專利名稱：用于整流子串勵電機的轉速調節的方法和電路裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及按照獨立權利要求1和8種類所述的用于整流子串勵電機、 特別是通用電機的轉速調節的方法和電路裝置。
背景技術：
這種電路裝置在原理上是已知的，在這里，在所謂UI-調節范圍內作為 用于控制電機的輸入參數感測施加的電機電壓和通過一個安置在負載電路 內的分流器感測電機電流。例如在DE34 22 458C2中已經介紹了這種轉速 調節，它示出了裝有一個作為開關元件的三端雙向可控硅開關和一個作為 通用電機主電路中的電流測量元件的低歐姆電阻的電路裝置。原則上說， 這種電路裝置的工作是令人滿意的，然而該電路裝置成本比較高， 一方面 是由于低歐姆的精密電阻，另一方面是由于比較貴的用于提供和處理電機 電流測量信號的電路裝置。
發明內容
本發明的任務是，給出一種用于調節整流子串勵電機的的方法和電路 裝置，該調節允許以低的電路花費精確且價格便宜地調節電機轉速。這通 過獨立權利要求特征部分的特征達到，其中，不再需要感測電機電流作為 控制單元用的輸入參數。取而代之，將與電機電流I具有已知關系的電樞電 壓降UA或者優選將更容易感測的、電樞繞組上的和磁場繞組的一部分上的 電壓降UpA用作電機轉速調節時的另外的控制參數。這些電壓降的變化則
可以代替與電機負載相關地產生的電流變化作為調節參數供電路裝置的控 制單元用。取消了直接感測電機電流的必要性。
證實有利的是，在通用電機結構對稱的情況下，除了電機總電壓信號 外，控制單元還得到一個相當于電樞上的和兩個相同的磁場繞組部分中的 一個上的電壓降的總和的信號。該總和電壓可以毫無困難地在電機上量取，
特別是當同時感測電機的半導體開關元件上的已知的并且基本恒定的電壓 降時，這樣，具有固定參考電勢的測量點直接位于通向交流電壓源的、與 接地端連接的饋導線上。符合目的地，包括電機半導體開關元件上的電壓 降在內下，電機上的總電壓降也直接在通往交流電壓源的饋導線上量取。
感測用于整流子串勵電機的轉速調節的電壓值也可以替換地這樣進 行除了電機總電壓獨自作為電機電流值的代用信號外附加求出電樞上的 電壓降。然而因為該電壓降沒有固定的參考電勢，所以測量信號必須在一 差分放大器中處理。
為了提高在感測感興趣的測量電壓變化時的測量精度，符合目的的是， 在電機上的總電壓降沒有不變的電壓分量的情況下確定所述測量電壓變 化。這以特別簡單和有利的方式通過此達到特別是給由電樞上的和磁場 繞組的一部分上的電壓降的總和構成的測量電壓UFA疊加一個向反的直流 電壓(Ue)，該直流電壓至少部分地補償該不變的電壓分量。在最簡單的 情況下這可以通過此發生給測量電壓疊加一個恒定直流電壓，例如通過 在測量電路中接入一個齊納二極管。通過此，在齊納二極管上下降的、與 測量電壓反向的、恒定的直流電壓的量不被計入輸入給控制單元的測量電 壓中，使得感興趣的變化的測量電壓分量變大。疊加給測量電壓的直流電 壓的大小相應于所感測的電機電壓變化地構成，通過此明顯改善電壓補償。 這可以在電路技術上以簡單的方式通過一個電流源來實現，其方式是，通 過控制單元的一個端口根據所施加的電機電壓來控制一個在測量電路中與 測量電阻串聯的晶體管。這在最簡單的情況下是一個雙極的晶體管，它用 其發射極連接到交流電壓源的與電路裝置接地端連接的連接導線上，用其 集電極通過測量電阻與電樞的背離電路裝置接地的端子連接。因此，給測 量電壓疊加的直流電壓的大小可通過控制單元本身以特別合理的方式這樣 改變使得只有測量電壓變化還可在晶體管集電極上看到。
由從屬權利要求和實施例說明中可知道按照本發明方法和用于實施本 方法的電路裝置的其他細節和構造。
在附圖中示出
圖1 用于整流子串勵電機的轉速調節的按照本發明的電路裝置，該
轉速調節不用電流測量元件只通過感測合適的測量電壓就可實現，
圖2 用相應于電機上的不同的總電壓降的特性曲線族描述可在電樞 上和磁場繞組的一部分上感測的、作為電機電流I的函數的測量電壓UFA，
圖3 對電機的與電樞上和磁場繞組的一部分上的電壓降UpA相關的、 在不同的轉矩或者負載力矩M。至Mn時的不同的轉速特性曲線族的描述。
具體實施例方式
在圖1中用IO標記一個通用電機，它具有電樞12和兩個相同的磁場 半繞組14和16。電機10通過一個呈三端雙向可控硅開關18構型的半導體 開關元件以及通過導線20與交流電壓源22的一個端子連接。電機10通過 導線24在交流電壓源22的另一個極上與其另一個端子連接。另外，饋導 線20與作為電路裝置參考電勢的接地端26連接。
通過微控制器28形式的控制單元來控制電機10，該微控制器通過一個 輸入端30和一個作為電勢計32示出的調節裝置得到轉速輸入信號ns。 。微 控制器28的一個輸入端34與導線20連接，為了電網同步，微控制器的另 一個端子36通過一個例如1M Q的串聯電阻與通向交流電壓源22的饋導線 24連接。在圖中沒有示出對微控制器28的直流電壓供給，它以公知的方式 由一個例如5V的穩壓電源進行。
作為用于電機10的轉速調節的控制參數， 一方面，電機上的總電壓降 UM。t供微控制器28使用，另一方面，由電樞12、磁場半繞組14和三端雙 向可控硅開關18組成的串聯電路上的電壓降UfA或者可選擇電樞12上的 電壓降UA作為電機電流I的量值的代用信號供微控制器28使用。在感測
總電壓降UMOT以及在感測測量電壓Ufa吋，三端雙向可控硅開關18上的
大約2V的基本恒定的電壓降也被一起包括在內，因為在導線20上的電機 10的外端子比較容易被接觸到。三端雙向可控硅開關18上的電壓降對于測 定轉速來說是不引起注意的。
微控制器28 —方面通過輸入端34、另一方面通過輸入端40和42得到 測量電壓UMor和UFA。在這里，磁場繞組16的外端通過導線24、 一個合 適的測量電路或者測量值處理裝置43和導線44與微控制器28的輸入端40 連接，用于感測總電壓降UMOT。在電樞12上和磁場半繞組14上的電壓降 UfA通過電阻46和48從電樞繞組12的端子66到達微控制器28的輸入端
42。在這里，電阻46和48之間的連接點50通過晶體管52的集電極發射 極段以及通過導線53與導線20連接。晶體管52的基極通過一個串聯電阻 54與微控制器28的一個端口 56連接。附加地，在導線20和微控制器28 輸入端42之間連接一個電容器58，用于使測量信號平滑。
替換感測測量電壓UpA,也可以感測電機10的電樞12上的電壓UA作 為用于電機電流I的量值的代用信號，如在圖1中用虛線示出的那樣。在這 里，在電樞繞組上的電壓UA輸入差分放大器60的輸入端，該差分放大器 的輸出端處于微控制器28的輸入端62上。通過微控制器28的輸出端64 控制三端雙向可控硅開關18。
按照本發明的方法和所建議的電路裝置如下工作
在連接交流電壓源22和在電勢計32上預給定轉速給定值ns。n后，三端 雙向可控硅開關18通過微控制器28被轉換到導通狀態，電機電流I流過電 樞12的繞組和兩個磁場半繞組14和16。電機10上的總電壓降Umot包括 三端雙向可控硅開關18上的電壓降通過輸入端34和40到達微控制器28。 此外，在輸入端34和42之間有一個相當于電壓UFA的電壓信號，該電壓 在電樞12、磁場半繞組14和三端雙向可控硅開關18上下降，降低量為電 阻46和48上的電壓降。微控制器28的端口 56上的電壓可相應于總電壓 降Ufa変化。該電勢低于饋導線20上的電勢，以致通過晶體管52的發射 極和基極形成一個控制電流，它引起一個經過晶體管52的發射極-集電極段 和經過電阻46的電流。通過該電流在電阻46上產生的直流電壓降Ue與在 為控制而感測的交流電壓22半波中的測量電壓Ufa反向，并且在電阻46 和48大小合適的情況下使測量電壓UFA降低，降低量為其不變的分量(補 償)，降低到實際在電樞12上和磁場半繞組14下降的、與電機電流I成比 例的分量UFA'。借助于圖2和3詳細解釋電壓變化和電壓大小與電機電流I 的關系。
布置在微控制器28的端子42和交流電壓源22的饋導線20之間的電 容器58平滑過濾測量電壓信號并抑制干擾電壓峰值。在這里，在通過電容 器58對測量電壓積分之后得到一個降低了值Ucj (補償)的測量電壓UFA'， 在微控制器28的電壓水平上，即在最大約5V的電壓范圍內。測量電壓UFA' 相應于通過三端雙向可控硅開關18控制的平均電機電流，從而相應于平均 的內部電機扭矩。Ufa的相対高的、不變化的、在使用220V交流電壓源時
在200V數量級的分量與電樞12和磁場半繞組14上的明顯較低的、在20-40V數量級的電壓降UpA之間的不利的比例通過減去相應于該補償變化的、 電阻46上的直流電壓Ue降低到測量電壓UpA的實際要感測的分量UFA'。 用虛線框出的由晶體管52以及電阻46和54組成的結構單元55使直流電 壓UG的大小可以借助通過微控制器28控制晶體管52來自動校正。結構單 元55作為電流源工作，其中電流大小通過微控制器28相應于總測量電壓 UFA包括補償來跟蹤控制。在電阻46上的電壓降Uc相當于該補償。
圖2示出與電機電流I相關、從而也與電機10能輸出的扭矩M相關的
測量電壓降UpA的變化曲線。這些不同的、基本上平行延伸的測量電壓UpA
特性曲線構成一個相應于在電機10上總共感測到的測量電壓UMor的曲線
組，其中，隨著電流I上升分別下降的測量電壓UFA確定隨著電機電壓UM。
增大而位置更高的特性曲線。在電機負載變化時出現的電流I決定了在總電
壓降UMOT恒定情況下各個測量電壓UFA的變化曲線。g卩，在沒有補償調節 的情況下，例如在電機電壓為UMOT4時由測量電壓UFAO得出空轉電流Io， 由測量電壓UpAL得出滿負載電流Il。從按照圖3的曲線組中可得知空轉時
的相應轉速no和滿負載時的轉速I!l。該曲線組對于恒定電機電壓UMcm時 的測量電壓Ufa。和U亂由與負載特性曲線M^和Mo或者說Il和Io的交點 提供空轉時的轉速no和滿負載時的轉速riL。出給定轉速ns。H出發可以根據
該特性曲線族確定取決于負載的轉速降低并且根據所產生的電壓差AUFA
來識別必要的電機電壓提高，為了遵守預訂轉速ns。u需要該提高。
在圖1中用虛線標明的、具有差分放大器60的電路方案形成一種可能
性代替電壓降UFA直接感測電樞繞組端子上的電壓降UA并且作為控制參
數代替電機電流I輸入給微控制器28。然而在這里附加需要一個差分放大 器60，因為沒有參考電勢可供使用。圖2和3中的測量曲線圖原則上也適 用于該電路。在兩個電路方案中，即當只在電樞上測量電壓感測UA時以及 當在電樞繞組和磁場半繞組14上感測測量電壓UpA時，測量和調節都分別 只以交流電壓源22的一個半波為基礎。在這里，在所示出的在導線20上 具有內部接地端26的電路裝置中，涉及負半波。
圖2和3的特性曲線存儲在微控制器28內。三端雙向可控硅開關18 通過微控制器28的調節則分別相應于所測量的特性曲線上兩點之間電壓差 AUfa迸行，這些特性曲線相應于所測量的電機電壓UMOT。
權利要求
1.用于整流子串勵電機、特別是通用電機的轉速調節的方法，該電機由一交流電壓源通過一與電樞繞組和磁場繞組串聯連接的、由一控制單元根據轉速給定值控制的半導體開關元件供給電流，其特征為，作為輸入信號，一方面將一個相應于通電流(I)時電機(10)上的總電壓降(UMot)的信號輸入給控制單元(28)，另一方面將一個相應于僅電樞(12)上的或者電樞(12)上和磁場繞組(14，16)的一部分(14)上的電壓降(UA，UFA)的、用于電機電流(I)的量值的代用信號輸入給控制單元(28)，在控制單元(28)中將這些信號與存儲在那里的、電機典型的、勵磁場(14)上和/或電樞(12)上的電壓的特性曲線(UA，UFA＝f(I，UMot))相比較，根據偏差(ΔUA；ΔUFA)形成用于半導體開關元件(18)的控制信號。
2. 按照權利要求1所述的方法，其特征為，控制單元(28)除電機總 電壓(UM。t)信號外附近得到一個相應于電樞(12)上和兩個優選相同的磁 場繞組部分(14， 16)中的一個(14)上的電壓降的總和(UFA)的信號。
3. 按照權利要求1所述的方法，其特征為，作為用于電機電流(I)的 量值的代用信號，給控制單元(28)輸入一個在差分放大器(60)放大的、 相應于電樞電壓(UA)量值的信號。
4. 按照前面權利要求之一所述的方法，其特征為，給測量電壓(UFA， UA)疊加一個反向的直流電壓(Ucj)。
5. 按照權利要求4所述的方法，其特征為，給測量電壓(UFA， UA) 疊加的直流電壓(Uc)的量值可相應于測量電壓(UFA， UA)變化而變化。
6. 按照權利要求4或5所述的方法，其特征為，給測量電壓(UFA， UA)疊加的直流電壓(UG)的量值可通過控制單元(28)本身變化。
7. 用于整流子串勵電機、特別是通用電機的轉速調節的電路裝置，特 別是用于實施按照權利要求1至6之一所述的方法，該電機由一交流電壓 源通過一與電樞繞組和磁場繞組串聯連接的、由一控制單元根據轉速給定 值控制的半導體開關元件供給電流，其特征為，控制單元(28)以第一輸 入端(34)連接到該交流電壓源(22)的與接地端(26)連接的連接導線 (20)上，以第二輸入端(40)通過一用于處理測量值的電路(43)連接到 該交流電壓源(22)的第二連接導線(24)上，以第三輸入端(42)連接 到電樞(12)的背離接地端(26)的端子(66)連接。
8. 按照權利要求7所述的電路裝置，其特征為，控制單元(28)的第 三輸入端(42)通過一個與測量電壓(UFA)相反極性的輔助電壓源(U(j) 與電樞(12)上的端子(66)連接。
9. 按照權利要求8所述的電路裝置，其特征為，輔助電壓源(Uo)構 造為受控制的直流電源(46， 52， 54)。
10. 按照權利要求9所述的電路裝置，其特征為，輔助電壓源(U0) 具有一個通過控制單元(28)的另一端子(56)相應于電機電壓(UM。t)變 化來控制的晶體管(52)，該晶體管的負載段通過一個串聯電阻(46)布 置在與接地端(26)連接的交流電壓源(22)連接導線(20)和背離該連 接導線的電樞(12)端子(66)之間。
11. 用于整流子串勵電機、特別是通用電機的轉速調節的電路裝置， 特別是用于實施按照權利要求1至6之一所述的方法，該電機由一交流電 壓源通過一與電樞繞組和磁場繞組串聯連接的、由一控制單元根據轉速給 定值控制的半導體開關元件供給電流，其特征為，控制單元(28)用第一 輸入端(34)連接到交流電壓源(22)的與接地端(26)連接的連接導線 (20)上，以第二輸入端(40)連接到交流電壓源(22)的第二連接導線(24) 上，以另一輸入端(62)連接到差分放大器(60)的輸出端上，該差分放 大器的輸入端與電樞(12)的端子(66， 68)連接。
全文摘要
本發明涉及用于整流子串勵電機、特別是通用電機的轉速調節的方法和電路裝置，該電機由一交流電壓源(22)通過一與電樞繞組(12)和磁場繞組(14，16)串聯的、由一控制單元(28)根據轉速給定值控制的半導體開關元件(18)供電。作為輸入信號，控制單元(28)一方面得到相應于電機(10)通電時的總電壓降(U<sub>Mot</sub>)一個信號，另一方面得到相應于僅電樞(12)上的或者電樞(12)上和磁場繞組(14，16)的一部分(14)上的電壓降(U<sub>A</sub>，U<sub>FA</sub>)的、用于電機電流(I)的量值的代用信號。控制單元(28)的輸入信號與存儲在那里的電機典型的、勵磁場(14)上和/或電樞(12)上的電壓特性曲線相比較，根據偏差形成用于半導體開關元件的控制信號。
文檔編號H02P25/14GK101351957SQ200680050054
公開日2009年1月21日 申請日期2006年11月17日 優先權日2005年12月29日
發明者B·克勒, K·登格勒, R·韋爾特 申請人:羅伯特·博世有限公司