为达到上述和其它目的,提供一种根据本发明优选
实施例的用于磁通转 换电动机的励磁电路。该励磁电路包括开关电路,该开关电路包括多个与该 磁通转换电动机的电枢绕组配置成H-桥排列的电子开关器件。至少被
选定 的电子开关具有诸如
二极管之类的旁路元件,以在电动机整流过程中使电枢 电流能够回流。这免除对于惯用缓冲电路的需要,并且提高该电动机的
扭矩 /速度性能。
该励磁电路进一步包括跨接该电路的整流部分输出端的薄膜电容器,而 非惯用的体电容器。该薄膜电容器显著提高该电路的功率因数,同时也减小 该励磁电路通电时引入AC电源的谐波。
该励磁电路还包括用于控制电子开关器件的开关的控制器。在一个优选 形式中,该控制器包括与单脉冲控制相结合实现
脉宽调制(PWM)控制方 模式的
微处理器,用于控制施加到电子开关的开关
信号的
占空因数。具有 PWM控制模式的控制器的使用进一步使改变扭矩/
速度曲线图能够得以实 现,从而可以将单独的磁通转换电动机的工作特性应用到不同的应用领域, 而完全无需
修改电动机本身。仅对用于控制器的
软件进行修改就能够改变电 动机的扭矩/速度曲线图,以获得用于特定工具的电动机的最佳性能,上述 特定工具与电动机一起使用。
在替代的优选实施例中,本发明结合了独立的on/off开关监视电路,用 于在把AC电源初次施加到电动工具上时,监视该系统使用的电动工具的 on/off开关是否处于“on”的位置。如果在初次施加AC电源时,on/off开 关(例如on/off触发器)保持在“on”位置,那么实际上这种条件被立即检 测到,并且用
锁存电路使用于电子地整流电动机的电开关部件无效。在这种 情况下,需要使用者释放on/off开关,然后在能够给电动机通电之前重新啮 合该开关。如果在施加电力时没有
啮合该开关,那么可以整流电动机,而没 有来自监视电路的任何干涉。
本发明进一步的应用领域可以从下面提供的详细说明中了解。应当理 解,尽管详细的说明和特定示例表示出了本发明的优选实施例,但仅仅是为 了举例说明的目的,而不是要限制本发明的范围。
附图说明
从详细说明和附图可以对本发明有更充分的理解,其中:
图1是根据本发明优选实施例的励磁电路的简化
框图;
图2是更详细地示出了H-桥开关电路的图1中励磁电路的简化示意图;
图2a是用于从励磁绕组的两端取消二极管的替代电路的示意图;
图3是位置
传感器输出信号和电动机产生的反向EMF的曲线图,并且 也示出了使用的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开关信号的曲线 图,用简化方式示出了在各种运行启动模式期间,作为电动机速度的函数的 占空因数的变化;
图4E是与电动机速度有关的单脉冲开关信号的曲线图;
图5是本发明的系统使用的、与电动机速度有关的示例PWM占空因数 的曲线图;
图6是与电动机速度有关的PWM占空因数的总包络曲线图;
图7是与启动过程中AC线路电压有关的PWM占空因数调制的曲线图; 和
图8是无电压释放电路的简化图示,该电路用于在工具的AC电源线初 次连接到AC电源时,工具的on/off开关(例如,on/off触发器)保持闭合 的情况下,保证电力不被施加到电动工具的电动机上。
以下优选实施例的说明仅仅是示例性质的,而不是要限制本发明、其应 用和用途。
参见图1,图中示出了根据本发明的优选实施例的励磁系统10。系统 10通常包括与磁通转换电动机14相连的电源开关电路12。电动机14包括 惯用的磁通转换电动机,该磁通转换电动机具有带有多个磁极的定子、全节 距励磁绕组和全节距电枢绕组,在一个优选形式中,定子具有四个磁极。励 磁和电枢绕组的
匝数可以改变,但是,在一个优选形式中,电动机14包括 具有每线圈40匝的励磁绕组以及每线圈20匝的电枢绕组。在一个优选形式 中,定子具有作为将电枢绕组布置在两个平行部分中的结果的一对中间磁 极。
电动机14也具有转子,该转子的旋转位置由位置传感器16监视。传感 器16的输出信号用到诸如微处理器之类的控制器18中。可以使用多个机械 开关将信息输入到控制器18中,以向控制器发出各种事件的信号,例如用 于开启电动机14的on/off触发开关20a的接通。控制器产生施加到驱动电 路22的开关信号。驱动电路22的输出用于控制电源/开关电路12的开关部 件,从而电子地整流电动机14。
预期系统10将被用于各种不同的电动工具,一种特定的应用是与组合 台锯/斜切锯有关。在这种应用中,通常包括多个外部开关,以向控制器18 发出电动机14被用(即,
定位)在台锯模式中、还是斜切锯模式中的信号。 从这种信息中,控制器18可以改变其对驱动部分22的输出信号,从而使驱 动部分能够用修改以提供特定要求的扭矩/速度性能曲线的方式控制电动机 14的整流。
优选包括冗余开关检测电路部分24,用于监视外部开关20的启动。电 路24向驱动部分22提供信号,指示一个或多个外部开关的启动、或者一个 或多个外部开关的释放。在驱动部分22能够产生适当信号以开启电动机14 之前,驱动部分22接收来自控制器18以及来自冗余开关检测电路24的适 当信号。因此,冗余开关检测电路24充当了安全装置,以保证控制器18本 身的任何误操作都不能产生发送到驱动部分22的信号,该信号会依次给电 动机14上电。优选使用可选
数据采集电路26,用于在EEPROM中存储工 具使用数据。
参见2,图中详细地示出了系统10的电源/开关部分12。应当理解,图 2的示意图没有包括冗余开关检测电路24、外部开关20、驱动部分22或数 据采集电路26。电动机14被表示为励磁绕组28和电枢绕组30的高度简化 的形式。AC电源32将AC输入功率提供到全波桥式整流电路34中。薄膜 电容器36耦合在DC干线33a和33b之间,以便耦合在
整流器34的输出端 (即,DC侧)之间。在一个优选形式中,薄膜电容器36包括
金属化聚丙烯 薄膜电容器,该电容器具有优选在10μfd-15μfd之间、更好是12.5μfd的电 容值。该数值是由EMI测试和谐波测试规定的。
启动二极管38经由继电器40的
输出侧上的一对开关触点40a耦合在励 磁绕组28的两端。应当知道,启动二极管38和继电器40可以被替代为闸 流晶体管、或者通过带有三端双向可控
硅开关输出端或闸流晶体管输出端的 光学开关或脉冲
变压器选通的其它适当形式的
半导体器件。电枢
能量回收电 容器42也耦合在DC干线33a和33b之间。电枢能量回收电容器42优选大 约为10μfd-15μfd之间,更好为约12.5μfd。
二极管38可以与继电器触点40a组合使用,以根据电动机工作在启动 模式还是运转模式来保持二极管或从电路中除去二极管。可选实施例是用闸 流晶体管35代替二极管,用脉冲变压器35a(图2a)代替继电器。两种实 施例都以基本上相同的方式发挥作用。
进一步参见图2,电源/开关部分12包括以H-桥形式与电枢绕组30连 接的多个电子开关器件44、46、48和50。每个电子开关44-50可以包括任 何适当形式的电子开关器件,但是在一个优选形式中,每个开关44-50均包 括
绝缘栅双极晶体管(IGBT)。还应当注意,每个开关44-50均包括各自的 二极管44a-50a,这些二极管通常被理解为“自由轮转”二极管。在电动机 14启动期间,这些自由轮转二极管44a-50a促进电枢能量回流。这个特征将 立即更详细地说明。
首先,应当理解,开关44-50作为两对加以控制:包括开关44和46的 第一对,以及包括开关48和50的第二对。每个开关44-50的栅极经由驱动 部分22耦合到控制器18。控制器18根据检测的电动机速度,使用脉宽调 制(PWM)控制模式,或通过单脉冲控制,接通开关44和48中的每一个。 仅通过单脉冲控制方模式控制开关46和50。
控制器18从位置传感器16接收指示电动机14的转子52的转动位置的 信号。在一种优选的形式中,位置传感器16包括
光学传感器。一种特别适 合于系统10使用的光学传感器是可以从德克萨斯州卡罗顿市的Optek Technology公司(Optek Technology Inc.of Carrollton,TX)买到的开槽光学 开关。位置传感器16可以由能够指示转子位置的多个不同器件构成,例如, 磁开关。
简单参见图3,示出了在传感器16检测图2所示转子52的每个磁极52a 的位置时产生的波形54。每个磁极52a的检测产生通常为方形波脉冲的正向 前沿56。4-极转子52每次360°的旋转产生四个脉冲。因此,对于4-极电 动机,每个脉冲的宽度近似为45机械度。那么应当理解,波形54的
频率将 根据检测的电动机速度增大和减小。
运行模式
当电动机14首次通电达到优选为大约15,000rpm的额定电动机速度时, 系统10实现顺序地执行的数种运转模式,而没有在启动过程中引起过大的 电流。这四种模式将在以下的小节1-4中讨论。
1.初始启动模式(大约0-450rpm)
现在参见图2和4,在电动机14的初始启动过程中,AC电源32向整 流器34的
输入侧提供AC电力,在一种优选形式中,为230伏AC信号。 整流器34在DC总线33a和33b之间产生整流AC信号。当电动机14首次 通电时,如果传感器输出波形是逻辑“1”(即,高)电平,那么控制器18 使开关44和46接通,以允许电流沿箭头58的方向流过电枢绕组30。转子 52优选压在或耦合到电动机14的
输出轴上,并且相对于传感器16对准, 从而能够知道电枢绕组30产生的反向EMF为正。因此,为了取得正的扭矩, 需要电流沿箭头58的方向流过电枢绕组30。
当电动机14初次通电时,响应来自控制器18的信号,通过闭合开关触 点40a启动继电器40,将启动二极管38置于励磁绕组28的两端。这为流过 励磁绕组28的励磁电流提供回流路径,以便在运行的启动阶段中,励磁电 流不会间断。但是,如将在小节4中进一步说明的,一旦电动机14运行在 至少约为15,000rpm的速度时,通过打开触点40a——这将继电器40释 放——将启动二极管38从电路12中除去。通过产生高效和更高的输出功率, 保证电动机的最佳性能。
在初始启动模式期间,当检测到波形54处于逻辑1电平时,PWM开关 信号60(图4a)仅施加到开关44上。控制器18将开关46继续保持在“on” 状态。同样地,当控制器18接通开关对48和50时(当波形54如图4b所 示那样处于逻辑电平0时),只有开关48接收到PWM开关信号60;控制 器18将开关50继续保持在“on”,直到控制器将开关对48和50断开。这 种方案是通过这里描述的全部启动模式实现的。
通过这里描述的全部启动模式,将施加到开关44和48的PWM开关信 号60的频率保持在优选的50KHz左右(周期200μsec);这仅是经过修改 的PWM开关信号60的占空因数(如图5中所示)。但是,也应当理解, 这个5KHz PWM开关信号60在频率上也可以增大或减小,以适应特定的应 用。
在初始启动模式期间(即,大约0-450rpm之间),电动机的速度太低, 以致无法通过控制器18可靠地确定。同样,在这个电动机速度范围中,PWM 开关信号60具有恒定的(即,固定的)占空因数,优选是大约10%-25%的 范围,更好是大约20%。在图5中通过曲线70的70a部分示出了这种情况, 被示为具有20%的固定占空因数。图4A代表处于近似200rpm的电动机速 度的
控制信号。因此,波形54具有75msec的周期。在波形54的逻辑电平 1部分期间(大约37.5msec),近似188PWM周周期被发送到开关44的栅 极。如图5中所示,在这种低电动机速度下,那些PWM周波的占空因数仅 仅约为20%,但是在图4A的给定比例下,PWM脉冲的占空因数是不可辨 别的。
进一步参见图4a,也要相对于位置传感器16产生的方形波位置传感器 输出波形54对PWM开关信号60加以控制。控制PWM开关信号60,以便 它能够被施加在由位置传感器16产生的每个逻辑“1”电平脉冲的包络内。 用术语“包络”表示对于位置传感器输出波形54而言,施加PWM开关信 号60的“on”时间的部分(即,周期)。因此,在图4a中,可以看到PWM 开关信号60具有匹配位置传感器输出波形54的每个“on”脉冲周期的包络。 应当注意,图4a仅示出了顶部开关44的PWM信号。当波形54在逻辑电 平0时,施加到顶部开关48的PWM信号出现,并且显示在图4b中。
启动模式的附加的重要特征是每当电动机从非运动(即,静止)状态接 通电源时,提供到电动机14的反向“突跳(kick)”(即,脉冲)。如上 所述,控制器18从位置传感器输出波形54初步确定需要控制哪一对开关 44,46或48,50,以启动电动机14的转动。在上述的例子中,控制器18初步 确定需要使开关44和46产生脉动。因此,刚好在使开关44进行on和off 脉动并且接通开关46以使电动机14开始转动之前,考虑到检测的转子位置, 通过接通与那些通常应当接通的开关相反的开关对44,46或48,50,控制 器18将至少一个脉冲施加到电动机14。因此,在这个例子中,由于在启动 时波形54处于逻辑高电平,所以控制器18优选替代地将开关48和50接通 8-10毫秒。这向电动机14提供了十分短暂的反向脉冲,以保证在电动机14 处于启动困难的转动点的情况下,能够启动电动机14。每当通过on/off触 发开关20a使电动机14首次通电时,都会施加这个瞬间反向脉冲。
在把PWM开关信号60施加到开关44时保持开关46连续接通,当开 关44在施加PWM开关信号60的过程中瞬间断开时,进一步允许电枢电流 通过开关46、通过开关50的自由轮转二极管50a以及通过电枢绕组30回流。 同样,在控制器18接通开关对48和50时,当开关48在施加PWM开关信 号60的过程中瞬间断开时,通过开关50、通过开关46的自由轮转二极管 46a以及通过电枢绕组30,提供电枢电流回流。
此外,在位置传感器输出波形54的每次变化之后,当随后将信号60施 加到开关44或48中的一个时,使电枢电流回流PWM开关信号60的数个 周波。因此,当检测到波形54的下一个负向前沿时,开关44断开,其关联 开关46仍保持接通,而开关50随后被接通。开关46和50都保持接通特定 的时间,优选为100μs,在这个时间中开关46断开而开关48随后接通。当 检测到波形54的下一个正向前沿时,开关48断开,开关50保持接通并且 开关46随后被接通规定的时间,优选是100μs,在这个时间中开关50再次 断开并且开关44接通。只要需要电枢电流回流,这种模式就继续下去。电 枢电流的回流使得电动机14能够在没有体dc电容器的情况下更均匀和更快 地启动。由于电枢电路的回流,H-桥开关布置不需要缓冲电路。电枢能量的 回流也有助于显著地提高电动机14的效率。
在初始启动模式继续进行时,当控制器检测到波形54转变到逻辑零电 平时,如波形54的后沿部分62所表示的,控制器将开关44和46断开,并 且接通开关48和50。在把信号60施加到开关44和48之前,再次允许电 枢电流回流PWM开关信号60的数个周波。然后,在位置传感器输出波形 54处于逻辑低电平的同时,开关48启动多次。当启动开关48时,造成电 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。也 应当理解,在开关48断开的瞬间,开关46的自由轮转二极管46a允许通过 其的电枢电流回流。
当控制器18检测到波形54变化到逻辑零电平部分时,控制器18作出 断开开关44和46以及接通开关48和50的决定。当波形54处于逻辑零电 平时,这表明现在电动机14的反向EMF是负的,并且将需要沿箭头64方 向的电流流动,以便再次从电动机14获得正扭矩。在图3中用
叠加在位置 传感器输出波形54之上的波形66表示反向EMF。一旦控制器18检测到波 形54的另一个前沿56,控制器断开开关48和50,并且再次接通开关44和 46,然后根据预定的启动PWM占空因数(即,优选大约为20%),通过 PWM开关信号60,将开关44启动多次。连续地重复这一过程,直到电动 机14达到能够被控制器18可靠地确定的预定速度(即,大约450rpm以上)。
启动阶段期间电枢能量的回流也有助于控制电枢能量
存储电容器42两 端的电压。在使用230伏AC
输入信号的时候,通过电枢能量的回流,可以 将电容器42两端的电压保持在600伏以下。薄膜电容器36和42与励磁绕 组28的一同使用也形成了π形(pi)
滤波器,该π形滤波器有助于减小可 能引入到AC电源32的EMI和瞬变状态。
2.第一中间启动模式
第一中间启动模式紧随初始启动模式之后,并且从大约450rpm延续到 优选的约6000rpm-7500rpm之间,更好是大约6700rpm。在启动序列的这个 阶段,如图5中曲线70的部分70b所表示的,相对于电动机速度,PWM开 关信号60的占空因数通常由控制器18从大约20%线性地提高到大约40%。 在这个中间阶段中,电动机14仍然在提高速度,但是在速度上超过了大约 450rpm,通过开关44和48的切换来使用电枢能量的回流。图4C示出了在 大约4000rpm的电动机速度的控制信号。在4000rpm,波形54的周期近似 为3.75msec。因此,波形54的逻辑电平1部分的周期大约是2msec。在波 形54的逻辑电平1部分期间,接近于9个PWM周波被施加到开关44的栅 极。那些PWM周波的占空因数近似为40%(图5)。
3.第二中间启动模式
第二中间启动模式紧随第一中间启动模式之后,从优选大约6700rpm 的电动机速度到优选大约14,500rpm。当电动机速度达到大约6,700rpm时, 控制器18改变PWM开关信号的包络(如由波形54所表示的)。更具体地 讲,当达到6700rpm速度
阈值时,PWM开关信号的包络以
梯级形式减小到 位置传感器输出波形54的每个“on”脉冲周期的一部分。如图6中所示, 新包络的宽度与波形54的“on”脉冲的宽度之比的数字值是速度的函数。 图4d中示出了包络的这种减小,从图4d中可以看到,PWM开关波形60 包含在比由位置传感器输出波形54的一个脉冲的“on”周期定义的包络小 的包络内。图4D示出了在大约10,000rpm的电动机速度的控制信号。在 10,000rpm,波形54的周期近似为1.5ms。因此波形54的逻辑电平1部分 的周期近似为0.8ms,但是占空因数控制(图6)进一步将其限制到0.6ms。 因此,在波形54的逻辑电平1部分期间,近似3个PWM周波施加到开关 44的栅极。那些PWM周波的占空因数近似为55%(图5)。
在启动序列的这个阶段中,PWM开关信号60的占空因数基本上继续随 电动机速度线性地提高,从约为6700rpm的40%到约为11,000rpm的最大 60%。在大约11,000rpm和14,500rpm之间,PWM开关信号60的占空因 数保持恒定,如图5中曲线70的部分70c所示。但是,如图4D和图6中所 示,PWM开关信号60的包络继续从位置传感器输出波形54的每个“on” 脉冲周期的大约60%提高到大约80%。因此,在电动机速度达到大约14,500 rpm时,PWM开关信号60占空因数是大约60%的最大值,并且信号60的 包络是位置传感器输出波形54的每个“on”脉冲脉宽的大约80%。使用电 枢能量的回流,直到约为10,000rpm的速度,然后停止。
4.最终启动模式(运行的锁相模式)
最终启动模式包括从大约14,500rpm到额定电动机速度的电动机速度 范围。额定电动机速度可以根据使用电动机14的特定工具而改变,但是, 优选为大约15,000rpm和17,000rpm之间。在这个速度范围的开始,启动 运行的锁相模式,并且继续提高到额定电动机速度。在锁相运行过程中,使 用对于开关44-50的单脉冲控制。“单脉冲”控制的意味着在位置传感器输 出波形54的每个“on”脉冲的周期期间,不使用PWM开关信号,而是提 供单独的连续的“on”脉冲。图4E和图5中示出了这一情况。图4E示出 了包括脉冲59a的单脉冲开关信号59,每个脉冲59a都具有对应于位置传感 器输出波形54的每个“on”脉冲大约80%的包络的“on”持续时间。如图 4E中所示,在大约14,500rpm和额定电动机速度之间,脉冲59a的持续时 间保持在这个80%包络值。在大约15,000rpm处,启动二极管38被切换出 该系统。
启动模式的总结
通过上述四个启动模式,可以理解,PWM开关信号60或单脉冲信号 59被施加到开关44或48中的一个或另一个。当开关46和50都接通时, 它们在“on”持续时间中总是接收对应于位置传感器输出波形54的每个脉 冲的“on”持续时间的单脉冲。仅有的例外是,
电能最初施加到电动机14 时。
应当理解,使用电动机14的特定工具会影响到为使用而选择的最佳电 动机特性曲线。例如,如果将电动机14用于台锯,那么一般选择大约在 15,000-17,000rpm之间的额定电动机速度,更好是大约17,000rpm。如果将 电动机14用于斜切锯,那么优选的额定电动机速度一般大约在 20,000-25,000rpm之间,更好是大约22,500rpm。精确的占空因数/电动机速 度关系也随使用电动机14的特定工具改变。尽管这里所述的系统10使用了 大约为14,500rpm的锁相阈值,但是应当理解,可以将不同的电动机速度设 定为锁相速度阈值。但是,在进入运行的锁相模式之前,最好是等到电动机 速度达到至少7000rpm的速度,以避免会在AC输入电源上导致瞬态尖峰 脉冲的电源感应电压效应。电动机14可以在电动机启动运行的任何给定点 被加载,包括刚好在系统10进入运行的锁相模式之前。
通过控制PWM开关信号60的占空因数,其间施加信号的包络,并且 进入锁相操作的准确速度,可以实现各种不同的电动机扭矩曲线。这些不同 的电动机扭矩曲线可以用于使电动机的运行适合于诸如台锯、斜切锯之类的 特定工具,以及各种其它电动机驱动的工具。
利用反向整流的
制动作用
系统10的一个附加特征是,当使用者关掉电动机14时,使用电动机 14的反向整流来使电动机迅速停止。如将要知道的那样,迅速停止电动机 的能力是许多电动工具的重要考虑因素,尤其是对于诸如台锯和斜切锯之类 的设备。
在制动操作过程中,系统10使用施加到开关44-50的PWM开关信号 60的固定频率和固定占空因数。参见图3,在制动期间,当控制器18检测 到位置传感器输出波形54已经转变到逻辑高电平(由前沿56表示的),而 需要沿箭头58(图2)方向流动的电流来保持正电动机扭矩时,它接通开关 48和50。这产生沿箭头64(图2)的方向上流动的电流,导致了负的电动 机扭矩。在这个周期中,使用继电器40将二极管38切回到系统10,以有 助于将制动时间保持到最小(一般小于四分之三秒)。当产生波形54每个 脉冲的后沿62,需要沿箭头64的方向流动的电流通过电枢绕组30以保持 正的电动机扭矩时,控制器18断开开关48和50,并且接通开关44和46。 这产生在箭头58方向上流动的电流,并且在这个转子旋转周期中产生负的 电动机扭矩。
应当理解,在制动模式中可以使用具有相同效果的其它PWM方案。例 如,可以在固定的频率下使用可变占空因数PWM脉冲。PWM脉宽可以替 代地作为电动机速度的函数产生。此外,可以改变占空因数曲线(例如,圆 顶形的对直线形的),以获得电动机的迅速停止。在所有这些情况下,对于 制动期间实现的占空因数曲线的限制因数是电枢能量回收电容器42两端的 电压。使用具有高额定电压(优选是600伏)的薄膜电容器36取代传统的 铝电解电容器,使得本发明的制动方案取得了很大的进步。当用于驱动具有 12英寸(30.48mm)
锯片的锯时,可以使电动机14在不到约为4秒钟的时 间内从大于其锁相阈值速度的速度停下来。
为了最佳性能使转子位置传感器信号超前
进一步参见图3,为了获得电动机14输出的最大性能,必须物理地或 通过控制器18中的软件,使来自于位置传感器16的信号超前一个小的度数, 以便在电动机14开始产生反向EMF的时候,在电枢绕组30中形成电流。 在图3中,用波形66代表反向EMF。波形60a和60b分别代表用于控制开 关44,46和48,50的带有被施加的超前的PWM开关信号。间隔66a和66b 分别代表施加到PWM开关信号60a和60b的超前度数。使PWM开关波形 60a和60b超前小的度数66a,使得在反向EMF开始变正的时候,通过电枢 绕组30产生沿箭头58(图2)方向的电流。根据间隔66b使PWM开关信 号60b超前,使得在反向EMF开始变负的时候,在电枢绕组30中产生沿箭 头64方向(图2)的电流。
在通过相对于转子52物理地对准位置传感器16而获得超前
角度的情况 下,对于电枢绕组反向EMF,存在着当首次启动电动机14时转子52以错 误的方向运动的可能性。如果转子52在反向EMF与传感器信号方位不一致 的区域(即,代表转子52的超前的区域)中,从以前的旋转变为停止时, 可能发生这种情况。这个问题的一个解决方案是对准位置传感器16,从而 使其产生与反向EMF波形66的零交叉点一致的正向脉冲,并且符合控制器 18的软件中的整流超前角度。但是,这里的限制因素是控制器18用于执行 定期测量的时间。然而,当前优选通过软件来实现整流超前,以避免电动机 14在启动时的瞬间反向转动。
限制启动过程中的瞬时现象
在启动时要考虑的另一个因素是,当将系统10用于阻抗高的“软”电 源时,将瞬时峰值引入AC电源32的可能性。当电动机14从静止启动时, 反向EMF为零,并且启动电流(in-rush current)可能比较大。这可能导致 电压瞬间峰值,这种电压瞬间峰值在AC输入电压波形的峰值上更为显著。 由于在整流电路34的DC侧没有典型的体电容器,所以这种现象对于系统 10而言很可能更为突出。根据PWM脉宽和PWM频率,这些峰值可以高达 500伏。
为了限制启动过程中的启动电流以及减小电力线阻抗效应,可以对上述 启动模式执行两种改进。第一种改进是将低的启动占空因数(例如,大约 20%)与较高的PWM频率(例如,20KHz)一同使用,结果是占空因数随 速度的变化较小。第二种改进涉及根据AC输入电压波形调节PWM开关信 号60的占空因数。图7中示出了这种措施,其中用参考数字72代表AC输 入波形。一旦通过控制器18获得可靠的电动机速度信息(一般在450rpm 左右),控制器18可以根据检测的电动机速度,对施加到开关44,46和48,50 的PWM占空因数修改(即,降低)一定的百分比值。然后,如图7所示, 根据AC输入电压波形72,以在达到AC输入电压峰值点时占空因数降低的 方式,调制这个占空因数。因此,在给定的电动机速度处,在AC输入电压 波形72的零交叉点的占空因数值达到最大值(即,它不具有任何施加到其 上的百分比降低)。在AC输入电压波形的正或负峰值,占空因数处于其最 小值(尽管无需在百分之零)。通过AC电源上的瞬时电压减缓,规定在 AC输入电压波形72的峰值处,用于将占空因数值降低到最小的乘法因数。
附加运行特征
系统10在电动机14的启动过程中使用的一个附加特征是转子52的瞬 时位移的检测。每次啮合(即,接通)电动机14的on/off开关时,如果在 最初的100ms内转子位置传感器16没有检测到转子52位置的改变(即, 位置传感器输出波形54没有改变状态),那么控制器18将不会继续整流电 动机14。在这种情况下,需要使用者释放on/off开关,然后重新啮合它。 这也有助于防止损坏电动机14。
保护电动机14的另一个特征涉及控制器18在出现负载的同时(例如, 在锯切的切割开始时),监视电动机的速度。如果速度降低到10,000rpm以 下,那么控制器18关掉电动机14。然后,需要使用者在电动机14能够被 重新启动之前,释放on/off触发器20a。
无电压释放(no-volt release)特征
图8中示出了根据本发明的替代优选实施例的系统100。图8的系统包 括无电压释放电路。本质上,无电压释放电路的功能是监视on/off触发器 20a的位置,并且如果将AC电源施加到具有on/off触发器20a的系统10时, 防止电动机14启动。应当理解,系统100与系统10相同的部件用与系统 10有关的说明使用的参考数字加上100后的参考数字表示。也应当理解, 除了以下将要说明的无电压释放电路的运行之外,系统100及其部件的运行 与系统10规定的相同。
无电压释放电路包括全波桥式整流电路180和以及包括
电阻器182a和 182b的分压电路182。整流电路180的输出端耦合在分压电路182的两端。 分压电路182经过电路线184耦合到比较器188的输入端186。延迟电容器 190也耦合到输入端186。比较器188的第二输入端192耦合到参考阈值电 压(Vthreshold)。比较器的输出端194耦合到锁存电路198的第一输入端 196。在一种优选形式中,锁存电路包括多路复用器。锁存电路198的第二 输入端200经过电路线202耦合到电动工具的on/off触发开关20a。
进一步参见图8,锁存电路198具有“允许/禁止(Enable/Disable)” 输出端204。输出端204耦合到驱动电路122。如同开关44-50一样,尽管 也可以使用任何适当电开关器件,但在一种优选形式中,每个开关144-150 都包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)。驱动电路122包括多个驱动子系统, 每个驱动子系统都具有用于允许每个驱动子系统运行的“允许/禁止”插脚 (即,输入端)。例如,允许/禁止插脚上的逻辑
高电平信号可以接通给定 的驱动子系统,而逻辑低电平信号会禁止给定的驱动子系统。
在运行中,当把AC电源首次施加到使用系统100的电动工具时,如果 on/off开关20a处于“on”位置,那么在电路线202上产生逻辑低电平信号。 比较器188的输出最初也在逻辑低电平。在比较器188的输入端186的信号 达到最大值之前,延迟电容器190提供非常短的时间周期(优选是数毫秒), 在这个时间周期中锁存电路198、比较器188和其它电子元件能够充分上电。
当比较器188产生逻辑低电平信号时,锁存电路198在输入端196上发 现这个逻辑低电平信号。如果此刻电路线202提供指示on/off触发开关20a 闭合(即,在“on”位置)的逻辑低电平信号,那么锁存电路198在其输出 端204产生逻辑低电平信号。也就是说,将锁存电路198的输出端锁存在逻 辑低电平。将这个逻辑低电平信号施加到构成驱动电路122的每个驱动子系 统的允许/禁止插脚。这防止了开关144-150切换和开始整流电动机。即使当 比较器188的输入端186的信号升高到Vthreshold以上的电平,造成比较器 188的输出端改变状态时,这也不影响锁存电路198的输出端204。一旦将 锁存电路输出端204锁存在逻辑低电平以禁止驱动电路122,比较器188的 输出端194的进一步改变不会造成锁存电路198的输出端204中的改变。使 用者改变锁存电路198的输出端204的惟一方式是瞬间完全释放on/off触发 器20a(从而on/off触发器20a处于其“off”位置),这消除了触发器20a 产生的“on”信号,然后重新将on/off触发器20a啮合到其“on”位置。当 on/off开关被瞬间释放时,消除了电路线202上的逻辑低电平信号,因此从 锁存电路198的输入端200消除了逻辑低电平信号。在使用者用于释放并随 后重新啮合触发器20a的时间内,施加到比较器188的输入端186的信号升 高到超过Vthreshold的电平,从而造成产生于输出端194的逻辑高电平信号。 这又立即造成锁存电路198的输出端204进入逻辑高电平,从而允许驱动电 路122内的驱动子系统。
相反,当AC电源初次施加到电动工具时,如果on/off触发开关20a没 有被保持在闭合位置,那么逻辑高电平信号经过电路线202施加到锁存电路 198的输入端200。锁存电路198的输出端最初处于逻辑低电平,但是随着 输入端186的电压超过比较器188的输入端192上的Vthreshold电压,比较 器188的输出将转到逻辑高电平。这个信号被施加到锁存电路198的输入端 196上。在这点,锁存电路输出204将趋向逻辑高电平,并且被锁存在此。 来自输出端204的逻辑高电平信号启动驱动电路122。在这点释放on/off触 发器20a不会改变锁存电路198的输出。因此,此后可以用on/off触发器20a 的通常方式接通和关断电动工具。但是,在把on/off开关20a保持在“on” 位置的同时,如果无意中使AC电源从电动工具断开,并且随后AC电源被 重新施加到工具上,那么如上所述,系统100会防止电动工具的电动机14 的立即启动。
在AC电源施加到系统100(从而施加到电动工具)时,上述无电压释 放电路监视on/off触发开关20a可能啮合在“on”位置的条件,从而防止与 系统100结合的工具的突然上电。重要的是,无电压释放电路形成了独立于 控制器118的执行这种监视功能的基本上独立的电路。因此,控制器118的 误操作不会干扰这里所述的系统100执行的监视功能。
熟悉本领域的人员现在可以从上述说明中理解,可以通过各种形式实现 本发明的广义的教导。因此,尽管本发明是结合其特定实施例说明的,但是, 由于在研究了附图、
说明书和以下的
权利要求时,熟悉本领域的人员可以知 道其它改进,所以本发明的真实范围不应受此限制。