CN101351957A - 用于整流子串励电机的转速调节的方法和电路装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于整流子串励电机、特别是通用电机的转速调节的方法和电路装置,该电机由一交流电压源(22)通过一与电枢绕组(12)和磁场绕组(14,16)串联的、由一控制单元(28)根据转速给定值控制的半导体开关元件(18)供电。作为输入信号,控制单元(28)一方面得到相应于电机(10)通电时的总电压降(UMot)一个信号,另一方面得到相应于仅电枢(12)上的或者电枢(12)上和磁场绕组(14,16)的一部分(14)上的电压降(UA,UFA)的、用于电机电流(I)的量值的代用信号。控制单元(28)的输入信号与存储在那里的电机典型的、励磁场(14)上和/或电枢(12)上的电压特性曲线相比较,根据偏差形成用于半导体开关元件的控制信号。

Description

用于整流子串励电机的转速调节的方法和电路装置
技术领域
本发明涉及按照独立权利要求1和8种类所述的用于整流子串励电机、特别是通用电机的转速调节的方法和电路装置。
背景技术
这种电路装置在原理上是已知的,在这里,在所谓UI-调节范围内作为用于控制电机的输入参数感测施加的电机电压和通过一个安置在负载电路内的分流器感测电机电流。例如在DE 34 22 458 C2中已经介绍了这种转速调节,它示出了装有一个作为开关元件的三端双向可控硅开关和一个作为通用电机主电路中的电流测量元件的低欧姆电阻的电路装置。原则上说,这种电路装置的工作是令人满意的,然而该电路装置成本比较高,一方面是由于低欧姆的精密电阻,另一方面是由于比较贵的用于提供和处理电机电流测量信号的电路装置。
发明内容
本发明的任务是,给出一种用于调节整流子串励电机的的方法和电路装置,该调节允许以低的电路花费精确且价格便宜地调节电机转速。这通过独立权利要求特征部分的特征达到,其中,不再需要感测电机电流作为控制单元用的输入参数。取而代之,将与电机电流I具有已知关系的电枢电压降UA或者优选将更容易感测的、电枢绕组上的和磁场绕组的一部分上的电压降UFA用作电机转速调节时的另外的控制参数。这些电压降的变化则可以代替与电机负载相关地产生的电流变化作为调节参数供电路装置的控制单元用。取消了直接感测电机电流的必要性。
证实有利的是,在通用电机结构对称的情况下,除了电机总电压信号外,控制单元还得到一个相当于电枢上的和两个相同的磁场绕组部分中的一个上的电压降的总和的信号。该总和电压可以毫无困难地在电机上量取,特别是当同时感测电机的半导体开关元件上的已知的并且基本恒定的电压降时,这样,具有固定参考电势的测量点直接位于通向交流电压源的、与接地端连接的馈导线上。符合目的地,包括电机半导体开关元件上的电压降在内下,电机上的总电压降也直接在通往交流电压源的馈导线上量取。
感测用于整流子串励电机的转速调节的电压值也可以替换地这样进行:除了电机总电压独自作为电机电流值的代用信号外附加求出电枢上的电压降。然而因为该电压降没有固定的参考电势,所以测量信号必须在一差分放大器中处理。
为了提高在感测感兴趣的测量电压变化时的测量精度,符合目的的是,在电机上的总电压降没有不变的电压分量的情况下确定所述测量电压变化。这以特别简单和有利的方式通过此达到:特别是给由电枢上的和磁场绕组的一部分上的电压降的总和构成的测量电压UFA叠加一个向反的直流电压(UG),该直流电压至少部分地补偿该不变的电压分量。在最简单的情况下这可以通过此发生:给测量电压叠加一个恒定直流电压,例如通过在测量电路中接入一个齐纳二极管。通过此,在齐纳二极管上下降的、与测量电压反向的、恒定的直流电压的量不被计入输入给控制单元的测量电压中,使得感兴趣的变化的测量电压分量变大。叠加给测量电压的直流电压的大小相应于所感测的电机电压变化地构成,通过此明显改善电压补偿。这可以在电路技术上以简单的方式通过一个电流源来实现,其方式是,通过控制单元的一个端口根据所施加的电机电压来控制一个在测量电路中与测量电阻串联的晶体管。这在最简单的情况下是一个双极的晶体管,它用其发射极连接到交流电压源的与电路装置接地端连接的连接导线上,用其集电极通过测量电阻与电枢的背离电路装置接地的端子连接。因此,给测量电压叠加的直流电压的大小可通过控制单元本身以特别合理的方式这样改变:使得只有测量电压变化还可在晶体管集电极上看到。
由从属权利要求和实施例说明中可知道按照本发明方法和用于实施本方法的电路装置的其他细节和构造。
附图说明
在附图中示出:
图1 用于整流子串励电机的转速调节的按照本发明的电路装置,该转速调节不用电流测量元件只通过感测合适的测量电压就可实现,
图2 用相应于电机上的不同的总电压降的特性曲线族描述可在电枢上和磁场绕组的一部分上感测的、作为电机电流I的函数的测量电压UFA
图3 对电机的与电枢上和磁场绕组的一部分上的电压降UFA相关的、在不同的转矩或者负载力矩Mo至Mn时的不同的转速特性曲线族的描述。
具体实施方式
在图1中用10标记一个通用电机,它具有电枢12和两个相同的磁场半绕组14和16。电机10通过一个呈三端双向可控硅开关18构型的半导体开关元件以及通过导线20与交流电压源22的一个端子连接。电机10通过导线24在交流电压源22的另一个极上与其另一个端子连接。另外,馈导线20与作为电路装置参考电势的接地端26连接。
通过微控制器28形式的控制单元来控制电机10,该微控制器通过一个输入端30和一个作为电势计32示出的调节装置得到转速输入信号nsoll。微控制器28的一个输入端34与导线20连接,为了电网同步,微控制器的另一个端子36通过一个例如1MΩ的串联电阻与通向交流电压源22的馈导线24连接。在图中没有示出对微控制器28的直流电压供给,它以公知的方式由一个例如5V的稳压电源进行。
作为用于电机10的转速调节的控制参数,一方面,电机上的总电压降UMot供微控制器28使用,另一方面,由电枢12、磁场半绕组14和三端双向可控硅开关18组成的串联电路上的电压降UFA或者可选择电枢12上的电压降UA作为电机电流I的量值的代用信号供微控制器28使用。在感测总电压降UMOT以及在感测测量电压UFA时,三端双向可控硅开关18上的大约2V的基本恒定的电压降也被一起包括在内,因为在导线20上的电机10的外端子比较容易被接触到。三端双向可控硅开关18上的电压降对于测定转速来说是不引起注意的。
微控制器28一方面通过输入端34、另一方面通过输入端40和42得到测量电压UMOT和UFA。在这里,磁场绕组16的外端通过导线24、一个合适的测量电路或者测量值处理装置43和导线44与微控制器28的输入端40连接,用于感测总电压降UMOT。在电枢12上和磁场半绕组14上的电压降UFA通过电阻46和48从电枢绕组12的端子66到达微控制器28的输入端42。在这里,电阻46和48之间的连接点50通过晶体管52的集电极发射极段以及通过导线53与导线20连接。晶体管52的基极通过一个串联电阻54与微控制器28的一个端口56连接。附加地,在导线20和微控制器28输入端42之间连接一个电容器58,用于使测量信号平滑。
替换感测测量电压UFA,也可以感测电机10的电枢12上的电压UA作为用于电机电流I的量值的代用信号,如在图1中用虚线示出的那样。在这里,在电枢绕组上的电压UA输入差分放大器60的输入端,该差分放大器的输出端处于微控制器28的输入端62上。通过微控制器28的输出端64控制三端双向可控硅开关18。
按照本发明的方法和所建议的电路装置如下工作:
在连接交流电压源22和在电势计32上预给定转速给定值nsoll后,三端双向可控硅开关18通过微控制器28被转换到导通状态,电机电流I流过电枢12的绕组和两个磁场半绕组14和16。电机10上的总电压降UMOT包括三端双向可控硅开关18上的电压降通过输入端34和40到达微控制器28。此外,在输入端34和42之间有一个相当于电压UFA的电压信号,该电压在电枢12、磁场半绕组14和三端双向可控硅开关18上下降,降低量为电阻46和48上的电压降。微控制器28的端口56上的电压可相应于总电压降UFA变化。该电势低于馈导线20上的电势,以致通过晶体管52的发射极和基极形成一个控制电流,它引起一个经过晶体管52的发射极-集电极段和经过电阻46的电流。通过该电流在电阻46上产生的直流电压降UG与在为控制而感测的交流电压22半波中的测量电压UFA反向,并且在电阻46和48大小合适的情况下使测量电压UFA降低,降低量为其不变的分量(补偿),降低到实际在电枢12上和磁场半绕组14下降的、与电机电流I成比例的分量UFA′。借助于图2和3详细解释电压变化和电压大小与电机电流I的关系。
布置在微控制器28的端子42和交流电压源22的馈导线20之间的电容器58平滑过滤测量电压信号并抑制干扰电压峰值。在这里,在通过电容器58对测量电压积分之后得到一个降低了值UG(补偿)的测量电压UFA′,在微控制器28的电压水平上,即在最大约5V的电压范围内。测量电压UFA′相应于通过三端双向可控硅开关18控制的平均电机电流,从而相应于平均的内部电机扭矩。UFA的相对高的、不变化的、在使用220V交流电压源时在200V数量级的分量与电枢12和磁场半绕组14上的明显较低的、在20-40V数量级的电压降UFA之间的不利的比例通过减去相应于该补偿变化的、电阻46上的直流电压UG降低到测量电压UFA的实际要感测的分量UFA′。用虚线框出的由晶体管52以及电阻46和54组成的结构单元55使直流电压UG的大小可以借助通过微控制器28控制晶体管52来自动校正。结构单元55作为电流源工作,其中电流大小通过微控制器28相应于总测量电压UFA包括补偿来跟踪控制。在电阻46上的电压降UG相当于该补偿。
图2示出与电机电流I相关、从而也与电机10能输出的扭矩M相关的测量电压降UFA的变化曲线。这些不同的、基本上平行延伸的测量电压UFA特性曲线构成一个相应于在电机10上总共感测到的测量电压UMOT的曲线组,其中,随着电流I上升分别下降的测量电压UFA确定随着电机电压UMO增大而位置更高的特性曲线。在电机负载变化时出现的电流I决定了在总电压降UMOT恒定情况下各个测量电压UFA的变化曲线。即,在没有补偿调节的情况下,例如在电机电压为UMOT4时由测量电压UFA0得出空转电流I0,由测量电压UFAL得出满负载电流IL。从按照图3的曲线组中可得知空转时的相应转速n0和满负载时的转速nL。该曲线组对于恒定电机电压UMOT4时的测量电压UFA0和UFAL由与负载特性曲线ML和M0或者说IL和I0的交点提供空转时的转速n0和满负载时的转速nL。出给定转速nsoll出发可以根据该特性曲线族确定取决于负载的转速降低并且根据所产生的电压差ΔUFA来识别必要的电机电压提高,为了遵守预订转速nsoll需要该提高。
在图1中用虚线标明的、具有差分放大器60的电路方案形成一种可能性:代替电压降UFA直接感测电枢绕组端子上的电压降UA并且作为控制参数代替电机电流I输入给微控制器28。然而在这里附加需要一个差分放大器60,因为没有参考电势可供使用。图2和3中的测量曲线图原则上也适用于该电路。在两个电路方案中,即当只在电枢上测量电压感测UA时以及当在电枢绕组和磁场半绕组14上感测测量电压UFA时,测量和调节都分别只以交流电压源22的一个半波为基础。在这里,在所示出的在导线20上具有内部接地端26的电路装置中,涉及负半波。
图2和3的特性曲线存储在微控制器28内。三端双向可控硅开关18通过微控制器28的调节则分别相应于所测量的特性曲线上两点之间电压差ΔUFA进行,这些特性曲线相应于所测量的电机电压UMOT

Claims (11)

1.用于整流子串励电机、特别是通用电机的转速调节的方法,该电机由一交流电压源通过一与电枢绕组和磁场绕组串联连接的、由一控制单元根据转速给定值控制的半导体开关元件供给电流,其特征为,作为输入信号,一方面将一个相应于通电流(I)时电机(10)上的总电压降(UMot)的信号输入给控制单元(28),另一方面将一个相应于仅电枢(12)上的或者电枢(12)上和磁场绕组(14,16)的一部分(14)上的电压降(UA,UFA)的、用于电机电流(I)的量值的代用信号输入给控制单元(28),在控制单元(28)中将这些信号与存储在那里的、电机典型的、励磁场(14)上和/或电枢(12)上的电压的特性曲线(UA,UFA=f(I,UMot))相比较,根据偏差(ΔUA;ΔUFA)形成用于半导体开关元件(18)的控制信号。
2.按照权利要求1所述的方法,其特征为,控制单元(28)除电机总电压(UMot)信号外附近得到一个相应于电枢(12)上和两个优选相同的磁场绕组部分(14,16)中的一个(14)上的电压降的总和(UFA)的信号。
3.按照权利要求1所述的方法,其特征为,作为用于电机电流(I)的量值的代用信号,给控制单元(28)输入一个在差分放大器(60)放大的、相应于电枢电压(UA)量值的信号。
4.按照前面权利要求之一所述的方法,其特征为,给测量电压(UFA,UA)叠加一个反向的直流电压(UG)。
5.按照权利要求4所述的方法,其特征为,给测量电压(UFA,UA)叠加的直流电压(UG)的量值可相应于测量电压(UFA,UA)变化而变化。
6.按照权利要求4或5所述的方法,其特征为,给测量电压(UFA,UA)叠加的直流电压(UG)的量值可通过控制单元(28)本身变化。
7.用于整流子串励电机、特别是通用电机的转速调节的电路装置,特别是用于实施按照权利要求1至6之一所述的方法,该电机由一交流电压源通过一与电枢绕组和磁场绕组串联连接的、由一控制单元根据转速给定值控制的半导体开关元件供给电流,其特征为,控制单元(28)以第一输入端(34)连接到该交流电压源(22)的与接地端(26)连接的连接导线(20)上,以第二输入端(40)通过一用于处理测量值的电路(43)连接到该交流电压源(22)的第二连接导线(24)上,以第三输入端(42)连接到电枢(12)的背离接地端(26)的端子(66)连接。
8.按照权利要求7所述的电路装置,其特征为,控制单元(28)的第三输入端(42)通过一个与测量电压(UFA)相反极性的辅助电压源(UG)与电枢(12)上的端子(66)连接。
9.按照权利要求8所述的电路装置,其特征为,辅助电压源(UG)构造为受控制的直流电源(46,52,54)。
10.按照权利要求9所述的电路装置,其特征为,辅助电压源(UG)具有一个通过控制单元(28)的另一端子(56)相应于电机电压(UMot)变化来控制的晶体管(52),该晶体管的负载段通过一个串联电阻(46)布置在与接地端(26)连接的交流电压源(22)连接导线(20)和背离该连接导线的电枢(12)端子(66)之间。
11.用于整流子串励电机、特别是通用电机的转速调节的电路装置,特别是用于实施按照权利要求1至6之一所述的方法,该电机由一交流电压源通过一与电枢绕组和磁场绕组串联连接的、由一控制单元根据转速给定值控制的半导体开关元件供给电流,其特征为,控制单元(28)用第一输入端(34)连接到交流电压源(22)的与接地端(26)连接的连接导线(20)上,以第二输入端(40)连接到交流电压源(22)的第二连接导线(24)上,以另一输入端(62)连接到差分放大器(60)的输出端上,该差分放大器的输入端与电枢(12)的端子(66,68)连接。
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