专利名称：励磁开关电机的励磁电路和控制方法
技术领域：
本发明涉及电机励磁电路，具体涉及一种励磁开关电机的用于控制电机启动和运行的励磁电路和控制方法。
背景技术：
励磁开关电机的特征在于未卷绕的凸极转子和定子上的两组整节距绕组，其中一组是主要承载单向电流的磁场绕组，另一组是由双向电流励磁并且电枢绕组极性由转子位置决定的电枢绕组。
励磁开关电机可以广泛而方便地应用于很多领域，其应用范围包括各种大型家用设备和电动工具。例如可在桌式锯、斜切锯和其它要求输出功率大于几个马力的工具中使用励磁开关电机。由于省去了交直流两用机中拥有的电刷和传统的换向器，励磁开关电机特别有利于应用于电锯等电动工具中。由于省去了电刷以及电刷与换向器之间的机械接触，从而能够制造高度防尘的密闭电机，否则灰尘能够影响传统的交直流两用机的电刷和换向器的运转。同时，因为克服了由于使用换向器和电刷用于电机换向时产生的磨损，励磁开关电机的寿命也较长，并且很少需要定期修理或保养。
目前通常使用一对电子开关来实现励磁开关电机的换向，这对电子开关受各种形式的控制器的控制。控制器可以通过控制一个或多个电枢绕组中的一个电枢绕组中的电流方向或双线电枢绕组的不同部分的电流方向的方式来控制电机换向。
当切断电子开关时，许多传统的换向电路需要用缓冲电路来提供电流通路并且使电机换向。但是，每当将电流切换到从一个电枢绕组或者双线绕组的一部分中流过时，这样的一个缓冲电路将不得不消耗掉大量的功率，这些消耗掉的功率称之为耗散功率。同时，这种换向控制方案中铜的利用率也非常低。
目前励磁开关电机的励磁电路的另一个典型特点是在励磁电路的整流部分输出端跨接了一个铝电解电容器，以处理电机换向时出现的暂态瞬变和获得稳定的直流电压。如果没有这个被称为大电容器的铝电解电容器，从静止状态起动励磁开关电机可能会非常慢而且不匀速。另外，如果没有这个大电容器，电机将需要令人无法忍受的长时间才能达到其工作速度。在很多具体应用中，例如电动工具中的桌式锯或斜切锯，使用者不希望在使用这些工具前不得不等待数秒钟或者更长时间才让电机达到工作速度。这个大电容还导致了较低的功率因数，其典型值为0.75～0.70，而较低的功率因数减小了电机从电流保护分支电路吸收的功率。同时，大电容相对来说较大并且在印刷电路板上占据相当大的空间，并且具有一定的寿命限制(典型的大约是2,000小时)。遇到波动时，大电容还容易出现故障，因此特别不适用于电动工具。而且，大电容并不能缓解交流(AC)电源中的谐波效应。目前在美国将谐波引入到AC电源中不是一个严重的问题，但是在欧洲这将是一个非常严重的问题，因此在设计欧洲使用的电机的励磁电路时，这是一个必须考虑的因素。
因此，特别需要提供一种用于励磁开关电机的励磁电路，该励磁开关电机通过布置多个电子开关和使用一个开关控制方案以在电枢绕组中提供电流回流来实现对电机的电子换向。本发明一个相关目的是通过使用刚刚所述的开关控制方案和电子开关布置而省略传统的缓冲电路。
本发明的另一个目的是提供一种用于励磁开关电机的励磁电路，该励磁开关电机使用一个相对较小的薄膜电容器，而不是传统的大电容器，该薄膜电容器跨接在励磁电路的滤波部分的输出端。使用薄膜电容器而不使用传统的铝电解电容器除了可以显著地减少可能由电路引回到AC电源的谐波以外，还将显著地提高电路的功率因数，并且还有利于减轻电磁干扰(EMI)。
本发明的另一个目的是提供一种用于励磁开关电机的励磁电路，该励磁开关电机使用一个开关电路，可通过控制该开关电路来影响电机电枢绕组的反向换向，使得当关闭励磁开关电机时，电机能够迅速地停止。当励磁开关电机应用在例如桌式锯、斜切锯、旋转锤等各种电动工具中时，也特别需要这种特性。
发明内容
上述目的和其它目的是根据本发明优选实施例的一种用于励磁开关电机的励磁电路实现的。该励磁电路包括开关电路，该开关电路由多个和励磁开关电机的电枢绕组一起设置在H-桥布置中的电子开关装置组成。至少选择具有旁路元件(比如二极管)的电子开关中的一个，使电枢电流在电机换向期间能够回流。这省去了对传统的缓冲电路的需要，并且改进了电机的转矩/速度性能。
励磁电路还包括薄膜电容器，而不是传统的大电容器。薄膜电容器跨接在电路滤波部分的输出端。薄膜电容器显著地提高了电路的功率因数，同时也减少了引入到给励磁电路供电的AC电源中的谐波。
励磁电路还包括一个用于控制电子开关装置的开关状态的控制器。在一个优选的组成当中，该控制器由实施脉冲宽度调制(PWM)控制方案的微处理器组成，该控制方案结合单脉冲控制，用于控制施加到电子开关的开关信号的占空因数。使用该控制器和一个PWM控制方案进一步可以实现变化的转矩/速度曲线，这样使得一个单独的励磁开关电机的工作特性可以被用在不同的应用中，而绝对无需对电机本身作调整。仅对与控制器一起使用的软件进行修改，使得电机转矩/速度曲线适合于特定的一种或多种工具(电机将被用在这些工具中)最适宜的电机特性。
通过此后的详细描述可以清楚地知道本发明的进一步应用领域。应当理解，在简述本发明的优选实施例的同时所提供的详细的描述和特定的范例，仅用于说明的目的而不能作为对本发明范围的限制。
根据详细说明和附图可以更容易理解本发明，其中图1是本发明一优选实施例的励磁电路的简化框图；图2是基于图1的本发明一实施例的H～桥开关电路图；图2a是可选择的将二极管从所跨接的磁场绕组上移开的电路示意图；图3是位置传感器输出信号和电机产生的反电动势图，并且还阐明了所使用的PWM开关信号中的超前；图4a～4d是与转子位置传感器输出波形有关的PWM开关信号图，以简化的方式阐明了在不同的运行起动模式中，占空因数是随着电机速度而变化的函数；图4e是和电机速度有关的单脉冲开关信号图；图5是本发明系统采用的和电机速度有关的典型的PWM占空因数曲线图；图6是和电机速度有关的PWM占空因数整体包络线图；和图7是和起动过程中AC线电压有关的PWM占空因数调节图。
具体实施例方式
下述对优选实施例的说明仅仅作为示例，并不用于限制本发明及其应用或使用。
如图1所示，图1中所示的系统10主要由励磁开关电机14和与励磁开关电机14有关的电源开关电路12组成。电机14由传统的具有多磁极定子的励磁开关电机组成，并且在一个优选组成中是4极、1个整节距磁场绕组和1个整节距电枢绕组，其中磁场绕组和电枢绕组的匝数可以变化，但是在一个优选的组成中，电机14由每个线圈具有40匝的磁场绕组和每个线圈具有20匝的电枢绕组组成。在一个优选的组成当中，作为将电枢绕组排列成平行两部分的结果，定子具有一对顺向磁极。
电机14还具有转子，转子的转动位置由位置传感器16监测。位置传感器16的输出信号施加到控制器18，例如控制器18可为一微处理器。可以使用多个机械开关向控制器18输入信息从而用信号通知控制器不同的操作过程，比如操纵开/关触发开关20a启动电机14。控制器18生成施加到驱动电路22的开关信号，而驱动电路22的输出则用来控制电源/开关电路12的开关元件，从而实现将励磁开关电机14电子换向。
人们期望系统10能够应用于多种电动工具中，而其中一种特别的工具是桌式锯/斜切锯相结合。这种工具中典型的包括多个外部开关，而外部开关用信号通知控制器18电机14是正工作在桌式锯模式中还是斜切锯模式中。根据此信息，控制器18可调整其输出信号给驱动部分22，使得驱动部分能够控制励磁开关电机14的换向，并且这种控制方式可以产生期望的特定转矩/速度特性曲线。
优选地，包括备用开关检测电路部分24，用于监视外部开关20的动作。电路24提供信号给驱动部分22以指示一个或多个外部开关的动作，或者指示一个或多个外部开关的释放。在驱动部分22产生适当的信号以起动电机14之前，驱动部分22从控制器18接收适当的信号，也从备用开关检测电路部分24接收信号。因此，备用开关检测电路24作为安全装置，可用来保证控制器18的任何故障都不能导致信号单独地传送到驱动部分22，而这将造成驱动部分22又依次给励磁开关电机14送电。优选地，可在数据采集电路26中使用电可擦除只读存储器(EEPROM)来存储使用数据。
在图2中十分详细地示出了系统10的电源/开关部分12。可以看出，图2所示并不包括备用开关检测电路24、外部开关20、驱动部分22或数据采集电路26。通过磁场绕组28和电枢绕组30这种非常简化的形式表示出了励磁开关电机14。AC电源32给全波整流桥电路34提供AC输入电源。薄膜电容器36跨接耦合在DC“轨道”(rail)33a和33b上，从而使得薄膜电容器36跨接耦合到整流器34的输出端(即DC侧)。优选的，薄膜电容器36由金属化聚丙烯薄膜电容器组成，薄膜电容器36优选的容抗大约为10μfd～15μfd，更优选的容抗大约为12.5μfd。薄膜电容器36的容抗值由电磁干扰(EMI)检测和谐波检测来规定。
通过继电器40的输出侧的一对开关触点40a，启动二极管38跨接耦合在励磁绕组28上。应该意识到启动二极管38和继电器40能够被晶闸管、脉冲变换器或其它形式的合适的半导体所替代，而这些半导体可通过晶闸管输出或三端双向可控硅开关元件输出的光开关选通。电枢能量恢复电容42也跨接耦合在DC“轨道”(rail)33a和33b上。电枢能量恢复电容42的优选值大约为10μfd～15μfd，更优选的大约为12.5μfd。
根据电机是运行在起动模式还是运转模式，通过将二极管38和继电器触点一起使用来选择是保持二极管在电路中或从电路中去除二极管。一种可选择的实施方式是用晶闸管35替代二极管，并且用脉冲变换器35a(图2a)替代继电器。这两种实施方式的功能在本质上是相同的。
进一步参考图2，电源/开关部分12包括多个电子开关装置44、46、48和50，电子开关装置44、46、48和50与电枢绕组30一起连接成H-桥形式。电子开关装置44～50中的每一个电子开关装置可能由任何形式的合适的电子开关设备组成，但是在一个优选的形式中，电子开关装置44～50中的每一个电子开关装置都是由绝缘栅双极型晶体管(IGBT)组成。还应该注意到，电子开关装置开关44～50中的每一个电子开关装置分别包括二极管44a～50a，一般理解为“飞轮”(free wheeling)二极管。这些飞轮二极管44a～50a促进励磁开关电机14起动期间的电枢能量回流。下面将详细描述这一特征。
首先，应该理解开关44～50是作为两对来进行控制第一对由开关44和开关46组成，第二对由开关48和开关50组成。开关44-50分别有一个门通过驱动部分22耦合到控制器18。依靠检测的电机速度，控制器18通过使用脉冲宽度调制(PWM)控制方案或通过单脉冲分别接通开关44和48，而开关46和50仅仅通过单脉冲控制方案来进行控制。
控制器18从位置传感器16接收信号，而位置传感器16用于指示电机14的转子52的旋转位置。在一个优选形式中，位置传感器16由光学传感器组成。一种特别适用于系统10的光学传感器是能够从Optek Technology，Inc.of Carrollton，TX.公司买到的槽形光学开关(slotted optical switch)。位置传感器16可以由多种不同的部件组成，例如该部件可为一种能够指示转子位置的电磁开关。
主要参考图3，图3所示为传感器16检测图2中所示转子52的每个磁极52a位置时所产生的波形54。对每个磁极52a的检测将生成一个基本上为矩形波的脉冲的上升沿56。四极转子52每旋转360度会产生四个脉冲。因此，对于四极电机，每个脉冲宽度的机械角度将大约是45度。然后应该认识到，波形54的频率将根据检测到的电机速度而提高和降低。
工作模式在启动过程中，当励磁开关电机14由首先被接通电源直至达到额定电机速度(优选的是15,000rpm)时，系统10将实施几种按顺序完成的工作模式，而不吸收额外的电流。下面介绍这四种模式。
1.初始起动模式(大约0-450rpm)现在参考图2和图4，在电机14的初始起动阶段，AC电源32向整流器34的输入侧提供AC电源，在一个优选的形式中是230V的AC信号。整流器34在DC总线33a和33b两端产生被整流的AC信号。当电机14开始接通电源时，如果传感器输出波形54的逻辑电平是“1”(即高)，那么，控制器18将使开关44和46接通来允许电流沿箭头58方向流过电枢绕组30。转子52最好是模压在电机14的输出轴上，或者耦合到电机14的输出轴，并且与传感器16对准以使得由电枢绕组30产生的反电动势将是正的。因此，为了获得正转矩，电流需要沿箭头58的方向流过电枢绕组30。
当电机14刚被通电时，通过触发继电器40闭合开关触点40a，启动二极管38跨接在磁场绕组28上。这就为磁场电流通过磁场绕组28回流提供了通路，所以磁场电流在工作的起动阶段不会为不连续的。但是，正如在部分4中将进一步解释的，一旦电机14的工作速度至少大约为15,000rpm时，通过断开使继电器40释放的触点40a，将启动二极管38从电路12移开，而这将获得高效率和更高的输出功率，从而保证了电机的最佳性能。
在初始启动模式中，当检测到波形54为逻辑电平1时，PWM开关信号60(图4a)仅施加到开关44。开关46被控制器18持续保持在“闭合”状态。类似地，当开关对48和50被控制器18闭合(当波形54如图4b所示逻辑电平为0时)时，只有开关48接收PWM开关信号60；控制器18持续保持开关50在“闭合”状态，而直到开关对48和50被控制器打开时开关50才断开。这种方案应用于在此描述的所有启动模式中。
在此描述的所有起动模式中，施加到开关44和48的PWM开关信号60的频率最好被控制在大约5KHZ(周期200微秒)左右，只有PWM开关信号60的占空因数(如图5所示)获得调制。但是，还应该认识到，为适于某些特殊应用，该5KHZ的PWM开关信号60的频率还可以被提高或降低。
在初始起动模式(即大约在0-450rpm之间)中，电机速度将会太低以至于不能被控制器可靠地测定。同样，PWM开关信号60的占空因数在这个电机速度范围内为常数(即固定)，而优选的在大约10％～25％的范围内，更优选的大约是20％。如图5中曲线70的70a部分所示，占空因数为固定的常数20％。图4A代表电机速度大约为200rpm时的控制信号。因此，波形54的周期为75毫秒。在波形54的逻辑电平为1的部分(大约37.5毫秒)，大约188个PWM周波被发送到开关44的门。如图5所示，在电机低速时，这些PWM周波的占空因数大约只是20％，但是，即使给定图4A的比例，PWM脉冲的占空因数还是不可辨别的。
进一步参考图4A，还按照方波位置传感器输出波形54控制PWM开关信号60，而方波位置传感器输出波形54是由位置传感器16所产生。PWM开关信号60被控制施加到由每个逻辑电平为“1”的脉冲所形成的包络线内，而这些逻辑电平为“1”的脉冲是由位置传感器16产生。术语“包络线”含义为施加了PWM开关信号60的位置传感器输出波形54的“接通”时间部分(即周期)。因此，在图4a中，PWM开关信号60能够可被认为具有与位置传感器输出波形54的每个“接通”脉冲的周期相匹配的包络线。注意到图4a仅仅表示出了用于顶部开关44的PWM信号。图4b所示为当波形54位于逻辑电平0时，PWM信号施加到顶部开关48。
另外，起动模式的重要特征是当电机从不动(即静止)状态接通时，将会给予电机14反向“反冲”(即脉冲)。如上所述，控制器18根据位置传感器输出波形54来初步确定是控制开关对44、46起动电机14旋转还是控制开关对48、50启动电机14旋转。在上面的例子中，控制器18初始确定开关44和46需要受脉冲作用。因此，在脉冲作用于开关44使其闭合和断开和接通开关46使电机14开始旋转之前，考虑到检测的转子位置，控制器18将通过接通开关对44、46或48、50(与通常是闭合状态的开关相反)而施加至少一个脉冲至电机14。因此，在这个例子中，由于波形54在起动时是逻辑高电平，控制器18用脉冲作用使开关48和50闭合，优选的闭合时间是8～10毫秒。这就向电机14提供了一个非常短暂的反向脉冲以确保当电机14处于起动困难的旋转位置时，电机14能够起动。每次电机14通过闭合/断开触发开关20a接通电源时，都施加这个瞬间的反向脉冲。
在施加PWM开关信号的过程中，当施加PWM开关信号60至开关44，并且当开关44暂时断开时，保持开关46持续地接通，从而进一步允许电枢电流通过开关46，通过开关50的飞轮二极管50a和通过电枢绕组30回流。类似地，当控制器18接通开关对48和50并且在施加PWM开关信号60过程中开关48暂时断开时，电枢电流通过开关50、通过开关46的飞轮二极管46a和通过电枢绕组30回流。
此外，在位置传感器输出波形54每次跃迁之后，当信号60随后施加给相对的开关44或48中的一个时，电枢电流会在PWM开关信号60的数个周期内回流。从而，当开关44被断开时，与之相关的开关48保持闭合同时开关50被接通。在检测到波形54的下一个上升沿前，开关46和50都保持闭合状态，而在检测到波形54的下一个上升沿时开关46被断开且开关48被接通。当开关48被断开，开关50保持接通状态并且接着开关46被接通至检测到波形54的下一个上升沿，在检测到波形54的下一个上升沿时开关50又被断开且开关44被接通。只要希望电枢电流回流，就持续这种模式。在不使用直流大电容的情况下，这种电枢电流的回流使得电机14的起动更匀速和快速。由于电枢电流的回流，设置H桥开关并不需要缓冲电路。电枢能量的回流同时还显著地提高了电机14的效率。
随着初始起动模式的继续，当控制器18检测到波形54过渡到逻辑电平0时，正如波形54的下降沿部分62所显示，控制器将开关44和46断开，并且将开关48和50接通。再一次，在信号60施加给开关48和50之前，允许电枢电流在PWM开关信号60的数个周期内回流。当位置传感器输出波形54处于逻辑低电平时，开关48受脉冲作用而多次接通。当开关48受脉冲作用而接通，这导致电流流过开关48，沿箭头64的方向流过电枢绕组30，以及流过开关50。还应该认识到，当开关48受脉冲作用而断开时，开关46的飞轮二极管46a允许电枢电流在其中回流。
当控制器18检测到波形54跃迁到逻辑电平0部分时，控制器18断开开关44和46，并且接通开关48和50。当波形54的逻辑电平为0时，表示此时电机14的反电动势是负的，并且指示出为了再次从电机14获得正向转矩而需要沿箭头64方向的电流。在图3中通过波形66示出了反电动势，而波形66被叠加在位置传感器输出波形54上。一旦控制器18检测到波形54的另一个上升沿56，控制器将断开开关48和50，并且再次接通开关44和46，然后根据预先设定的启动PWM占空因数(即优选的大约是20％)，开关44通过PWM开关信号60被脉冲作用多次接通。这个过程持续地重复直至电机达到可被控制器18可靠测定的预定速度(即大约高于450rpm)。
电枢能量在启动阶段的回流也有助于控制在电枢能量存储电容器42两端的电压。伴随着电枢能量的回流，当利用230伏AC输入信号时，电容器42两端的电压能够被保持低于600伏。磁场绕组28与薄膜电容器36和42一起，也形成了一个滤波器，该滤波器有助于减小电磁干扰(EMI)和可能被引入到AC电源32的瞬态。
2.初始中间启动模式初始中间启动模式在初始启动模式之后，并且从大约450rpm延伸到优选的大约介于6,000rpm～7,500rpm之间，并且更优选的是延伸到大约6,700rpm。如图5所示的曲线70的部分70b所示，在启动顺序的这个阶段，PWM开关信号60的占空因数与电机速度有关，并且控制器18基本上线性地把PWM开关信号60的占空因数从大约20％提高到大约40％。在这个中间阶段，电机14的速度仍然在增加但是超出大约450rpm，通过开关44和48的开关状态，电枢能量采用回流。图4C表示的为当电机速度大约为4,000rpm时的控制信号。在4,000rpm时，波形54的周期大约是3.75毫秒。从而，波形54的逻辑电平为1的部分的周期大约是2毫秒。在波形54的逻辑电平为1的部分期间，大约9个PWM周波被施加给开关44的门。这些PWM周波的占空因数大约是40％(图5)。
3.第二中间启动模式第二中间启动模式在初始中间启动模式之后，电机速度从优选的约为6,700rpm到优选的约为14,500rpm。当电机速度达到大约6,700rpm时，控制器18改变PWM开关信号60的包络线(如波形54所示)。特别地，当达到6,700rpm的临界速度值时，PWM开关信号的包络线以台阶形式减小为每个位置传感器输出波形54的“接通”脉冲周期的一小部分。如图6所示，新包络线的宽度与“接通”脉冲的宽度之比是速度的函数。在图4d中阐明了减小的包络线，可以看出PWM开关信号被包含在一个与被位置传感器输出波形54的一个“接通”阶段脉冲所定义的包络线相比更小的包络线内。图4D所示为在电机速度大约为10,000rpm时的控制信号。在10,000rpm时，波形54的周期约为1.5毫秒。因此波形54的逻辑电平为1的部分的周期约为0.8毫秒，然而占空因数控制(图6)进一步将其限定到大约0.6毫秒。从而在波形54的逻辑电平为1的部分，大约3个PWM周波被施加到开关44的门。这些PWM周波的占空因数大约是55％(图5)。
在启动顺序的这个阶段，PWM开关信号60的占空因数继续伴随着电机速度基本上呈线性增加。如图5中图形70的部分70c所示，PWM开关信号60的占空因数从6,700rpm时的大约40％提高到大约11,000rpm时的最大值，即约为60％。在大约11,000rpm和14,500rpm之间，PWM开关信号60的占空因数将保持常数。然而，如图4d和图6所示，PWM开关信号60的包络线持续从位置传感器输出波形54的每个“接通”脉冲周期的大约60％提高到大约80％。因此，当电机速度达到大约14,500rpm时，PWM开关信号60的占空因数最大值约为60％，并且信号60的包络线大约是位置传感器输出波形54的每个“接通”脉冲的脉冲宽度的80％。电枢能量一直被回流，直至速度大约为10,000rpm时停止回流。
4.末级启动模式(工作的相锁定模式)末级启动模式所覆盖的电机速度范围为从大约14,500rpm到电机额定速度。电机额定速度由于依赖于电机14将用于什么特定的工具而可能会不同，但是优选的是介于大约15,000rpm和17,000rpm之间。在末级启动模式所覆盖的电机速度范围的开始阶段，相锁定工作模式被初始化并且持续至电机额定速度。如图4e和图5所示，在相锁定工作当中采用单脉冲控制开关44～50。使用“单脉冲”控制意味着不采用PWM开关信号，而是在位置传感器输出波形54的每个“接通”脉冲周期内，施加上述单个的、持续的“接通”脉冲。图4e所示为由脉冲59a组成的单脉冲开关信号59，每个脉冲59a的“接通”持续时间相当于位置传感器输出波形54的每个“接通”脉冲大约80％的包络线。如图4e所示，在大约14,500rpm和电机额定速度之间，脉冲59a的持续时间保持在包络线值的80％。在大约15,000rpm时，启动二极管38被切换而与系统分离。
启动模式总结通过上面描述的四种启动模式，可以发现PWM开关信号60或者单脉冲开关信号59被施加给开关44或48中的某一个或另一个。当开关46和50都接通时，它们始终接收单脉冲，并且该单脉冲的“接通”持续时间相应于位置传感器输出波形54的每个脉冲的“接通”持续时间，而给电机14施加电源的初始化应用是唯一的例外。
可以发现电机14所用于的特定工具能够影响到所选择使用的电机最佳性能曲线。例如如果电机14用于桌式锯，那么典型地，电机额定速度将选取介于大约15,000～17,000rpm之间，并且更优选的是大约17,000rpm。如果电机14用于斜切锯，那么典型地，电机额定速度优选的范围介于大约20,000～25,000rpm之间，并且更优选的是大约22,500rpm。根据电机14所用于的特定的工具，精确的占空因数/电机速度关系也将随着变化。虽然此处描述的系统10使用的相锁定临界值大约为14,500rpm，但是应该认识到，能够设定不同的电机速度作为相锁定临界速度值。但是最好等到电机速度达到至少大约7,000rpm时再输入工作的相锁定模式以避免电源感应电压效应，而电源感应电压效应能够导致AC输入电源瞬态峰值。可以在包括在系统10进入工作的相锁定模式之前的电机启动操作的任何时刻加载电机14。
通过控制PWM开关信号60的占空因数、在其内施加的包络线和进入相锁定操作的精确速度，可以实现多种电机转矩曲线。可以使用这些变化的电机转矩曲线以适于特定工具的电机工作，比如桌式锯、斜切锯和多种其它的电动工具。
使用反向换向的制动作用系统10的另一个特征是当电机14被使用者停止时，可采用电机14的反向换向而使电机14快速停止。正如所认识到的，快速停止电机的能力是许多电动工具很重要的考虑因素，尤其是对于桌式锯和斜切锯等电动工具。
在制动操作中，系统10将固定的PWM频率和固定的PWM开关信号60占空因数施加给开关44～50。如图3所示，在制动过程中，当控制器18检测到位置传感器输出波形54已经跃变到逻辑高电平(如上升沿56所示)，需要电流沿箭头58的方向(图2)流动来保持电机转矩为正时，控制器18接通开关48和50。开关48和50的接通使得电流沿箭头64的方向(图2)流动，该电流方向导致电机转矩为负。在此期间，继电器40将二极管38重新接回到系统10中以帮助保持制动时间最小(典型的小于3～4秒)。当波形54的每个脉冲的下降沿62出现时，需要电枢绕组30中的电流沿箭头64的方向以保持电机转矩为正，控制器18断开开关48和50并且接通开关44和46。这导致电流沿箭头58的方向并且在该转子旋转期间，产生负电机转矩。
应该认识到，在制动模式中可以使用其它的PWM方案并获得类似的结果。例如可以使用具有固定频率且具有变化的占空因数的PWM脉冲。PWM的脉冲宽度可作为电机速度的函数而被选择性地生成。更进一步，可以改变PWM占空因数曲线(例如拱顶线性函数)(dome vs.Linear)以实现电机快速停止。在所有这些例子中，电枢能量恢复电容器42上的电压是对在制动过程中实现的占空因数曲线的限制因素。本发明用额定电压较高(优选的600伏)的薄膜电容器36取代了传统的铝电解电容器，薄膜电容器36的存在使得本发明的制动方案非常迅速。电机14能够在小于大约4秒钟的时间内，从速度高于其相锁定临界速度值而被制动。
为了获得最佳特性的超前转子位置传感器信号进一步参考图3，为了从电机14获得最佳特性，当电机14开始产生反电动势时，位置传感器16输出的信号54必须被超前一很少的角度，从而在电枢绕组30内建立电流。可通过物理上的或者通过控制器18内的软件来超前。反电动势如图3中的波形66所示。波形60a和60b分别代表已被施加了超前而且用于控制开关44、46和48、50的PWM开关信号。66a和66b的时间间隔分别代表施加给PWM开关信号60a和60b的超前的程度。当反电动势开始变为正时，将PWM开关信号60a和60b的脉冲超前一个很小程度66a以能够建立沿箭头58方向(图2)的并通过电枢绕组30的电流。根据66b的时间间隔将PWM开关信号60b的脉冲超前使得能够在反电动势开始变为负时，在电枢绕组30内建立沿箭头64方向(图2)的电流。
在通过将位置传感器16相对于转子52物理定位以获得超前角的情况下，考虑到电枢绕组反电动势，当电机14初始起动时，转子52有可能向错误的方向运动。如果转子52在反电动势与传感器信号布置不一致的区域(即该区域代表转子52的超前)而从前面的转动状态变成停止，就有可能发生转子52向错误方向运动。解决这个问题的一个方法是定位位置传感器16，使得定位位置传感器16产生的正脉冲和反电动势波形66的过零点一致，并且与控制器18软件的换向超前角合并。但是控制器18执行周期检测所需的时间是对该方法的限制。无论如何，目前最好是通过软件实施换向超前角以避免电机14在起动时瞬时反转的可能性。
在起动过程中限制暂态另一个需要在起动时考虑的因素是当系统10使用阻抗较高的“软”电源(“soft”power)时，瞬间峰值被引入到交流电源32的可能性。当电机14从静止状态起动时，反电动势为零并且突入电流可能相对较大，而这可能导致出现在交流输入电压波形峰值上更加明显的电压瞬间峰值。因为在整流电路34直流侧省去了典型的大电容器，这个现象在系统10中可能更明显。依靠PWM脉冲宽度和PWM频率，这些峰值能够高达500伏。
为了在起动过程中限制突入电流并减小电源线阻抗效应，可以实施两种对前面所描述的起动模式的修改。第一种修改是使用更高的PWM频率(例如20kHZ)和较低的启动占空因数(例如大约20％)，作为结果，随着速度的变化较慢的改变占空因数。第二种修改涉及根据交流输入电压波形调整PWM开关信号60的占空因数，图7中示出了第二种修改方法，其中交流输入波形由参考数字72标明。一旦控制器18获得了可靠的电机速度信息(典型的是大约450rpm)，控制器能够基于检测的电机速度更改(即减小)施加给开关44、46和48、50的PWM占空因数的百分比值。如图7所示，然后根据交流电压波形72调节这个占空因数，使得当交流输入波形到达峰值点时占空因数值减小。从而在给定的电机速度下，占空因数值在交流输入电压波形72的过零点将是最大值(即它没有任何外加的比例缩小)。无论在交流输入电压波形的正峰值或负峰值，占空因数可以是最小值(即使没必要为0％)。在交流输入电压波形72的峰值，将占空因数减小到最小的多种因素被交流电源暂态电压的缓解所控制。
附加的操作特性在电机14通过系统10的起动过程中，所采用的一个附加的特性是检测转子52的实时运动。每次电机14的通/断开关被接合(即接通)，如果转子位置传感器16没有在第一个100毫秒内检测到转子52位置的变化(即位置传感器输出波形54不变状态)，那么控制器将不再继续将电机14换向。在这种情况下，要求使用者释放通/断开关，然后再接合它。这也有助于防止损害电机14。
另一种保护电机14的特征涉及控制器18，当负载出现时(例如在锯东西时，在切削开始时)监视电机速度。如果速度低于10,000rpm，控制器18关闭电机14，然后要求使用者在电机14能够再起动之前释放通/断开关。
本领域技术人员现在可以从前述说明中通过多种方式实施本发明。尽管本发明是结合了具体示例进行说明的，但是因为本领域技术人员可以通过研究附图、说明书和附加权利要求很容易地进行其他修改，因此本发明的实际范围并不局限于上述具体示例。
权利要求
1.一种用于具有一个磁场绕组和一个电枢绕组的励磁开关电机的励磁电路，包括整流电路，用于将交流输入信号转换成整流交流信号；H桥开关电路，用于响应所述的整流交流输出，并且耦合到所述的电枢绕组的两端；电枢能量恢复电容器，耦合到所述开关电路的输出上；所述H桥开关电路包括多个旁路元件，用于允许电枢电流在所述电机的操作起动阶段，通过所述H桥电路中所选择的开关元件和所述电枢绕组回流；和控制器，用于控制所述H桥电路的每个所述开关元件的接通和断开的切换。
2.如权利要求1所述的励磁电路，进一步包括跨接耦合到所述磁场绕组的半导体，用于能量回流；和在所述电机的操作起动阶段被所述控制器所控制的开关元件，用于切换所述跨接耦合到所述磁场绕组上的半导体。
3.如权利要求2所述的励磁电路，其中所述开关元件包括用于回流磁场能量的继电器。
4.如权利要求1所述的励磁电路，其中所述旁路元件包括飞轮二极管。
5.如权利要求1所述的励磁电路，其中在所述操作起动阶段，所述控制器提供脉冲宽度调制(PWM)开关信号至所选择的所述开关元件。
6.如权利要求1所述的励磁电路，其中当关闭所述电机时，所述控制器控制所述H桥开关电路实现制动作用。
7.如权利要求1所述的励磁电路，进一步包括一电容介于10μfd～15μfd之间的薄膜电容器，薄膜电容器跨接耦合到所述整流电路的输出上。
8.一种用于具有一个磁场绕组和一个电枢绕组的励磁开关电机的励磁电路，所述励磁电路包括整流电路，用于接收交流输入信号，并且在一对直流总线上生成整流交流信号；H桥开关电路，耦合到所述直流总线，所述电枢绕组被耦合到所述H桥开关电路的多个开关元件中的所选择开关元件之间；电枢恢复电容器，跨接耦合到所述直流总线，并且跨接在所述开关电路上；所述H桥开关电路，包括多个旁路元件，用于允许电枢电流在所述电机的操作起动阶段通过所述电枢绕组回流；和控制器，用于产生开关信号来控制所述H桥开关电路，所述控制器产生脉冲宽度调制(PWM)开关信号用于控制所选择的开关元件。
9.如权利要求8所述的励磁电路，进一步包括跨接耦合在所述直流总线上的薄膜电容器。
10.如权利要求8所述的励磁电路，进一步包括在所述电机的操作起动阶段跨接耦合到所述磁场绕组上的电流旁路元件。
11.如权利要求10所述的励磁电路，其中所述的旁路元件包含二极管，在所述操作起动阶段在所述磁场绕组上选择性地切换跨接所述二极管以提供电流通路。
12.如权利要求11所述的励磁电路，进一步包括响应所述控制器以选择性地切换跨接在所述绕组上所述的二极管的继电器。
13.如权利要求8所述的励磁电路，当关闭所述电机时，其中所述控制器控制所述H桥电路以执行再生制动动作。
14.一种用于具有一个磁场绕组和一个电枢绕组的励磁开关电机的励磁方法，所述方法包括从交流电源提供交流输入信号；使用整流器接收所述交流输入信号，并在一对直流总线上产生整流交流信号；使用H桥开关电路可操作地将所述电枢绕组跨接耦合至所述电枢绕组，来有选择地指引所述整流交流信号的电流流过所述电枢绕组；使用和所述H桥电路有关的多个旁路元件来允许所述电流在所述电机的操作起动阶段，回流流过所述电枢绕组；使用控制器控制所述H桥来操作所述电机；和使用电枢能量恢复电容器，在操作所述电机时，跨接耦合到所述H桥开关电路来存储电枢能量。
15.一种用于具有一个磁场绕组和一个电枢绕组的励磁开关电机的励磁方法，所述方法包括交流电源提供交流输入信号；整流所述交流输入信号以产生整流交流信号；施加所述整流交流信号至和所述电枢绕组有关的开关电路，以交替地切换流过所述电枢绕组的电枢电流的方向；和所述开关电路一起使用多个旁路元件，来允许所述电枢电流在切换流过所述电枢绕组的所述电枢电流的方向时，回流流过所述电枢绕组；使用控制器来控制所述开关电路的操作；和在操作所述开关电路过程中，使用能量恢复电容器来存储电枢能量。
16.一种用于控制励磁开关电机的方法，包括定义一个第一起动速度范围；定义一个与所述第一起动速度范围连续的第二起动速度范围；定义第一时间包络线，在该第一时间包络线中，具有预定占空因数的脉冲宽度调制(PWM)开关信号将被施加到所述励磁开关电机；根据所述第一时间包络线，将所述PWM开关信号施加至所述励磁开关电机以将所述励磁开关电机在所述第一起动速度范围内换向；修改所述第一时间包络线来生成第二时间包络线；在所述第二起动速度范围的开始阶段，根据所述第二时间包络线施加所述PWM开关信号来继续将所述励磁开关电机换向。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述的定义第一时间包络线和第二时间包络线与指示所述励磁开关电机的电机速度的脉冲速度信号有关。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述第二时间包络线的时间周期小于所述第一时间包络线的时间周期。
19.如权利要求17所述的方法，其中在所述第二起动速度范围内修改所述PWM开关信号的所述预定的占空因数。
20.一种用于将励磁开关电机换向的方法，所述方法包括定义所述励磁开关电机的第一速度范围；定义所述励磁开关电机的第二速度范围；在所述第一速度范围，施加多个开启电换向脉冲至所述励磁开关电机，所述每个开启电换向脉冲包括具有预定占空因数的脉冲宽度调制(PWM)换向信号；根据第一预先确定的时间包络线，进一步施加所述PWM换向信号以控制每一个所述的开启电换向脉冲的整个时间周期；并且改进第一预先确定的时间包络线以产生第二预先确定的时间包络线，从而改变所述开启电换向脉冲的所述整个时间周期。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述第一预先确定的时间包络线和第二预先确定的时间包络线的生成与指示所述励磁开关电机速度的电机速度信号有关。
22.如权利要求20所述的方法，其中所述第二预先确定的时间包络线的持续时间小于所述第一预先确定的时间包络线的持续时间。
23.如权利要求20所述的方法，其中所述PWM换向信号的所述预定的占空因数在所述第二速度范围内被修改。
24.一种用于换向励磁开关电机的方法，包括检测所述励磁开关电机的电机速度；生成包括多个开启换向脉冲的换向信号，施加开启换向脉冲到所述的励磁开关电机以给电机换向，每一个所述的开启换向脉冲由脉冲宽度调制(PWM)信号组成；和当所述电机速度从不转动状态增加到所述电机运行在额定电机速度的状态时，根据所述的检测电机速度，每个所述的开启脉冲在时间包络线中被施加到所述的励磁开关电机，改进该时间包络线以进一步控制施加到所述电机的功率。
25.如权利要求24所述的方法，其中所述时间包络线随着所述励磁开关电机的电机速度增加而减小。
26.如权利要求24所述的方法，其中所述PWM信号的占空因数随着所述励磁开关电机的电机速度增加而被修改。
27.如权利要求24所述的方法，其中当所述励磁开关电机达到预定的电机速度时，根据所述时间包络线，所述PWM信号被停止并且单开启脉冲被施加。
28.一种用于将电机从不转动的状态转换到预定工作速度的电机换向方法，包括检测所述电机的电机速度；施加已脉冲调制的、开启电换向信号至所述电机以使电机换向，其中所述脉冲调制的开启电换向信号由多个开启脉冲组成，每个所述开启脉冲包括具有预定占空因数的脉冲宽度调制(PWM)信号；当所述电机速度增加时，通过更该每个所述的开启脉冲的时间包络线进一步控制所述的开启脉冲，使传输到所述电机的功率数量随所述电机速度的增加而变化。
29.如权利要求28所述的方法，进一步包括根据所述检测的电机速度修改所述预定的占空因数，使得所述预定的占空因数的百分数随着所述电机速度的增加而增加。
30.如权利要求28所述的方法，在预定的检测电机速度停止时进一步使用多个单脉冲并停止生成所述PWM信号，每个所述单脉冲根据所述时间包络线具有相应的周期。
全文摘要
一种用于励磁开关电机(14)的励磁电路(10)。该电路包括跨接耦合到整流桥的DC侧的低值薄膜电容器。根据由微控制器(18)控制的PWM控制方案和单脉冲控制方案，多个电子开关被布置在H桥结构中以用于切换流过电机电枢绕组的电流。启动二极管跨接放置在电机磁场绕组上，并且在电机的启动阶段完成之后，电子切换启动二极管使其与电路脱离。电路通过磁场绕组在启动过程中实施电枢能量回流，来促进电机更加匀速和快捷地启动。使用薄膜电容器提高了电路的功率因数，有助于消除将谐波引入到交流电压源，并且有助于减轻电磁干扰(EMI)。当切断电机电源时，通过反向换向使电机迅速停止。
文档编号H02P6/20GK1552119SQ02817306
公开日2004年12月1日 申请日期2002年8月6日 优先权日2001年8月6日
发明者包纳普拉萨德·V·戈蒂, 理查德·托马斯·沃尔特, 威廉·F·希尔夏, 托马斯 沃尔特, F 希尔夏, 包纳普拉萨德 V 戈蒂 申请人:布莱克和戴克公司