馬達的控制方法

2023-09-27 07:24:05 1

專利名稱：馬達的控制方法
技術領域：
本發明涉及馬達控制的方法。如所周知，電機供電不是用可變數值的直流電壓而是用固定振幅的脈寬調製電壓，其中以脈寬調製(PWM)來決定主轉矩或轉速。這一操作方式也稱為斬波(Chopper)方式。於是，脈寬調製脈衝的頻率是在音頻範圍以上的，這一方面是為了避免馬達的控制成為人耳可聽到的，又另一方面則是為保證雖為脈衝控制但實際上由於積分效應而流經馬達繞組的是直流電流，其大小由PWM所決定。
為了啟動馬達的制運過程或為了改變旋轉方向，一般所知這時是調換線路內馬達繞組的極向至使馬達被突然反向驅動。開始時馬達是在其原先的轉向上運行，同時也被制動，然後才向反方向旋轉。這種制動方式引起以下問題。
馬達繞組的端頭是經由保護二極體至操作電壓或接地的。這些二極體的作用是保護相連的半導體元件免遭馬達繞組電壓峰值的破壞。如果現在在制動過程開始時馬達繞組極向反轉，則由於上述二極體的作用就會有由馬達所產生的發電機電壓EMF(電動勢)與馬達繞組的電阻所生成的高值電流不受控制作用地流過。由於馬達的旋轉即由於馬達繞組與永久磁鐵之間的相對運動而產生的這一電流其作用猶如制動電流。由於這一電流不能降到額定值以下，於是在許多情況下至使制動效果過大。例如，如果電機是錄相機主導軸的馬達而走帶機構的制動過快地發生，那麼由於慣性送帶盤繼續運行而可能出現磁帶卷帶。
本發明的目的即在於推出一種制動效果可確定的應用脈寬調製控制的馬達控制的方法。
於是，按照本發明為了啟動制動過程將不再進行馬達繞組極向對於供電端的靜態反接，而是有一個間歇的極向反接過程。在一個時間段中(該時間段最好等於脈寬調製電壓周期)上述繞組極向的反接是對於一定的時間發生的，而極向的這種反接在時間段其餘的時間中被消除。通過選擇關於繞組極向這一間歇反接的脈衝/間歇比例，其制動效果可以在寬廣的範圍內改變。於是馬達實際的脈寬調製操作電壓的頻率或振幅都無須改變。
以下是本發明的一種較佳實現途徑的原理概述。指示標稱旋轉方向的第一控制變量與指示實際旋轉方向的第二控制變量進行比較，當存在偏差時所出現的第二控制變量就起動繞組的極向間歇反接。上述極向反接的持續時間與極向間歇反接的整個周期之比為數值0與1之間的一個變量。脈寬調製脈衝與用於極向間歇反接的開關電壓來自同一脈衝電壓。當標稱與實際旋轉方向一致時馬達只是以定常的轉動方向時的脈寬調製脈衝供電，而對於標稱與實際轉向不一致的情形馬達間歇地以反向旋轉方式供電。指示實際旋轉方向的第二控制變量由與馬達相關聯持傳感器確定。有關所希望的制動效果的信息通過馬達的傳感器和或由表徵馬達的典型的數據項提供。
以下對本發明將藉助附圖予以詳細說明。這些圖是

圖1表示本發明之方法的一個原理線路圖。
圖2是不同的脈衝/間歇比值的間歇極向反接所引起的電流的圖示。
圖3是本發明的方法的原理性框圖。
圖4-11是各種操作狀態下的邏輯線路。
在以下說明中所用符號的意義如下UB供給馬達的定常操作電壓UG馬達繞組中所感生的EMF(電動勢)IM流經馬達的電流T脈寬調製電壓及極向間歇反轉周期ton向向間歇反轉周期過程中極向反轉的持續時間P＝ton/T圖1中，操作電壓UB由開關S1轉換成脈寬調製脈衝電壓。S1由控制電路S通過脈寬調製脈衝電壓6操縱。這樣產生的脈寬調製脈衝電壓從AS1的輸出經轉換開關S2、S3送到馬達7，對於該馬達表示出了其產生感生電壓UG或EMF的發電機G和馬達繞組的電阻RM。為了啟動制動過程，開關S2、S3由控制電路S投放到另一位置上。這就是說馬達7的繞組相對於供電電壓反轉極向。要向的這種反轉並不需要總是靜態地進行而是也可以由開關電壓8所示的那樣間歇地進行。相對於極向間歇反轉周期T的開關S2，S3所持續的極向反轉時間ton決定了制動力矩。ton的值以及於是制動力矩是由控線路S決定的。這是通過端子9接收到來自傳感器的有關馬達的機械與電氣數值的補充信息。
由圖2藉助於一些方程式解釋了通過能率比P＝ton/T的改變如何獲得當前所需要的制動效果。方程式A表明馬達電流IM，先是對於時間段ton，然後是對於後繼的間歇時間T-ton部分。於是方程A是普遍適用的。方程式B表示對於P＝0所得到的電流。方程式C則是對於一個特定的P值，方程式D是對於P的另一值，而方程式E則是對於P另一極限值P＝1的情形。由於電流IM是對於整個時間周期T積分的，於是電流對於時間ton與T-ton的積分值在每一種情況下對於制動效果都是確定的。很明顯，這一數值在P＝0與P＝1之間一定的數值下可以很小或甚至為零。例如，如果在方程式IM＝UG/RM中呈現負值，則積分電流值實際上是零。於是通過在0與1這間對P值的選擇，即在完全沒有極向反轉與連續極向反轉之間選擇，即可設置所希望的當前制動效果。
圖3表示實現本發明方法的一個簡化的框圖。圖中示出有三個輸入a，b，c的邏輯電路5。圖1中在S1輸出端出現的脈寬調製脈衝電壓提供給輸入端a。指示標稱旋轉方向的第一控制變量供給b輸入端，指示實際旋轉方向的第二控制變量供給C輸入端。電路5有兩個輸出端d與e。輸出端d通過轉換開關S2、S3控制繞組的極向反轉。輸出端e傳送如圖1中S1的輸出端所出現的實際脈寬調製供電電壓。
在圖4-11中，字符a-e指明了按照圖5，7，9，10在圖4，6，8，10的相應的輸入端a，b，c與輸出端b，e出現的電壓。
圖4，5表示根據圖3的電路5的一種實際可能的實現方法。電路5包括一個第一異或門1，一個第二異或門2，一個與門3及一個或門4。圖4適用於標稱旋轉方向與實際旋轉方向相同即在輸入端b，c的兩控制變量值均為0的情形。這時如在輸出端d出現0值，那麼如所希望的那樣旋轉方向沒有變。用於馬達供電的實際的脈寬調製電壓出現在輸出端e。這種情形即是馬達在其標稱旋轉方向運行的情形，因而繞組的極向反轉不應發生。
圖6，7表示標稱方向與實際方向一致但卻是另外一個旋轉方向的穩定運行的類似情形。
圖8，9表示標稱旋轉方向輸入端b的控制變量與實際旋轉方向輸入端C的控制變量彼此不同的情形。這時在圖4-7中傳送脈衝調製電壓的輸出端e保持1的狀態。這意味著滿操作電壓UB持續出現在圖1的S1的輸出端。這時引起馬達繞組極向反轉的輸出端d對應於輸入端a的脈寬調製電壓。這就是說馬達繞組這時相應於按圖2的P值間歇地反轉極向。
圖10，11適用於與圖8，9比較而言標稱旋轉方向與實際旋轉方向分別具有相應的不同值的情形。除了以下的區別以外其作用是與圖8，9類似的，區別是引起馬達極向反轉的d輸出端的脈衝電壓相對於圖9調換了180°。顯然，一方面向馬達供電的脈衝電壓與馬達制動過程極向反轉的脈衝電壓是來自a端的同一個輸入電壓。供給馬達的實際能量持續地來自電路5的輸出端e，而對應於圖1中的轉換開關S2，S3的輸出d控制著繞組極向的反轉。
權利要求
1.用於馬達控制的方法，其中供給馬達繞組的是脈寬調製脈衝(a)且繞組極向反轉用於啟動制動過程，其特徵為在由間歇時間(T-ton)分隔開的時間周期(ton)內引起繞組極向的間歇反轉，其持續時間取決於當前需要的制動效果。
2.權利要求1的方法，其特徵為指示標稱旋轉方向的第一控制變量(b)與指示實際旋轉方向的控制變量(c)進行比較，如有差異則出現的第三個控制變量(d)啟動繞組極向的間歇反轉。
3.權利要求1的方法，其特徵為極向反轉的持續時間(ton)與包括該極向反轉和間歇的時間周期(T)之比值P可在0與1值之間變動。
4.權利要求1的方法，特徵為脈寬調製脈衝(e)與用於極向間歇反轉的開關電壓(d)來自同一脈衝電壓(a)。
5.權利要求1的方法，其特徵為標稱與實際旋轉方向一致時在定常旋轉方向的意義下馬達(7)僅由脈寬調製脈衝(e)供電，而對於標稱與實際旋轉方向不一致的情形，則馬達(7)在反向旋轉方向的意義上間歇供電。
6.權利要求1的方法，其特徵為脈寬調製脈衝(a，e)的頻率高於音頻範圍。
7.權利要求1的方法，其特徵為指示實際旋轉方向的第二控制變量(c)由與馬達(7)相關聯的傳感器確定。
8.權利要求1的方法，其特徵為有關所希望的制動效果的信息通過馬達(7)的傳感器和/或由表徵馬達的數據項得到。
9.用於權利要求2的方法的線路，其特徵為該線路形成一邏輯線路(5)，具有用於脈寬調製脈衝(a)、用於第一控制變量(b)和用於第二控制變量(c)的三個輸入端(a，b，c)以及用於繞組極向反轉和馬達驅動的兩個輸出端(d，e)。
10.基於權利要求9的線路，其特徵為傳送脈衝調製脈衝的端子(a)同一個與門(3)及一個或門(4)的第一輸入端連接，傳送第一控制變量的端子(b)同一個第一異或門(1)及一個第二異或門(2)的第一輸入端連接，傳送第二控制變量的端子(c)與該第一異或門(1)的第二輸入端連接;而第一異或門(1)的輸出端同與門(3)及或門(4)的第二輸入端連接，以及與門(3)的輸出端同第二個異或門(2)的第二輸入端連接，又或門(4)的輸出提供用於驅動馬達(7)的脈衝以及第二異或門(2)的輸出(d)提供用於繞組極向反轉的開關電壓。
11.權利要求1的方法，其特徵為;不需要定常振幅的脈衝用於控制。
全文摘要
通常應用具有定常振幅的脈寬調製電壓以所謂斬波的方式對馬達進行控制。為了制動或改變旋轉方向都要對馬達繞組極向作反轉。已發現在許多應用中，例如對於錄象機主導軸馬達，這種制動進行得過快。本發明的目的在於推出應用斬波方式的方法使得能夠確定馬達的制動效果。實現了繞組極向的間歇反轉，其反轉周期由間歇時間分隔且反轉持續時間取決於實際所需要的制動效果。特別適用於錄象機主導軸馬達。
文檔編號H02P3/10GK1083636SQ9311645
公開日1994年3月9日 申請日期1993年8月19日 優先權日1992年8月20日
發明者岡特·格萊姆, 赫爾曼·林克, 麥可·比爾度, 弗裡德利克·海茨曼 申請人:德國湯姆森-勃朗特有限公司