具有周期電源的電裝置和用於檢驗電裝置的電源的方法與流程

2024-03-08 05:37:15

本發明涉及一種電裝置，特別是一種具有周期電源的電機器，以及一種用於測試該電裝置的電源的方法。

背景技術：

專利文獻de102012209318a1公開了一種電裝置，特別是一種電機器，其具有用電器、周期電源、至少一個脈衝傳輸器和分析裝置。電源包括具有至少一個功率半導體開關的功率部件，並且該電源被設計為，基於至少一個功率半導體開關的被交替接通和斷開，由一電壓產生用於用電器的周期電壓。功率部件具有至少一個流動路徑，在電源工作時電流流經該流動路徑。分析裝置被設計用於，對來自脈衝傳輸器的信號進行分析，並基於所分析的信號來推斷出功率半導體開關的功能優異度。

技術實現要素：

本發明的目的在於，提出一種改進的可能性，從而能夠在電裝置的持續運行中更好地檢驗電裝置的電子開關。

本發明的目的通過一種電裝置來解決，其具有：

-用電器；

-電子開關，其包括電子開關元件和操控該電子開關元件的驅動裝置；

-周期電源，其具有包括電子開關元件的功率部件並且被設計為：根據電子開關元件被交替地接通和斷開，基於一電壓產生用於用電器的電源電壓或者供電電流，在此，功率部件具有流動路徑，在電源工作時，屬於電子開關的電子開關元件的電流流動經過該流動路徑；

-至少一個脈衝傳輸器，其包括具有初級側線圈的初級側和包括次級側線圈的次級側，並且該脈衝傳輸器以其初級側接入功率部件中，使得配屬於電子開關的電子開關元件的電流流動經過初級側線圈，在此，脈衝傳輸器在其次級側上被弱地加載，使得施加在次級側線圈上的次級側電壓至少近似地與屬於電子開關的電子開關元件的電流的時間變化成比例；

-閾值判定器，其被設計為：將次級側電壓或者通過對次級側電壓進行過濾所產生的次級側過濾電壓與參考電壓進行比較，該參考電壓特別是對應於電子開關在完全功能優異時的電流的時間變化，和

-與閾值判定器相聯接的分析裝置，該分析裝置被設計為：根據利用閾值判定器所實施的比較，識別出電子開關的潛在損壞。

本發明的目的還通過一種用於檢驗根據本發明的電裝置的電源的方法來實現，該方法具有如下方法步驟：

-交替地打開和關閉電子開關元件，

-將次級側電壓或者次級側過濾電壓與參考電壓進行比較，並

-基於該比較來推斷出電子開關的潛在損壞。

根據本發明的裝置例如是一種電機器，例如一種機器人，並且包括周期電源，該周期電源被設計為，向根據本發明的裝置的用電器供應電源電壓或供電電流。電源電壓特別是被定時調節的電壓，或者說供電電流特別是被定時調節的電流。

用電器特別是電感式用電器，優選為電子機械制動器。

電感式用電器例如也可以是繼電器，或者是用於任意開關電源的功率傳輸器或者說功率電感的初級線圈，或者是與多級電橋電路(變頻器)連接的電機。電子機械制動器例如使用在機器人中，用於特別是在緊急情況下將機器人的機器人臂的節肢之一制動。機器人通常具有機器人臂和控制裝置。機器人臂具有多個依次設置並通過關節連接的節肢，以及用於使節肢彼此相對運動的電馬達。

根據本發明的裝置具有電子開關，該電子開關包括電子開關元件和用於操控電子開關元件的驅動裝置。優選電子開關是半導體開關。在這種情況下，電子開關元件被構造為電晶體。電晶體特別是功率電晶體。

周期電源具有功率部件，該功率部件例如被構造為h橋。該功率部件包括電子開關的開關元件。該功率部件被設計為，例如根據電子開關元件被交替地接通和斷開，基於一電壓來產生用於用電器的電源電壓或供電電流。

功率部件被設計為例如逆變器。

在電源或者說根據本發明的電裝置的運行中，特別是通過驅動裝置控制地來交替地關閉和打開電子開關元件。為此，正如本領域技術人員原則上公知的，電源包括例如合適的電子操控器件。該電子操控器件操控電開關的驅動裝置，使得電子開關元件被相應地打開或關閉。

為了能夠在電裝置或者說其電源的持續運行過程中檢驗電子開關的功能優異度，特別是為了儘可能提前地識別出電子開關的驅動裝置的初步或者潛在的損壞，設置脈衝傳輸器。

脈衝傳輸器是本領域技術人員所公知的。脈衝傳輸器包括帶有初級側線圈的初級側。初級側線圈配屬有初級側電感l1，並且初級側線圈的匝數為n1。脈衝傳輸器還包括帶有次級側線圈的次級側。次級側線圈配屬有次級側電感l2，並且次級側線圈的匝數為n2。脈衝傳輸器由此獲得的初級側相對於次級側的轉換比例為n1:n2，或者說次級側相對於初級側的轉換比例為n2:n1。

脈衝傳輸器在初級側連接功率部件，使得對應於電子開關元件的電流流經初級側線圈。

例如，電子開關可以是流動路徑的一部分，在電源運行中，對應於電子開關元件的電流流動經過該部分。在這種情況下，電流流經脈衝傳輸器的初級側線圈，該電流也流經電子開關元件。

此外，根據本發明，脈衝傳輸器在其次級側上被弱加載，使得施加在脈衝變換器的次級側線圈上的次級側電壓至少近似地與對應於電子開關的電子開關元件的電流的時間變化成比例。

例如，脈衝傳輸器的轉換比例n1:n2為1:20到1:100。當然，根據本發明，脈衝傳輸器不會如同大多數通常所做的那樣作為具有定義工作電阻的變換器在次級側上的通常作為電流變換器的電路中運行，而是在次級側與被這樣弱加載的輸出相連接，從而使得脈衝傳輸器的初級側(輸入側)區別於作為能量傳輸的變換器的電路地如同一個電感那樣起作用(無負載的變換器)，在其初級側上構造有與初級側電流的變化至少近似成比例的初級側電壓。初級側電壓施加在初級側線圈上。由此，根據脈衝傳輸器在次級側或者說脈衝變換器的輸出側的轉換比例來產生被提供用於測量的次級側電壓。

但是，該基本原則也可以在具有相對較高功率的應用中被使用(能量供應、電子網絡頻率變形、監控例如gto或者igbt)。

特別是基於以下公式來計算在待監視的電子開關元件上可定量分析的電流變化速度。

脈衝傳輸器的輸出電壓、即次級側電壓u2通過輸入電壓、即脈衝傳輸器的初級側電壓u1給出，即：

u2＝n2/n1*u1

在次級側無負載的脈衝傳輸器的初級側電壓u1(輸入電壓)適用於以下公式：

u1＝l1*di/dt

其中，di/dt是流經初級側的電流的時間變化。

這兩個表達式結合起來為：

u2＝n2/n1*l1*di/dt

該公式至少近似地適用於根據本發明的裝置的脈衝傳輸器，使得次級側電壓至少近似地與對應於電子開關的電子開關元件的電流的時間變化成比例。

根據本發明設有閾值判定器，該閾值判定器用於特別是當達到在流動路徑中所規定的最小開關速度時，識別次級側電壓，該次級側電壓特別是與所選擇的脈衝傳輸器共同作用，並且其技術數據與優選可自由選擇的參考電壓相比較。這樣，在閾值判定器的輸出處提供用於進一步分析的信號。通過分析裝置對該信號進行分析。

在流動路徑中所規定的最小開關速度可以是必需的，以便例如在周期功率電子電路中能夠確保所使用的電子功率開關以相對較低的功率損耗運行。如果由於電子功率開關的驅動電路中的損壞或者由於電子功率開關本身的損壞而使得開關速度過慢，則可以預料到會出現較高的開關損耗功率，並且可能會出現升高了的並且很可能是破壞性的溫度。

通過對開關速度的監視，可以在最終損壞或者大範圍的構件或組件發生故障之前，識別出並處理即將來臨的損壞。

例如，可以將唯一的脈衝傳輸器與輸出側的兩個閾值判定器結合使用，以便既監視電子開關的接通過程(升高的電流變化di/dt＞0)，又監視電子開關的斷開過程(降低的電流變化di/dt＜0)。由此，可以根據需要對所監視的電子開關進行相關差異診斷。

由此，特別是能夠形成對電子開關的開關速度的監視。

閾值判定器例如是運算放大器、比較器或者雙極電晶體。

此外，在了解待分析的開關速度的情況下，還可以藉助於濾波器、特別是低通濾波器在次級側例如針對暫時的相關幹擾提供穩定性。一方面，脈衝傳輸器的設計允許對最小電流升高速度進行分析，另一方面，濾波器也使得特別是快速且短暫的事件發生衰減。由此，可以針對於相關的幹擾脈衝來改進分析裝置的穩定性。

根據電裝置的一種變型，該電裝置優選具有在次級側後置連接脈衝傳輸器的低通濾波器，該低通濾波器被設計為，基於次級側電壓產生次級側過濾電壓。

根據電裝置的一種實施方式，分析裝置可以設計為，基於利用閾值判定器所實施的關於電子開關元件的接通或斷開過程的比較，來識別電子開關的潛在損壞。亦即在發生潛在損壞的情況下，電子開關例如根據在電子開關元件自身或其驅動裝置中可能的錯誤而比預設更慢地被開關。

優選閾值判定器產生一輸出信號，如果次級側電壓或者次級側過濾電壓超過參考電壓，則該輸出信號發生變化。

優選將分析裝置設計為，雖然是在電子開關接通或斷開的過程中，但是當次級側電壓或者次級側過濾電壓始終低於參考電壓時，可推斷電子開關有潛在損壞。

因此，根據本發明的方法可以具有以下方法步驟：雖然是在電子開關接通或斷開的過程中，但是當次級側電壓或者次級側過濾電壓始終低於參考電壓時，可推斷電子開關有潛在損壞。

附圖說明

在示意性的附圖中示例性示出了本發明的實施例。其中：

圖1以透視圖示出了具有機器人臂的機器人，

圖2示出了電路原理圖，

圖3示出了電路的電路圖，和

圖4示出了根據圖3的電路的模擬結果。

具體實施方式

圖1以透視圖示出了具有機器人臂2的機器人1。

在該實施例中，機器人臂2包括多個依次設置並通過關節連接的節肢。這些節肢特別是包括靜止不動的或者可移動的支架3和相對於支架3圍繞豎直延伸的軸a1可轉動安裝的轉盤4。在該實施例中，機器人臂2的其他節肢包括搖臂5、懸臂6和優選為多軸的機器人手7，該機器人手具有例如被實施為法蘭8的固定裝置，用於固定未詳細示出的末端執行器。搖臂5在下端部上，例如在未詳細示出的搖臂軸承頭上，圍繞優選為水平的軸a2可樞轉地安裝在轉盤4上。在搖臂5的上端部上，又圍繞同樣優選為水平的軸a3可樞轉地安裝有懸臂6。該懸臂在端部側以其優選為三個的軸a4、a5、a6承載機器人手7。

為了使機器人1或者說其機器人臂2運動，該機器人以普遍公知的方式具有與控制裝置10相連接的電驅動器。在圖1中僅示出了該電驅動器的幾個電馬達9，這些電馬達被固定在機器人臂2中或之上。電驅動器的功率電子器件例如設置在未詳細示出的控制櫃的殼體內，在該控制櫃內例如還設有控制裝置10。在該實施例中，電馬達9是三相交流電機，例如三相交流同步電機。但是，功率電子器件也可以設置在機器人臂2中和/或之上。

在該實施例中，如本領域技術人員原則上公知的那樣，功率電子器件包括：未詳細示出的整流器，該整流器基於網絡電壓產生直流電壓；同樣未詳細示出的、後置連接整流器的中間電路，該中間電路具有用於使直流電壓平滑的中間電路電容器；和多個後置連接該中間電路電容器的變頻器或逆變器。

在例如被實施為計算機的控制裝置10上運行有運算程序，控制裝置10在機器人1的運行中藉助於該運算程序例如操控機器人，使得法蘭8或者所謂的工具中心點執行預設的運動。控制裝置10在必要時如同本領域技術人員原則上公知的那樣調節電驅動器。根據需要調節電驅動器，並且控制裝置10產生一額定信號，用於該被調節的電驅動器或者說其逆變器。

在該實施例中，機器人1包括用於制動各個節肢的電子機械制動器。該制動器被設計為，其藉助於加載有電流的電感保持在解除狀態下。如果電感被切斷，則制動器被自動激活，並對機器人臂2的相應節肢進行制動。為此，制動器例如包括預緊的彈簧。圖2示出了例如被設計用於制動轉盤4的制動器的電感21。

為了在機器人1的運行中使制動器保持在其解除狀態下，或者將制動器從其激活狀態轉入其解除狀態中，在該實施例中，機器人1包括配屬於制動器的周期電源。

在圖2中部分地示出了配屬於轉盤4的制動器的周期電源20的電路圖。因此，電感21表示一用電器，特別是用於電源20的電感式用電器22。

在該實施例中，電源20包括功率部件23和電子操控器件24，該電子操控器件被設計用於操控功率部件23。電子操控器件24例如是控制裝置10的一部分。

在圖2中被部分示出的電源21例如被設計為，其功率部件23被構造為僅部分示出的h橋。h橋是本領域技術人員原則上公知的。

在該實施例中，電源20的功率部件23包括多個電路徑，在電源20的運行中，電流流動經過這些電路徑。

在該實施例中，電源20包括至少一個電子開關25。電子開關25特別是被設計為半導體開關，優選為功率半導體開關，並且包括電子開關元件和操控該電子開關元件的驅動裝置28。電子開關元件例如是電晶體27。該電晶體27能夠以fet技術實現。該電晶體也可以是雙極電晶體。

在該實施例中，功率部件23包括電晶體27，通常包括電子開關元件，還包括空載二極體26。

功率部件23例如由一電源電壓供電，該電源電壓特別是為直流電壓，並且施加在第一節點k1上。這種電源電壓例如是藉助於整流裝置和隨後的濾波穩壓由網絡電壓產生的。

在該實施例中，功率部件23的拓撲結構(topologie)如下：

空載二極體26一方面與第一節點k1連接，另一方面在截止方向上與第二節點k2連接。電晶體27一方面與第二節點k2連接，另一方面與第三節點k3連接。第三節點k3例如與參考電位連接，例如接地。

在第二節點k2和第四節點k4之間連接有制動器的電感21。

電感21是第一流動路徑11的一部分，電晶體27是第二流動路徑12的一部分，並且空載二極體28是第三流動路徑13的一部分。

在該實施例中，在常規運行中，即，在制動器解除並由此不對相關節肢進行制動的運行中，電晶體27被交替地接通和斷開。該電晶體特別是藉助於脈衝寬度調整信號被接通和斷開。

在該實施例中設計為，制動器在其解除狀態下通過電源20來加載電流。由此使得電子開關25或其被構造為電晶體的電子開關元件以合適的方式藉助於電子操控器件24被接通和斷開，該電子操控器件產生脈衝寬度調整信號。為此，電子操控器件24以本領域技術人員原則上公知的方式來操控電子開關25的驅動裝置28。

基於對電子開關25或者說其驅動裝置28的操控，被設計為電晶體27的電子開關元件根據脈衝寬度調整信號在其導通狀態或者說低歐姆狀態和截止狀態或者說高歐姆狀態之間被交替地來回開關。

如前所述，當長時間地不再有電流經過制動器的電感21時，制動器被激活。這是通過電子開關25或者說其被設計為電晶體27的電子開關元件被持久地打開或者說被持久地維持在其截止狀態下來實現的。

為了在機器人1的持續運行或者說常規運行中也能檢驗電子開關25的功能優異度，即，為了在制動器被解除的情況下也能檢驗電子開關25的功能優異度，在該實施例中，機器人1還包括脈衝傳輸器29。

脈衝傳輸器29包括具有初級側線圈w2的初級側，該初級側線圈配屬有初級側電感l1並且匝數為n1。脈衝傳輸器29還包括具有次級側線圈w2的次級側，該次級側線圈配屬有次級側電感l2並且匝數為n2。脈衝傳輸器29的傳輸比例為n1:n2(初級側/次級側)。

在該實施例中，脈衝傳輸器29與被設計為電晶體27的電子開關元件串聯連接，由此使得第二流動路徑12的電流i經過初級側線圈w1並經過開關元件27。

脈衝傳輸器29在次級側被弱地加載，從而至少近似地符合以下公式：

u2＝n2:n1*u1＝n2:n1*l1*di/dt

其中，u1是脈衝變換器29的初級側電壓，其被施加在初級側線圈w1上；u2是脈衝變換器29的次級側電壓，其被施加在次級側的線圈w2上。

因此，次級側電壓u2與流經被構造為電晶體27的電子開關元件的電流的時間變化至少近似地成比例。

在該實施例中，開關電源20包括閾值判定器30，該閾值判定器例如被設計為運算放大器。

閾值判定器30包括例如第一輸入端31和第二輸入端32，在第二輸入端上施加有次級側電壓u2。在第一輸入端31上施加有一參考電壓uref作為參考信號。該參考信號可以是靜態的，或者根據需要也可以在持續運行中調整為動態的。

閾值判定器30包括輸出端33，在該輸出端上施加有輸出信號。該輸出信號配屬有兩個邏輯值，也就是說，只要施加在其第二輸入端32上的次級側電壓u2小於比較電壓uref，則輸出信號具有第一值。如果施加在第二輸入端32上的次級側電壓u2大於參考電壓uref，則輸出信號具有不同於第一值的第二值。

如前所述的，至少近似地適用以下公式：

u2＝n2:n1*l1*di/dt。

在該實施例中，參考電壓uref或者說參考信號被選擇為：當通過電晶體27的電流i的時間變化超過預設值時，輸出信號具有其第二值。該預設值屬於完全功能優異的電子開關25。如果電流i在開關時緩慢地變化，則次級側電壓u2不超過參考電壓uref，由此可以推斷出電子開關25的初步損壞。

然後，可以利用分析裝置34分析輸出信號。該分析裝置34可以是控制裝置10的一部分。

還可以設計為，使脈衝傳輸器29與空載二極體26串聯連接，從而對通過空載二極體26的電流的時間變化進行分析。該電流同樣是屬於電子開關元件25的電流。

通過對電晶體27的開關時間點的了解，分析裝置34可以相對快速地識別出電子開關25的初步損壞。通過適當的設計，例如可以在200ns之內明顯地更快。

脈衝傳輸器29的極性、其在電晶體27或者在空載二極體26的情況下的設置以及其連結在閾值判定器30上的方式均可以自由地選擇，並且允許或者分析出接通過程的開始(負載電感的磁化、在電阻或電容負載中電流流動的開始)，或者分析出切斷過程的開始(退磁、空載、切斷其他負載)。

圖3示出了計算機模擬形式的一種實施方式。電子開關25或者說其電子開關元件在此被模擬為可開關的電流源41，從而將電流源41的電流模擬為通過電晶體27、通常通過電子開關元件27的電流i。

脈衝變換器29的用於計算機模擬的數值如下：

l1＝200nf

l2＝80μf

n1＝1

n2＝20。

如圖3中示出的計算機模擬電路圖所示，脈衝變換器29在次級側與低通濾波器接通，該低通濾波器具有第一電阻r1、第一電容c1和與第一電容c1並聯的第二電阻r2。這些元件的數值如下：

r1＝100ω

r2＝10kω

c1＝1nf。

後置連接低通濾波器的是閾值判定器42，在該閾值判定器的輸入端43上施加一電壓。在該實施例中，針對第二電阻r2和第一電容c1並聯一二極體d，從而在輸入端43上僅施加正電壓。

因此，施加在閾值判定器42的輸入端43上的電壓就是脈衝傳輸器29的藉助於低通濾波器被過濾的次級側電壓u2′，在此，負電壓值被二極體d過濾出去。

在該實施例中，閾值判定器42是一被控制的開關，如果施加在其輸入端43上的電壓大於等於參考電壓，則該閾值判定器關閉。在該實施例中，參考電壓是1.0v，因此，一旦次級側過濾電壓u2′大於等於1.0v，則開關被關閉，並且當次級側過濾電壓u2′小於1.0v時，開關又被再次打開。

閾值判定器42例如是雙極電晶體，並且具有輸出電壓u。

圖3的電路還包括第三電阻r3(220ω)以及第二電容c2(10nf)，它們分別通過其端子與節點k連接。第二電容c2的另一端子接地。

此外，還設有一電壓源v，該電壓源產生1.0v的直流電壓。電壓源v一方面接地，另一方面與第三電阻r3連接。

閾值判定器42的開關與節點k和地相連接。

由於當閾值判定器的輸入端43上的次級側過濾電壓u2′小於1.0v時，閾值判定器42的開關是打開的，因此只要其輸入端43上的次級側過濾電壓u2′小於1.0v，輸出電壓u就等於1.0v。如果輸入端43上的次級側過濾電壓u2′大於等於1.0v，則閾值判定器42的開關關閉，並且輸出電壓u為零。

為了測試圖3的電路，電流源41產生不同高度的電流i的脈衝(電流脈衝)，這在圖4中示出。電流脈衝的上升和下降時間始終為1μs，從而可以根據不同的脈衝高度和始終相同的上升和下降時間來產生電流變化率di/dt的具有不同高度的脈衝，以檢測工作原理。

電流脈衝通過脈衝傳輸器29的初級側發出。兩個電感l1和l2的比例(1:400)符合1:20的線匝數比例或傳輸比例。

脈衝傳輸器29的次級側電壓u2通過低通濾波器和二極體d被過濾和限制，但是值得注意的是卻沒有使得脈衝傳輸器29的輸出端被加載，即沒有在次級側加載，並且顯著地改變了脈衝傳輸器29的初級側上的特性。

根據脈衝傳輸器29的數值可知：從電流i的變化為250ma/μs開始，就達到了1.0v的判定閾值，並且產生一可分析的信號(輸出電壓u)。

如圖4所示，從脈衝傳輸器29的初級側線圈w1中的電流i的變化為di/dt＝250ma/μs開始，就產生一輸出信號u，該輸出信號顯示對於所選擇的數例而言有足夠快的電流變化。

在圖4中示出的電流脈衝具有如下大小的電流變化率di/dt：25ma/μs；50ma/μs；75ma/μs；100ma/μs；125ma/μs；150ma/μs；175ma/μs；200ma/μs；225ma/μs；250ma/μs；275ma/μs；300ma/μs；325ma/μs；350ma/μs；375ma/μs；400ma/μs；425ma/μs；450ma/μs；475ma/μs；500ma/μs；

低通濾波器能夠減弱相關的幹擾，這些幹擾會導致閾值判定器被意外地激活。