電動機特性參數探測器和用於提供轉速探測信號和/或轉矩探測信號的方法

2023-12-02 23:00:41

專利名稱：電動機特性參數探測器和用於提供轉速探測信號和/或轉矩探測信號的方法
技術領域：
本發明涉及一種按照權利要求1所述的電動機特性參數探測器，以及一種按照權 利要求11所述的用於提供轉速探測信號或者轉矩探測信號的方法。
背景技術：
在使用電動機時人們越來越多地希望檢測電動機的轉速或負載力矩。這是由於人 們希望提高電動機運行時的可靠性引起的，其辦法是例如能明確地識別電動機的安全臨界 狀態(如例如電動機的卡住)，並且能對此作出反應。在過去這樣一些安全臨界狀態通常是通過檢測電動機的轉速實現的。例如1972 年博世(Bosch)公司已將一個如此地(模擬地)檢測轉速申請專利。其中，為具有交流全 波饋電的通用串勵電動機使用一種電橋控制的轉速轉矩調節器。其中，藉助橋式電路計算 電樞電壓和電動機電流，並且用於轉速調節。還有一種實現辦法也可視為現有技術。這種辦法是為了控制電動機藉助轉速盤、 霍耳傳感器，或者一種增量傳感器，或者一種類似的儀器能檢測調節迴路的實際數值(也 就是轉速檢測)。為此將轉速盤或者相應的脈衝傳感器安裝在電動機的電樞軸上。當電動 機軸轉動時產生轉速脈衝。藉助傳感器對這種脈衝進行計算。這種方法的優點是可精確地 檢測實際值。但是現有技術的所有這些辦法都要求有高的電路技術費用，因為它們規定使用專 門的傳感器單元和分析單元。決定將這些分析單元僅用於計算轉速。因此本發明的任務是提供一種用於識別電動機的安全臨界狀態的更好的途徑。

發明內容
這個任務通過按照權利要求1的特徵所述的電動機測量參數探測器，以及按照權 利要求11的步驟所述的用於提供轉速探測信號和/或轉矩探測信號的方法和通過權利要 求12所述的電腦程式得以完成。本發明的其它方案是從屬權利要求的主題。本發明提供了一種用於提供電動機的轉速探測信號和/或轉矩探測信號的電動 機特性參數探測器。這個電動機特性參數探測器包括由至少一個磁場繞組和一個電樞繞組 構成的串聯電路，其中，電動機連接在第一和第二供電接頭之間，並且其中，電動機特性參 數探測器包括下述特徵-一個電動機電流檢測單元，它設計用於檢測流過電動機的電動機電流，並且輸出 相應的電動機電流信號，和/或-一個電樞電壓檢測單元，它設計用於在磁場繞組和電樞繞組之間的分接點上檢 測電動機的電樞繞組上的電樞電壓，並且輸出相應的電樞電壓信號，並且-一個分析單元，它設計用於通過所輸出的電動機電流信號和/或所輸出的電樞 電壓信號進行積分，以得到電動機電流的有效數值和/或電樞電壓的有效數值，其中，設計這個分析單元還為了從電動機電流的有效數值中提供和電動機的轉矩成比例的轉矩探測 信號和/或從電樞電壓的有效數值中提供和電動機的轉速成比例的轉速探測信號。本發明是以下述認識為基礎，即可從電動機特性參數電樞電壓和/或電動機電流 簡單地識別和分析安全臨界狀態。為此，通過電動機的電樞繞組檢測和處理流過電動機的 電流或者電樞電壓(或者電動機電流和電樞電壓也可並行檢測)。在處理或者分析時首先 求出用於所述的電動機特性參數的有效數值。這個有效數值未考慮這些參數的短時波動。 然後從相應的有效數值中求出和轉速或者轉矩成比例的探測信號。根據本發明的方案具有下述優點，即為了確定轉速不要求附加的傳感器。而是通 過分析簡單可檢測到的電動機特性參數，如電樞電壓，和/或電動機電流就可得出有關實 際轉速或者實際轉矩的結論。在這種情況中可如此地設計分析單元，即通過這個分析單元 也完成其它的功能，這樣，就可避免僅為了準備檢測的電樞電壓而使用一種專門的模擬電 路。這就減少了電路技術費用。在一個專門的實施形式中可將分析單元設計成用預先規定的掃描頻率掃描所輸 出的電樞電壓信號，和/或所輸出的電動機電流信號，並且用數位訊號處理的裝置進行積 分。這明顯地簡化了分析方案，因為在這期間可使用在電子設備中已有的專門的數字集成 塊。這些集成塊可一起用於分析電動機電流和/或電樞電壓。這又提供了簡化電路技術方 面的優點，並且隨之也降低了製造成本。此外也可將分析單元設計成為了對於積分內插電樞電壓信號和/或電動機電流 信號的被掃描的數值，並且在使用通過內插在內插的被掃描的電樞電壓信號和/或電動機 電流信號數值和基準數值之間形成的梯形結構的情況下進行積分。本發明的這一實施形式 具有在分析單元中可簡單，並且因此快速進行的所接收到的信號的數字處理的優點，這樣， 通過這個附加的功能對分析單元的要求也不多。這降低了在運行時的處理時間，並且也減 小了電動機特性參數檢測器的功率消耗。有利的是，當電動機包括一個由磁場繞組、電樞繞組和一個第二磁場繞組構成的 串聯電路時，設計電樞電壓檢測單元，以檢測在第一電源接頭和設置在電樞繞組和第二磁 場繞組之間的電動機中的分接點之間的電樞電壓。在這個實施形式中(和在電動機中在電 樞繞組的前面和後面直接分接電樞電壓相比較)在電動機中設置電樞電壓的一個唯一的 分接點。這簡化了這樣的電動機的結構和製造，並且使得成本更為有利。已認識到，可對通 過磁場繞組降落的電壓降忽略不計，並且因此電壓降不會引起轉速確定的重大變壞。此外可在另一實施形式中設計分析單元，以檢測位於第一電源接頭和第二電源接 頭之間的電源電壓，並且在使用已檢測的電源電壓的情況下確定通過磁場繞組產生的壓 降。下述做法是特別有利的，如果使用一個對稱的電動機，並且在所述電動機中第一和第二 磁場的影響幾乎是一樣的。然後這樣一種實施形式提供了這樣一種可能性，即能確定已檢 測的電源電壓和(通過磁場繞組一起檢測的)電樞電壓之間的差別，且這個差別和電動機 的第二磁場繞組的影響相當。若使用對稱的電動機則由此也可確定磁場繞組的效果，並且 在確定電樞電壓或者電樞電壓信號時對其進行相應的補償。在另一實施形式中可將一個相位截切開關連接到第一電源接頭和電動機之間。在 這種情況中可以設計電動機特性參數探測器的分析單元，以確定第一電源接頭和電動機之 間的電壓降，並且在提供轉矩探測信號，和/或轉速探測信號時使用這個確定的電壓降。然
5後特別是當使用數字式分析單元時，通過識別第一電源接頭和電動機之間的電壓降可以識 別位於掃描節拍的相應的節拍邊之間的相位截切開關的接通或者閉鎖。然後在確定電樞電 壓信號，和/或電動機電流信號時可進行相應的補償，這樣轉速探測信號和/或轉矩探測信 號可具有更高的精確性。在另一實施形式中也可以設計電樞電壓檢測單元，為的是在使用第一電源接頭的 電位的情況下提供虛地的電位，並且檢測相對於所提供的虛地電位的電樞電壓和/或電動 機電流。這就提供了這樣一種可能性，即不僅檢測交流電壓信號的正半波，而且通過涉及虛 地的DC-偏移的檢測也能分析正的和負的半波，也就是全波。通過這一措施也可使轉速探 測信號，和/或轉矩探測信號具有明顯更高的精確性。根據另一實施形式也可設計分析單元，為的是在使用輸出的電樞電壓信號和輸出 的電動機電流信號的情況下提供轉矩探測信號，或者在使用輸出的電樞電壓信號和輸出的 電動機電流信號的情況下提供轉速探測信號。通過使用這兩種檢測的測量參數也可達到提 高精確度，或者達到提高描述的可靠性，因為第一測量參數可能的誤測量可通過第二測量 參數的測量結果加以補償。在本發明的另一實施形式中可以設計電樞電壓檢測單元，為的是在求出電樞電壓 信號時進行所檢測到的電樞電壓的分壓和進行阻抗變換。這特別是將靈敏的數字轉換電路 用作分析單元是有利的，因為在電動機運行時大多高的電流和電壓會簡單地加來數字器件 的電壓和輸入阻抗上。根據本發明的另一方面可以設置一個電動機調節器。這個電動機調節器包括下述 特徵-按照前述實施形式之一所述的電動機特性參數探測器；-調節器，設計這個調節器用於以所提供的轉速探測信號和/或所提供的轉矩探 測信號為基礎，並且根據規定的調節特性調節電動機。這種做法提供了下述優點，即通過所述調節器可將容易得到的測量參數用於調節 電動機，其中，有利地分析單元也可一樣地一起承擔調節器的功能。在將數字集成塊(這些 數字集成塊已經常在電動機中使用)用作分析單元時調節器的實現也是簡單的，並且成本 是有利的。根據本發明的另一實施形式規定一種用於提供電動機的轉速探測信號和/或轉 矩探測信號的方法，它包括一個由至少一個磁場繞組和一個電樞繞組構成的串聯電路，其 中，電動機連接在一個第一電源接頭和一個第二電源接頭之間，並且其中，該方法包括下述 步驟_檢測流過電動機的電動機電流，並且輸出相應的電動機電流信號，和/或-通過電動機的電樞繞組在磁場繞組和電樞繞組之間的分接點上檢測電樞電壓， 並且輸出相應的電樞電壓信號；並且-分析電動機電流信號和/或電樞電壓信號，以便通過所輸出的電動機電流信號 和/或所輸出的電樞電壓信號進行積分，為的是得到電動機電流的有效數值和/或電樞電 壓的有效數值，並且為的是從電動機電流的有效數值中提供和電動機的轉矩成比例的轉矩 探測信號，和/或從電樞電壓的有效數值中提供和電動機的轉速成比例的轉速探測信號。此外，當電腦程式在計算機上被執行時這個電腦程式配設有用於執行上述方法的程序代碼。但是至少有利地在計算機中實施分析步驟。


下面藉助附圖對本發明示範性地進行詳細說明。這些附圖是圖1 根據本發明的一個實施例的電路方框圖；圖2 具有電動機參數電動機電流(Ι_Λ)和電樞電壓(uM)的直流串聯電動機 /萬能電動機的原理電路。圖3 用於在電動機上檢測測量參數的電路方框圖，這些測量參數可以用於數字 u/I調節器；圖4 一個用於準備檢測的測量參數的電路的一個實施例的電路結構圖，所述的 測量參數可用於數字電壓_電流調節器(u/I調節器)；圖5a至5f 在圖4中所示的電路結構運行時的不同的信號曲線圖。圖6 數字u/I調節器的調節技術替代連接圖。圖7 本發明的一個實施例在方法形式方面的運行過程圖。下面相同的，和/或功能相同的元件可以使用相同的附圖標記。在下面所標明的 絕對數值和尺寸只是一些示範性的數值，而絕不是本發明僅局限於這類尺寸。
具體實施例方式在現代電器或者電動工具中使用電子裝置，以實現調節、功率的提高、保護功能或 者附加功能。因此在現代電動工具中的電子裝置通常都裝配有微控制器。藉助它以實現這 些功能。為了在電器中實現轉速調節通常要求有一個封閉的調節迴路。為了在電器，例如 在電動工具中實現一種封閉的調節迴路需要對實際值進行檢測。在傳統的辦法中這種檢測 通常是作為速度計實現的。這種速度計安裝在電動機的軸上。根據本發明的辦法是使用一些等效參數。藉助這些參數可生成一種和轉速成比例 的數值，和/或和機械的負載成比例的數值。專門地將電動機測量參數電樞電壓和電動機 電流用作等效參數。圖1示出了本發明的一個實施例的方框電路圖。在圖1中示出的電動機特性參數 探測器10包括一個電動機電流檢測單元12以及一個電動機14。它們串聯在第一供電接 頭N和第二供電接頭L之間。其中，電動機14由至少一個磁場繞組下1 (在此種情況中是 由兩個磁場繞組Fl和F2構成)構成。具有電樞繞組16的可轉動的電樞連接在它們之間。 例如這些磁場繞組可看作電動機的這樣一些繞組，即它們提供電樞繞組16可在其中轉動 的電磁場。此外，電樞繞組16和電樞電壓檢測單元18連接。這個電樞電壓檢測單元例如 由電樞繞組16和第二磁場繞組F2之間的一個分接點構成。在電樞電壓檢測單元18或者 是可將僅在電樞繞組16本身上的電壓降檢測為電樞電壓(用第一磁場繞組Fl和電樞繞組 16之間的另一分接點)。代替地另一方面也可檢測第一供電接頭N(通過輔助線路19)和 分接點18(如圖1所示)之間的電壓降。此外，設計電動機電流檢測單元12是為了測量流過電動機14的電流，和將相應的 電動機電流信號20提供給一個分析單元22，其中，這個分析單元22也可從這個電樞電壓檢 測單元18接收一個和電樞電壓相對應的電樞電壓信號24。然後在這個分析單元22中藉助積分求出電動機電流信號20的有效數值，和/或電樞電壓信號24的有效數值，並且從電動 機電流信號20的有效數值中求出和電動機14的載荷相對應的轉矩探測信號26，和/或從 電樞電壓信號24的有效數值求出和電動機14的轉速相對應的轉速探測信號28，並且相應 地輸出。在確定轉矩檢測信號26時利用如下情況，當電動機14的負荷高時流過比電動機 14的低負載時的要高的電流。類似地在確定轉速探測信號28時利用在較高轉速時電樞繞 組16感應出的電樞反電壓比低轉速時要高，這樣就可將在電樞繞組16上下降的電壓用作 轉速的測量參數。然而在本發明的一個實施例中也可以僅分接電動機電流，或者是僅分接電樞電 壓，僅在分析單元22中進行分析，並且相應地作為轉矩檢測信號26或者轉速檢測信號28 輸出。因此根據本發明並不強制地要求既檢測電動機電流也檢測電樞電壓。然而通過(組 合地)分析兩個檢測的測量參數使針對的檢測信號26和28的質量變得明顯地更好。在這 種情況中例如可進行可信度評估，和/或和規定的用於所確定的轉矩(或者電動機電流) 和所確定的轉速(或者電樞電壓)之間的轉速-轉矩-關係(或者電動機_轉速-關係) 的參考數值進行比較，這樣就可以確定所描述的測量參數的測量是否不準確，或者是錯的。通過新的數字式微控制器(μ C)或者數位訊號處理器(DSP)在具有串聯電動機 的電器的轉速調節領域產生了完全不同的辦法，用以能分析測量參數電樞電壓和電動機電 流。當將數字電子集成塊用於分析單元22時其特別可以利用。關於這一點下面將詳細敘 述。為此根據一個實施例可周期性地對電動機測量參數電樞電壓和電動機電流進行 掃描(抽樣式地)，並且用微控制器(μ C)或者數字式信號處理器(DSP)進行分析。首先也可通過一個專門的模擬電路準備測量參數「電樞電壓」和「電動機電流」，並 且提供給模擬_數字轉換通道(A/D轉換器)使用。和現有的模擬方法相比，通過和新的電動機的更快的適配、更好的調節特性、更小 的元件費用、簡化的供電電壓方案和由此產生的更低的成本產生諸多優點。此外還可實現 一些附加功能，這些附加功能例如需要一個yC、DSP、ASIC(ASIC = Application Specific Integrated Circuit =應用專門集成電路)、FPGA(FPGA = Field Programmable Gate Array)，或者類似的數字控制器-IC (IC = Integrated circuit =集成電路)。本發明的下述一種實施例，特別是在一種串聯電動機中藉助一種= Mikrokontroller =微控制器)、DSP (DSP = Digitaler Signal-Pro-zessor =數位訊號處 理器)、一個應用專門集成電路(=ASIC)、一個可編程的電子集成塊(PAL = Programmable Array Logic)、一個可自由編程的邏輯電路(FPGA)或者類似的部件公開一種檢測和分析電 動機參數「電樞電壓」和「電動機電流」的方案。在圖2中再一次地示出用於下述說明的直流一串聯電動機/萬能電動機的原理電 路圖。為了這公開的方法應檢測和分析物理的電動機參數電樞電壓和電動機電流。為了能在電動工具上實現簡單的布線和簡單的分析電路，建議檢測在圖3中示出 的測量參數。這些測量參數涉及的是測量參數Uim^ Uiffi和U %ig。為此可在圖4的電路結構中準備這些測量參數，並且提供給分析集成塊(ICl)，例 如微控制器μC使用。
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下面將數字電壓_電流調節器簡寫為「數字U/I調節器」，其中可給該調節器檢測 測量參數。然而在這其中並非強制地一定要在這個調節器中使用所檢測的測量參數，而是 也可為了其它的目的檢測這些測量參數。下面對圖4的電路結構及其功能進行更加詳細的說明。_通過在分流器(分流器)Rl上的電壓降檢測電動機電流，-在Rl上的電壓降通過由IC2a、R7和R8構成的不反轉的放大器進行放大，並且 作為模擬電壓Ujiis提供給計算集成塊ICl使用。其中，將R8放置到虛擬接地點VM上，作 為基準電壓。這個虛擬的接地點用於能分析Rl上的正壓降和負壓降。在分流器Rl上的正 的和負的電壓降出現在正的和負的電網半波中。-這個虛擬的接地點VM是用阻抗轉換器IC2b、R5、R6、R13產生的。通過分壓器 R5和R6可將虛擬接地點例如放置到分析集成塊的半供電電壓上。在這種情況中選擇R5 = R6。這個虛擬接地點VM可以參考電壓的形式作為模擬電壓URef提供給計算集成塊IC1。_在串聯電動機上，直接在電樞上分接和電樞電壓相對應的電壓(或者在電樞繞 組和第二磁場繞組F2之間)。為此只需要一條從電子裝置(例如μ C)通往串 聯電動機的 附加導線。在圖4的電路圖中在電樞上的分接點是電樞上的RlO的連接點。在這種情況中 電源接頭電源N形成基準電位。通過在分流器Rl、在三端雙向可控矽開關元件Vl和在磁場 Fl上的電壓降使電壓失真。然而在實踐中表明，這種誤差通過合適的方法可在調節器中予 以糾正。_當然也可直接在電樞上分接電樞電壓，並且例如通過一個差放大器進行分析。但 是這要求有兩條線路通往電動機，並且分析電路中的元件費用較高。雖然這一原理也可以 用於根據本發明的分析，但是為了簡單起見在下面的討論中對這種辦法不再詳細說明。
-幾乎和電樞電壓相當的電壓通過由RlO和R9構成的分壓器分壓下來，並且被弓丨 導到虛擬接地點VM。虛擬的接地點VM在這種情況中形成一個DC-偏移。如電流測量一樣， 這種DC-偏移是必需的，為的是能檢測正的和負的電網半波中的電樞電壓。被分壓下來的 信號作為模擬電壓UA 被提供給分析集成塊ICl使用。_為了將調節特性和電網電壓(Uto)分開，應一起檢測電網電壓。為此，這個電網 電壓可通過由R12和Rll構成的分壓器進行分割，並且放置到虛擬接地點VM上，如圖4所 示。在此這個虛擬接地點VM在此也形成一種DC-偏移，為的是能檢測正的和負的電網半波 中的信號。將分壓下來的信號作為模擬電壓Uiijg提供給分析集成塊ICl使用。-通過由R3和R2構成的分壓器形成可選的信號USwit。h。這個信號Uswiteh可用於識 別和分析Sl的接通。當開關Sl閉合和三極雙向可控矽開關(Triac)Vl不導通時將一個與 電網電壓成比例的信號是Uswitdl提供給分析集成塊ICl。也可任選地通過該信號Uswiteh識 別三極雙向可控矽開關(Triac)的熄滅。當低於三極雙向可控矽開關的保持電流時該開關 熄滅，並且該三極雙向可控矽開關過渡到一種不導通狀態。為此，必須接通開關Si，並且在 正半波中點燃三極雙向可控矽開關。然後在負半波中可藉助信號Uswitdl上的電壓躍變識別 三極雙向可控矽開關的熄滅。只有當有機器專門的隨動時它才有可能。之所以出現電壓躍 變，是因為當三極雙向可控矽開關Vl導通時分壓器近似處於電位N。當三極雙向可控矽開 關過渡到不導通狀態時通過Sl在由R3和R2構成的分壓器上的電壓發生躍變，並且電動機 幾乎處於電位L。信號Uswitdl是任選的，但是它可很容易地用分析集成塊ICl的模擬的或者數字的輸入進行檢測和分析。然而，原則上講，根據本發明的方法也可以沒有這種信號。-這樣，所有對於調節重要的模擬信號都提供給分析集成塊ICl使用。這些重要的
模擬信號特別是U分流器、URef、U電樞、U電源和任選uswitch。-通過電源部分為集成塊ICl供電電壓。所述電源部分由電容器Cl、十進位二極 管D1、串聯電阻R17和整流二極體D2構成。在這種情況中所涉及的是一種很簡單的電源部 分。這個電源部分原理的缺陷是剩餘波紋度(Ripple)可能比較高。為了更精確地測量重 要的電動機參數Iteatt要求電源部分具有較低的剩餘波紋度(Ripple)。然而在本 說明書中對電源部分和可能的電源部分的改型不進行更加詳細的探討。_應與電網同步地完成重要的模擬信號的檢測以及點燃三極雙向可控矽開關。為 此通過R16檢測電網過零點，並且將其作為電壓U寧提供給集成塊ICl使用。-三極雙向可控矽開關Vl通過串聯電阻R4和集成塊ICl的一個數字輸出端點燃。此外關於圖4的電路結構需要說明的是，用運算放大器簡化地表示了許多電路部 件，因為通過使用運算放大器可大大地簡化對電路的功能原理的理解。也就是說圖4的電 路結構描述了可能的實現。然而本處所說明的方案也可以包括具有活動有源的器件，如例 如電晶體，或者具有無源的器部件，如例如電阻和電容器的其它電路部件，為的是進一步地 簡化電路結構。在圖4中所示的電路結構應該只是描述了電路結構的主要特性和功能原 理。在圖5中示出了對於在圖4中公開的電路結構重要的電壓和信號。為了能產生和 實際情況的具體關係，選擇具有230伏和50赫茲的正弦形狀的AC電網電壓作為應用實例。 當然本發明的方法也可以採用其它的電網電壓、頻率或者電網電壓形式。在圖5的單個的 分圖中描述了下面詳細說明的信號曲線。-電網電壓圖5a具有230伏AC和50赫茲的正弦形式的網絡電壓。-負荷上的電壓圖5b此圖示出負荷上的電壓。在圖3中將該負荷示作直流串 聯電動機。負荷「視作(sehen)」相位截切的(phosenangeschintten)電壓。當相位角為大 約60°時進行相位截切，也就是當相位角為大約60°時點燃三極雙向可控矽開關，並且變 成通電的。_負荷上的電流圖5C:此圖描述了在負荷上的理想化的電流。當三極雙向可控矽 開關導通以後電流通過。三極雙向可控矽開關保持導通，直到低於三極雙向可控矽開關保 持電流。當電網過零點和機器專門的隨動之後低於保持電流。當通過電流和電壓之間的相 位移感應負荷時出現這種隨動，下面把它稱作coscp。這個隨動C0S(p是機器專門的，並且 和負荷有關。在圖5C中示出了大約30°時的隨動cosq)。-周期性的中斷圖5d:在此圖中示出了其頻率為750赫茲的矩形信號。用箭頭表 示正脈衝。在正側時產生中斷。在中斷之後例如可以讀入測量信號。這個信號只用作輔助 參數，為的是能更加直觀地示出掃描方法，並且也可在集成塊ICl (見圖4)的純內部產生。-被掃描的電網電壓圖5e此圖示出了圖5b的「負荷上的電壓」，然而也叫做「被 掃描的電壓」。其目的是儘可能準確地從被掃描的負荷上的電壓中檢測到電壓的有效數值， 或者負荷上的與有效數值成比例的測量參數。這個有效數值可以是負荷上的電壓的均方 值。為計算例如有效數值，整數應通過半波/全波形成。然而在此所介紹的方法不局限於 形成有效數值。也可以檢測和計算和有效數值成比例的測量參數。採用數字方法不能形成連續的數值。因此在時間上分散的點上掃描電壓，並且將其分解為任意小的梯形，或者其它 的幾何形狀。其中建議梯形形狀，因為在這裡誤差很小，並且計算費用一目了然。根據本發 明的方法並不局限於將曲線形狀分解為梯形。也可以分解為任意的幾何形狀。或者通過 任意的數學方法進行分解和近似。然而下面只討論分解為梯形，或者梯形相似的形狀。在 將曲線分解為梯形或者上梯形類似的形狀時產生了在圖5e中用影線示出的與梯形類似的 形狀。當用750赫茲的掃描頻率掃描具有50赫茲的正弦形的交流電壓時就產生這種梯形。 在圖5e的圖示中交替地明和暗地標記了梯形或者與梯形類似的形狀。因為第一和最後的 掃描點和相位截切角不同步，所以在一個掃描周期的開始和結束時分別出現誤差。這種誤 差在圖5e中作為暗的表面表示。在這種情況中，掃描周期的開始例如是三極雙向可控矽開 關的點燃構成。掃描周期的結束例如是低於三極雙向可控矽開關-保持電流，並且因此三 極雙向可控矽開關熄滅。掃描越快，也就是周期中斷觸發越頻繁-其中對信號進行掃描，則 誤差越小。隨著掃描率的提高在梯形或者與梯形類似的形狀時出現的誤差也下降。對於均 方值求出每個梯形的面積，並且對形成的面積進行平方。最後形成半波或者全波的所有的 平方的部分面積的平均值。然後就出現了電壓的均方值。這個均方值和電壓的有效數值相 當。例如在三極雙向可控矽開關熄滅之後出現用於計算半波/全波的電流的有效數值的合 適時刻。例如可通過信號Uswitdl分析出三極雙向可控矽的熄滅。_被掃描的電流圖5f 在這個圖中將圖5C中的「負荷上的電流」作為「被掃描的 電流」示出。其目的是儘可能準確地從負載上的被掃描的電流中檢測出負荷上的電流的有 效數值，或者和該有效數值成比例的測量參數。例如用於形成有效數值的方法的詳細說明 已在「被掃描的電網電壓」一節中有描述，也可類似地用於分析被掃描電流。上面已經說明了如何能通過模擬電路準備重要的測量參數，並且提供給數字集成 塊使用。此外，也描述了重要的信號和它們的數字準備以及轉換成有效數值或和有效數值 成比例的參數的情況。其中的重點在信號「電動機電流」和「電動機電壓」(負荷電壓)。從 圖4的電路結構中可以看出，所示的電路不是直接地檢測電動機電壓，而是藉助RlO在磁場 2(F2)上進行分接。這個電壓相應於電樞電壓，加上Fl上的場電壓，加上三極雙向可控矽開關Vl上的 電壓降和分流器Rl上的電壓降。實踐表明，在磁場F2上測量的電壓和電樞電壓相比是可 忽略不計的。然而關於能更精確地檢測電樞電壓的方法已在「電樞電壓檢測」一節中有詳 細描述。也就是說對於調節已有兩個測量參數可供使用一個是和電動機電流相應的參數， 一個是和電樞電壓相應的參數。從這兩個物理的電動機參數計算出用於調節的實際數值。 在此所介紹的方法中不是直接地檢測調節的實際數值(也就是轉速)，而是由觀察者從物 理的電動機參數電樞電壓(U)和電動機電流(I)中計算出。其中可以使用這兩個電動機參 數「電動機電流」和「電樞電壓」，並且從中形成和轉速成比例的信號。在調節迴路中將與轉 速成比例的信號用作實際值。因此為調節迴路產生了一個用於數字U/I調節器的調節技術 的等效電路圖，如圖6所示。在這種情況中在電動機14上(例如一臺直流串聯電動機)檢 測電動機特性參數「電樞電壓」 62和「電動機電流」 64，並且從中計算出一個與轉速成比例 的信號66。這個信號66作為實際值68和一個預先理論的規定值70連接(例如從該數值 中扣除)，並且將這個連接信號72用作調節器74 (例如一個PID調節器)的輸入參數。然 後用這個調節器74可以輸出一個調節信號76。用這個調節信號觸發控制元件或者執行器80，例如如具有三極雙向可控矽開關的相位截切控制器。通過這一措施又可控制電動機14， 這樣調節迴路閉合。前面已經描述，可如何用這兩個電動機參數「電樞電壓」和「電動機電流」實現數 字轉速調節器的。所描述的辦法也規定，單獨地分析這兩個電動機參數「電樞電壓」和「電 動機電壓」，並且由此措施開闢其它的應用方案。電樞電壓主要與磁場中的電樞的轉速和場強有關。因此，電樞電壓提供有關電動 機的轉速方面的信息。電動機電流主要與電動機的負荷有關。因此，電動機電流提供有關 機器的負荷和實際轉矩方面的信息。因此轉矩電子限制可通過分析電動機電流實現。所有其它的方法_這些方法需要 與負荷有關的參數，例如與負荷有關的臨界點_也可通過分析電動機電流實現。如圖3所示，不直接測量電樞電壓。對於電樞電壓(Um)它與磁場I(Fl)、三極雙 向可控矽開關Vl和分流器Rl上的電壓降一起檢測。事實表明是可以如此足夠精確地檢測 電樞電壓(Uiffi)的。在所介紹的方法中可以規定任選地一起檢測電網電壓U%ij|。若一起 檢測了電網電壓，則分析集成塊可從Uiig減去Uiffi形成差值。這個差值相當於磁場2 (F2) 上的電壓。當電動機為對稱設計時磁場電壓2 (F2)和磁場電壓I(Fl)相當。也就是說當從 Uiig減去Uiffi形成差值時(這相當於磁場Fl和磁場F2上的磁場電壓)，並且將其從Uiffi 中減掉，則作為誤差進入到電樞電壓的只還有分流器上的電壓降和三極雙向可控矽開關Vl 上的電壓降。分流器上的電壓降Ujiis也可由檢測集成塊分析，並且因此也被糾正。在實踐 中三極雙向可控矽開關上的電壓降可以忽略不計。通過省去分流器可進一步地簡化數字U/I調節器。不計算分流器上的電壓降也可 分析磁場上的電壓降。在磁場繞組上的電壓降可如上所述簡單地Wuiijl減去Uiffi的差值中 形成。圖7以一種用於提供電動機的轉速檢測信號，和/或轉矩檢測信號的方法的形式 示出本發明的一個實施例的流程圖，其中，這個電動機包括一個由至少一個磁場繞組和一 個電樞繞組構成的串聯電路，其中，這個電動機和一個用於它的接通的開關一起在一個第 一和一個第二電源接頭之間串聯連接。其中，這個方法包括檢測流過電動機的電動機電流 的第一步驟50和輸出相應的電動機電流信號。該方法的另一(選擇的)步驟是通過電樞 繞組檢測52電樞電壓，並輸出相應的電樞電壓信號。最後在圖7中所示的方法包括分析電 動機電流信號和/或電樞電壓信號的步驟54，以便進行通過所輸出的電動機電流信號，和 /或所輸出的電樞電壓信號的積分，以得到電動機電流的有效數值，和/或關於電樞電壓的 有效數值，並且為了從電動機電流的有效數值中提供和電動機的轉矩成比例的轉矩檢測信 號，和/或從電樞電壓的有效數值中提供和電動機的轉速成比例的轉速檢測信號。下面對本發明的最重要的觀點進行總結。這些最重要的觀點也可在本發明的主要 方面或者實施形式中找到-所介紹的方案提供了這樣一種可能性，即只用在直流串聯電動機(萬能電動機) 的電樞上的一個附加的分接點就能檢測重要的電動機特性參數電動機電流和電樞電壓。-通過一種簡單的模擬電路可準備重要的電動機特性參數，並且藉助一種掃描方 法或者一種類似的方法可將其轉換成數字參數。
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-所介紹的方案提供了這樣一種可能性，即能檢測和分析正的和負的半波中的信 號。然而分析兩個半波對於運用並不是必須的，也就是說，當然也可以只分析這兩個半波中 的一個半波。_所介紹的方案提供了這樣一種可能性，即可一起檢測電網電壓，並且可根據電網 電壓糾正調節或者調節特性。-所介紹的方案提供了這樣一種可能性，即從電動機參數電動機電流和電樞電壓 產生和轉速成比例的信號，這信號可用於調節的輸入參數。-所介紹的方案提供了這樣一種可能性，即也可單獨地將與轉速成成比例的信號 用於實現附加功能。-所介紹的方案提供了這樣一種可能性，即能單獨地分析電動機參數「電動機電 流」和「電樞電壓」，並且例如實現轉矩限制、臨界點或者類似的轉速，或者與負荷有關的功 能。-所介紹的方案提供了這樣的可能性，即和具有交流電全波供電的用於通用串聯 電動機的電橋控制的轉速-轉矩調節器的方案相比供電電壓構思被大大地簡化了。
權利要求
用於提供電動機(14)的轉速探測信號(28)和/或轉矩探測信號(26)的電動機特性參數探測器(10)，它包括由至少一個磁場繞組(F1、F2)和電樞繞組(16)構成的串聯電路，其中，所述電動機(14)連接在第一(N)和第二(L)供電接頭之間，並且其中，該電動機特性參數探測器(10)包括下述特徵 電動機電流檢測單元(12)，它設計用於檢測流過電動機(14)的電動機電流並且輸出相應的電動機電流信號(20)，和/或 電樞電壓檢測單元(18)，它設計用於通過電動機(14)的電樞繞組(16)在磁場繞組(F2)和電樞繞組(16)之間的分接點(18)上檢測電樞電壓並且輸出相應的電樞電壓信號(24)，和 分析單元(22)，它設計用於通過所輸出的電動機電流信號(20)和/或所輸出的電樞電壓信號(24)進行積分，以得到用於電動機電流的有效數值和/或用於電樞電壓的有效數值，其中，此外，設計這個分析單元以從電動機電流的有效數值中提供和電動機(14)的轉矩成比例的轉矩探測信號(26)和/或從電樞電壓的有效數值中提供和電動機(14)的轉速成比例的轉速探測信號(28)。
2.按照權利要求1所述的電動機特性參數探測器(10)，其特徵在於，設計這個分析單 元(22)來用預先規定的掃描頻率掃描所輸出的電樞電壓信號(24)和/或所輸出的電動機 電流信號(20)並且用數位訊號處理的裝置進行積分。
3.按照權利要求2所述的電動機特性參數探測器(10)，其特徵在於，設計這個分析單 元(22)為了對於積分內插電樞電壓信號(24)和/或電動機電流信號(20)的被掃描的數 值並且在使用通過內插在內插的已掃描的電樞電壓信號和/或電動機電流信號數值和基 準數值之間形成的梯形結構的情況下進行積分。
4.按照權利要求1至3所述的電動機特性參數探測器(10)，其中，電動機(14)包括由 所述磁場繞組(Fl)、所述電樞繞組(16)和第二磁場繞組(F2)構成的串聯電路，其特徵在 於，設計電樞電壓檢測單元(18)，以檢測在第一電源接頭(N)和設置在電樞繞組(16)和第 二磁場繞組(F1、F2)之間的電動機(18)中的分接點之間的電樞電壓。
5.按照權利要求4所述的電動機特性參數探測器(10)，其特徵在於，還設計分析單元 (22)，以檢測位於第一電源接頭(N)和第二電源接頭(L)之間的電源電壓，並且在使用已檢 測的電源電壓的情況下確定通過磁場繞組(Fl)的壓降。
6.按照前述權利要求的任一項所述的電動機特性參數探測器(10)，其中，將相位截切 開關(Vl)連接到第一電源接頭(N)和電動機(14)之間，其特徵在於，設計分析單元(22) 以確定第一電源接頭(N)和電動機(14)之間的電壓降，並且在提供轉矩探測信號(26)和 /或轉速探測信號(28)時使用這個確定的電壓降。
7.按照前述權利要求的任一項所述的電動機特性參數探測器(10)，其特徵在於，設計 電樞電壓檢測單元(18)，為的是在使用第一電源接頭(N)的電位的情況下提供虛地(VM)的 電位和相對於所提供的虛地(VM)的電位檢測電樞電壓和/或電動機電流。
8.按照前述權利要求的任一項所述的電動機特性參數探測器(10)，其特徵在於，設計 分析單元(22)，為的是在使用輸出的電樞電壓信號和輸出的電動機電流信號的情況下提供 轉矩探測信號(26)或者在使用輸出的電樞電壓信號和輸出的電動機電流信號的情況下提 供轉速探測信號(28)。
9.按照前述權利要求的任一項所述的電動機特性參數探測器(10)，其特徵在於，設計 電樞電壓檢測單元(18)，為的是在得到電樞電壓信號時進行所檢測到的電樞電壓的分壓和 進行阻抗變換。
10.具有下述特徵的電動機調節器-按照前述權利要求的任一項所述的電動機特性參數探測器(10)；及-調節器，它設計用於以所提供的轉速探測信號(28)和/或所提供的轉矩探測信號 (26)為基礎，且根據規定的調節特性調節電動機(14)。
11.用於提供電動機(14)的轉速探測信號(28)和/或轉矩探測信號(26)的方法，它包 括由至少一個磁場繞組(F1、F2)和電樞繞組(16)構成的串聯電路，其中，所述電動機(14) 連接在第一(N)和第二(L)電源接頭之間，並且其中，所述方法包括下述步驟-檢測流過電動機(14)的電動機電流，並且輸出相應的電動機電流信號(20)，和/或-通過電動機(14)的電樞繞組(16)在磁場繞組(F2)和電樞繞組(16)之間的分接點 上檢測電樞電壓，並且輸出相應的電樞電壓信號(24)，及-分析(54)電動機電流信號和/或電樞電壓信號，以便通過所輸出的電動機電流信號 (20)和/或所輸出的電樞電壓信號(24)進行積分，為的是得到電動機電流的有效數值和 /或電樞電壓的有效數值，並且為的是從電動機電流的有效數值中提供和電動機(14)的轉 矩成比例的轉矩探測信號(26)和/或從電樞電壓的有效數值中提供和電動機(14)的轉速 成比例的轉速探測信號(28)。
12.有用於執行按照權利要求11所述的方法的程序代碼的電腦程式，當該計算機程 序在計算機上被執行時。
全文摘要
本發明涉及一種用於提供電動機(14)的轉速探測信號(28)，和/或轉矩探測信號(26)的電動機特性參數探測器(10)，它包括由至少一個磁場繞組(F1、F2)和電樞繞組(16)構成的串聯電路，其中，所述電動機(14)連接在第一(N)和第二(L)供電接頭之間。其中，該電動機特性參數探測器(10)具有下述特徵電動機電流檢測單元(12)，它的設計是為了檢測流過電動機(14)的電動機電流，並且輸出相應的電動機電流信號(20)和/或電樞電壓檢測單元(18)，它的設計是為了通過電動機(14)的電樞繞組(16)在磁場繞組(F2)和電樞繞組(16)之間的分接點(18)上檢測電樞電壓，並且輸出相應的電樞電壓信號(24)，並且分析單元(22)，它的設計是為了通過所輸出的電動機電流信號(20)，和/或所輸出的電樞電壓信號(24)進行積分，以得到用於電動機電流的有效數值，和/或用於電樞電壓的有效數值，其中，此外，設計這個分析單元(22)是為了從電動機電流的有效數值中提供和電動機(14)的轉矩成比例的轉矩探測信號(26)，和/或從電樞電壓的有效數值中提供和電動機(14)的轉速成比例的轉速探測信號(28)。
文檔編號H02P7/28GK101911469SQ200880123001
公開日2010年12月8日 申請日期2008年11月3日 優先權日2007年12月27日
發明者U·辛格爾 申請人:羅伯特.博世有限公司