“MOSFET”是金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管。它除了具有用作空載晶體管的場效應(yīng)晶體管外，還具有與場效應(yīng)晶體管并聯(lián)連接的本體二極管。因此，利用這種集成的器件既可以實現(xiàn)空載晶體管，又可以實現(xiàn)空載二極管。
[0021]本發(fā)明的另一有利的設(shè)計規(guī)定，借助控制器特別是借助控制器的集成的電路來控制開關(guān)裝置、控制空載裝置和/或確定空載電壓。電動機因而配設(shè)有控制器，該控制器特別優(yōu)選地具有集成的電路。對于實施所述方法所必需的步驟于是借助于控制器來執(zhí)行。在此尤其僅僅使用控制器的集成的電路。這意味著，無需軟件程序等。確切地說，只需要集成的電路，其例如是ASIC (特定用途集成電路)。
[0022]還可以規(guī)定，使用功率晶體管作為開關(guān)裝置。為了使電動機工作，往往僅使用電壓范圍內(nèi)的電壓。因此，流經(jīng)電動機進而流經(jīng)開關(guān)裝置的電流的電流強度至少有時很大。出于這個原因，使用功率晶體管作為開關(guān)裝置，它特點例如為超過IA的最大集電極電流。
[0023]最后可以規(guī)定，按照至少一種工作方式，流經(jīng)電動機的電機電流在空載時段期間徹底衰減。通常只有當接通時段僅具有較短的時長，即有效工作電壓明顯小于由電源提供的電壓時，才有這種情況。如上已述，在這種情況下實施本發(fā)明的方法尤為有利，以便減小損耗功率。如果在使用持久地接通的空載晶體管情況下電機電流減小，就會在電機電流衰減之后令