电动机特性参数探测器和用于提供转速探测信号和/或转矩探测信号的方法

专利名称：电动机特性参数探测器和用于提供转速探测信号和/或转矩探测信号的方法
技术领域：
本发明涉及一种按照权利要求1所述的电动机特性参数探测器，以及一种按照权 利要求11所述的用于提供转速探测信号或者转矩探测信号的方法。
背景技术：
在使用电动机时人们越来越多地希望检测电动机的转速或负载力矩。这是由于人 们希望提高电动机运行时的可靠性引起的，其办法是例如能明确地识别电动机的安全临界 状态(如例如电动机的卡住)，并且能对此作出反应。在过去这样一些安全临界状态通常是通过检测电动机的转速实现的。例如1972 年博世(Bosch)公司已将一个如此地(模拟地)检测转速申请专利。其中，为具有交流全 波馈电的通用串励电动机使用一种电桥控制的转速转矩调节器。其中，借助桥式电路计算 电枢电压和电动机电流，并且用于转速调节。还有一种实现办法也可视为现有技术。这种办法是为了控制电动机借助转速盘、 霍耳传感器，或者一种增量传感器，或者一种类似的仪器能检测调节回路的实际数值(也 就是转速检测)。为此将转速盘或者相应的脉冲传感器安装在电动机的电枢轴上。当电动 机轴转动时产生转速脉冲。借助传感器对这种脉冲进行计算。这种方法的优点是可精确地 检测实际值。但是现有技术的所有这些办法都要求有高的电路技术费用，因为它们规定使用专 门的传感器单元和分析单元。决定将这些分析单元仅用于计算转速。因此本发明的任务是提供一种用于识别电动机的安全临界状态的更好的途径。

发明内容
这个任务通过按照权利要求1的特征所述的电动机测量参数探测器，以及按照权 利要求11的步骤所述的用于提供转速探测信号和/或转矩探测信号的方法和通过权利要 求12所述的计算机程序得以完成。本发明的其它方案是从属权利要求的主题。本发明提供了一种用于提供电动机的转速探测信号和/或转矩探测信号的电动 机特性参数探测器。这个电动机特性参数探测器包括由至少一个磁场绕组和一个电枢绕组 构成的串联电路，其中，电动机连接在第一和第二供电接头之间，并且其中，电动机特性参 数探测器包括下述特征-一个电动机电流检测单元，它设计用于检测流过电动机的电动机电流，并且输出 相应的电动机电流信号，和/或-一个电枢电压检测单元，它设计用于在磁场绕组和电枢绕组之间的分接点上检 测电动机的电枢绕组上的电枢电压，并且输出相应的电枢电压信号，并且-一个分析单元，它设计用于通过所输出的电动机电流信号和/或所输出的电枢 电压信号进行积分，以得到电动机电流的有效数值和/或电枢电压的有效数值，其中，设计这个分析单元还为了从电动机电流的有效数值中提供和电动机的转矩成比例的转矩探测 信号和/或从电枢电压的有效数值中提供和电动机的转速成比例的转速探测信号。本发明是以下述认识为基础，即可从电动机特性参数电枢电压和/或电动机电流 简单地识别和分析安全临界状态。为此，通过电动机的电枢绕组检测和处理流过电动机的 电流或者电枢电压(或者电动机电流和电枢电压也可并行检测)。在处理或者分析时首先 求出用于所述的电动机特性参数的有效数值。这个有效数值未考虑这些参数的短时波动。 然后从相应的有效数值中求出和转速或者转矩成比例的探测信号。根据本发明的方案具有下述优点，即为了确定转速不要求附加的传感器。而是通 过分析简单可检测到的电动机特性参数，如电枢电压，和/或电动机电流就可得出有关实 际转速或者实际转矩的结论。在这种情况中可如此地设计分析单元，即通过这个分析单元 也完成其它的功能，这样，就可避免仅为了准备检测的电枢电压而使用一种专门的模拟电 路。这就减少了电路技术费用。在一个专门的实施形式中可将分析单元设计成用预先规定的扫描频率扫描所输 出的电枢电压信号，和/或所输出的电动机电流信号，并且用数字信号处理的装置进行积 分。这明显地简化了分析方案，因为在这期间可使用在电子设备中已有的专门的数字集成 块。这些集成块可一起用于分析电动机电流和/或电枢电压。这又提供了简化电路技术方 面的优点，并且随之也降低了制造成本。此外也可将分析单元设计成为了对于积分内插电枢电压信号和/或电动机电流 信号的被扫描的数值，并且在使用通过内插在内插的被扫描的电枢电压信号和/或电动机 电流信号数值和基准数值之间形成的梯形结构的情况下进行积分。本发明的这一实施形式 具有在分析单元中可简单，并且因此快速进行的所接收到的信号的数字处理的优点，这样， 通过这个附加的功能对分析单元的要求也不多。这降低了在运行时的处理时间，并且也减 小了电动机特性参数检测器的功率消耗。有利的是，当电动机包括一个由磁场绕组、电枢绕组和一个第二磁场绕组构成的 串联电路时，设计电枢电压检测单元，以检测在第一电源接头和设置在电枢绕组和第二磁 场绕组之间的电动机中的分接点之间的电枢电压。在这个实施形式中(和在电动机中在电 枢绕组的前面和后面直接分接电枢电压相比较)在电动机中设置电枢电压的一个唯一的 分接点。这简化了这样的电动机的结构和制造，并且使得成本更为有利。已认识到，可对通 过磁场绕组降落的电压降忽略不计，并且因此电压降不会引起转速确定的重大变坏。此外可在另一实施形式中设计分析单元，以检测位于第一电源接头和第二电源接 头之间的电源电压，并且在使用已检测的电源电压的情况下确定通过磁场绕组产生的压 降。下述做法是特别有利的，如果使用一个对称的电动机，并且在所述电动机中第一和第二 磁场的影响几乎是一样的。然后这样一种实施形式提供了这样一种可能性，即能确定已检 测的电源电压和(通过磁场绕组一起检测的)电枢电压之间的差别，且这个差别和电动机 的第二磁场绕组的影响相当。若使用对称的电动机则由此也可确定磁场绕组的效果，并且 在确定电枢电压或者电枢电压信号时对其进行相应的补偿。在另一实施形式中可将一个相位截切开关连接到第一电源接头和电动机之间。在 这种情况中可以设计电动机特性参数探测器的分析单元，以确定第一电源接头和电动机之 间的电压降，并且在提供转矩探测信号，和/或转速探测信号时使用这个确定的电压降。然
5后特别是当使用数字式分析单元时，通过识别第一电源接头和电动机之间的电压降可以识 别位于扫描节拍的相应的节拍边之间的相位截切开关的接通或者闭锁。然后在确定电枢电 压信号，和/或电动机电流信号时可进行相应的补偿，这样转速探测信号和/或转矩探测信 号可具有更高的精确性。在另一实施形式中也可以设计电枢电压检测单元，为的是在使用第一电源接头的 电位的情况下提供虚地的电位，并且检测相对于所提供的虚地电位的电枢电压和/或电动 机电流。这就提供了这样一种可能性，即不仅检测交流电压信号的正半波，而且通过涉及虚 地的DC-偏移的检测也能分析正的和负的半波，也就是全波。通过这一措施也可使转速探 测信号，和/或转矩探测信号具有明显更高的精确性。根据另一实施形式也可设计分析单元，为的是在使用输出的电枢电压信号和输出 的电动机电流信号的情况下提供转矩探测信号，或者在使用输出的电枢电压信号和输出的 电动机电流信号的情况下提供转速探测信号。通过使用这两种检测的测量参数也可达到提 高精确度，或者达到提高描述的可靠性，因为第一测量参数可能的误测量可通过第二测量 参数的测量结果加以补偿。在本发明的另一实施形式中可以设计电枢电压检测单元，为的是在求出电枢电压 信号时进行所检测到的电枢电压的分压和进行阻抗变换。这特别是将灵敏的数字转换电路 用作分析单元是有利的，因为在电动机运行时大多高的电流和电压会简单地加来数字器件 的电压和输入阻抗上。根据本发明的另一方面可以设置一个电动机调节器。这个电动机调节器包括下述 特征-按照前述实施形式之一所述的电动机特性参数探测器；-调节器，设计这个调节器用于以所提供的转速探测信号和/或所提供的转矩探 测信号为基础，并且根据规定的调节特性调节电动机。这种做法提供了下述优点，即通过所述调节器可将容易得到的测量参数用于调节 电动机，其中，有利地分析单元也可一样地一起承担调节器的功能。在将数字集成块(这些 数字集成块已经常在电动机中使用)用作分析单元时调节器的实现也是简单的，并且成本 是有利的。根据本发明的另一实施形式规定一种用于提供电动机的转速探测信号和/或转 矩探测信号的方法，它包括一个由至少一个磁场绕组和一个电枢绕组构成的串联电路，其 中，电动机连接在一个第一电源接头和一个第二电源接头之间，并且其中，该方法包括下述 步骤_检测流过电动机的电动机电流，并且输出相应的电动机电流信号，和/或-通过电动机的电枢绕组在磁场绕组和电枢绕组之间的分接点上检测电枢电压， 并且输出相应的电枢电压信号；并且-分析电动机电流信号和/或电枢电压信号，以便通过所输出的电动机电流信号 和/或所输出的电枢电压信号进行积分，为的是得到电动机电流的有效数值和/或电枢电 压的有效数值，并且为的是从电动机电流的有效数值中提供和电动机的转矩成比例的转矩 探测信号，和/或从电枢电压的有效数值中提供和电动机的转速成比例的转速探测信号。此外，当计算机程序在计算机上被执行时这个计算机程序配设有用于执行上述方法的程序代码。但是至少有利地在计算机中实施分析步骤。


下面借助附图对本发明示范性地进行详细说明。这些附图是图1 根据本发明的一个实施例的电路方框图；图2 具有电动机参数电动机电流(Ι_Λ)和电枢电压(uM)的直流串联电动机 /万能电动机的原理电路。图3 用于在电动机上检测测量参数的电路方框图，这些测量参数可以用于数字 u/I调节器；图4 一个用于准备检测的测量参数的电路的一个实施例的电路结构图，所述的 测量参数可用于数字电压_电流调节器(u/I调节器)；图5a至5f 在图4中所示的电路结构运行时的不同的信号曲线图。图6 数字u/I调节器的调节技术替代连接图。图7 本发明的一个实施例在方法形式方面的运行过程图。下面相同的，和/或功能相同的元件可以使用相同的附图标记。在下面所标明的 绝对数值和尺寸只是一些示范性的数值，而绝不是本发明仅局限于这类尺寸。
具体实施例方式在现代电器或者电动工具中使用电子装置，以实现调节、功率的提高、保护功能或 者附加功能。因此在现代电动工具中的电子装置通常都装配有微控制器。借助它以实现这 些功能。为了在电器中实现转速调节通常要求有一个封闭的调节回路。为了在电器，例如 在电动工具中实现一种封闭的调节回路需要对实际值进行检测。在传统的办法中这种检测 通常是作为速度计实现的。这种速度计安装在电动机的轴上。根据本发明的办法是使用一些等效参数。借助这些参数可生成一种和转速成比例 的数值，和/或和机械的负载成比例的数值。专门地将电动机测量参数电枢电压和电动机 电流用作等效参数。图1示出了本发明的一个实施例的方框电路图。在图1中示出的电动机特性参数 探测器10包括一个电动机电流检测单元12以及一个电动机14。它们串联在第一供电接 头N和第二供电接头L之间。其中，电动机14由至少一个磁场绕组下1 (在此种情况中是 由两个磁场绕组Fl和F2构成)构成。具有电枢绕组16的可转动的电枢连接在它们之间。 例如这些磁场绕组可看作电动机的这样一些绕组，即它们提供电枢绕组16可在其中转动 的电磁场。此外，电枢绕组16和电枢电压检测单元18连接。这个电枢电压检测单元例如 由电枢绕组16和第二磁场绕组F2之间的一个分接点构成。在电枢电压检测单元18或者 是可将仅在电枢绕组16本身上的电压降检测为电枢电压(用第一磁场绕组Fl和电枢绕组 16之间的另一分接点)。代替地另一方面也可检测第一供电接头N(通过辅助线路19)和 分接点18(如图1所示)之间的电压降。此外，设计电动机电流检测单元12是为了测量流过电动机14的电流，和将相应的 电动机电流信号20提供给一个分析单元22，其中，这个分析单元22也可从这个电枢电压检 测单元18接收一个和电枢电压相对应的电枢电压信号24。然后在这个分析单元22中借助积分求出电动机电流信号20的有效数值，和/或电枢电压信号24的有效数值，并且从电动 机电流信号20的有效数值中求出和电动机14的载荷相对应的转矩探测信号26，和/或从 电枢电压信号24的有效数值求出和电动机14的转速相对应的转速探测信号28，并且相应 地输出。在确定转矩检测信号26时利用如下情况，当电动机14的负荷高时流过比电动机 14的低负载时的要高的电流。类似地在确定转速探测信号28时利用在较高转速时电枢绕 组16感应出的电枢反电压比低转速时要高，这样就可将在电枢绕组16上下降的电压用作 转速的测量参数。然而在本发明的一个实施例中也可以仅分接电动机电流，或者是仅分接电枢电 压，仅在分析单元22中进行分析，并且相应地作为转矩检测信号26或者转速检测信号28 输出。因此根据本发明并不强制地要求既检测电动机电流也检测电枢电压。然而通过(组 合地)分析两个检测的测量参数使针对的检测信号26和28的质量变得明显地更好。在这 种情况中例如可进行可信度评估，和/或和规定的用于所确定的转矩(或者电动机电流) 和所确定的转速(或者电枢电压)之间的转速-转矩-关系(或者电动机_转速-关系) 的参考数值进行比较，这样就可以确定所描述的测量参数的测量是否不准确，或者是错的。通过新的数字式微控制器(μ C)或者数字信号处理器(DSP)在具有串联电动机 的电器的转速调节领域产生了完全不同的办法，用以能分析测量参数电枢电压和电动机电 流。当将数字电子集成块用于分析单元22时其特别可以利用。关于这一点下面将详细叙 述。为此根据一个实施例可周期性地对电动机测量参数电枢电压和电动机电流进行 扫描(抽样式地)，并且用微控制器(μ C)或者数字式信号处理器(DSP)进行分析。首先也可通过一个专门的模拟电路准备测量参数“电枢电压”和“电动机电流”，并 且提供给模拟_数字转换通道(A/D转换器)使用。和现有的模拟方法相比，通过和新的电动机的更快的适配、更好的调节特性、更小 的元件费用、简化的供电电压方案和由此产生的更低的成本产生诸多优点。此外还可实现 一些附加功能，这些附加功能例如需要一个yC、DSP、ASIC(ASIC = Application Specific Integrated Circuit =应用专门集成电路)、FPGA(FPGA = Field Programmable Gate Array)，或者类似的数字控制器-IC (IC = Integrated circuit =集成电路)。本发明的下述一种实施例，特别是在一种串联电动机中借助一种= Mikrokontroller =微控制器)、DSP (DSP = Digitaler Signal-Pro-zessor =数字信号处 理器)、一个应用专门集成电路(=ASIC)、一个可编程的电子集成块(PAL = Programmable Array Logic)、一个可自由编程的逻辑电路(FPGA)或者类似的部件公开一种检测和分析电 动机参数“电枢电压”和“电动机电流”的方案。在图2中再一次地示出用于下述说明的直流一串联电动机/万能电动机的原理电 路图。为了这公开的方法应检测和分析物理的电动机参数电枢电压和电动机电流。为了能在电动工具上实现简单的布线和简单的分析电路，建议检测在图3中示出 的测量参数。这些测量参数涉及的是测量参数Uim^ Uiffi和U %ig。为此可在图4的电路结构中准备这些测量参数，并且提供给分析集成块(ICl)，例 如微控制器μC使用。
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下面将数字电压_电流调节器简写为“数字U/I调节器”，其中可给该调节器检测 测量参数。然而在这其中并非强制地一定要在这个调节器中使用所检测的测量参数，而是 也可为了其它的目的检测这些测量参数。下面对图4的电路结构及其功能进行更加详细的说明。_通过在分流器(分流器)Rl上的电压降检测电动机电流，-在Rl上的电压降通过由IC2a、R7和R8构成的不反转的放大器进行放大，并且 作为模拟电压Ujiis提供给计算集成块ICl使用。其中，将R8放置到虚拟接地点VM上，作 为基准电压。这个虚拟的接地点用于能分析Rl上的正压降和负压降。在分流器Rl上的正 的和负的电压降出现在正的和负的电网半波中。-这个虚拟的接地点VM是用阻抗转换器IC2b、R5、R6、R13产生的。通过分压器 R5和R6可将虚拟接地点例如放置到分析集成块的半供电电压上。在这种情况中选择R5 = R6。这个虚拟接地点VM可以参考电压的形式作为模拟电压URef提供给计算集成块IC1。_在串联电动机上，直接在电枢上分接和电枢电压相对应的电压(或者在电枢绕 组和第二磁场绕组F2之间)。为此只需要一条从电子装置(例如μ C)通往串 联电动机的 附加导线。在图4的电路图中在电枢上的分接点是电枢上的RlO的连接点。在这种情况中 电源接头电源N形成基准电位。通过在分流器Rl、在三端双向可控硅开关元件Vl和在磁场 Fl上的电压降使电压失真。然而在实践中表明，这种误差通过合适的方法可在调节器中予 以纠正。_当然也可直接在电枢上分接电枢电压，并且例如通过一个差放大器进行分析。但 是这要求有两条线路通往电动机，并且分析电路中的元件费用较高。虽然这一原理也可以 用于根据本发明的分析，但是为了简单起见在下面的讨论中对这种办法不再详细说明。
-几乎和电枢电压相当的电压通过由RlO和R9构成的分压器分压下来，并且被弓丨 导到虚拟接地点VM。虚拟的接地点VM在这种情况中形成一个DC-偏移。如电流测量一样， 这种DC-偏移是必需的，为的是能检测正的和负的电网半波中的电枢电压。被分压下来的 信号作为模拟电压UA 被提供给分析集成块ICl使用。_为了将调节特性和电网电压(Uto)分开，应一起检测电网电压。为此，这个电网 电压可通过由R12和Rll构成的分压器进行分割，并且放置到虚拟接地点VM上，如图4所 示。在此这个虚拟接地点VM在此也形成一种DC-偏移，为的是能检测正的和负的电网半波 中的信号。将分压下来的信号作为模拟电压Uiijg提供给分析集成块ICl使用。-通过由R3和R2构成的分压器形成可选的信号USwit。h。这个信号Uswiteh可用于识 别和分析Sl的接通。当开关Sl闭合和三极双向可控硅开关(Triac)Vl不导通时将一个与 电网电压成比例的信号是Uswitdl提供给分析集成块ICl。也可任选地通过该信号Uswiteh识 别三极双向可控硅开关(Triac)的熄灭。当低于三极双向可控硅开关的保持电流时该开关 熄灭，并且该三极双向可控硅开关过渡到一种不导通状态。为此，必须接通开关Si，并且在 正半波中点燃三极双向可控硅开关。然后在负半波中可借助信号Uswitdl上的电压跃变识别 三极双向可控硅开关的熄灭。只有当有机器专门的随动时它才有可能。之所以出现电压跃 变，是因为当三极双向可控硅开关Vl导通时分压器近似处于电位N。当三极双向可控硅开 关过渡到不导通状态时通过Sl在由R3和R2构成的分压器上的电压发生跃变，并且电动机 几乎处于电位L。信号Uswitdl是任选的，但是它可很容易地用分析集成块ICl的模拟的或者数字的输入进行检测和分析。然而，原则上讲，根据本发明的方法也可以没有这种信号。-这样，所有对于调节重要的模拟信号都提供给分析集成块ICl使用。这些重要的
模拟信号特别是U分流器、URef、U电枢、U电源和任选uswitch。-通过电源部分为集成块ICl供电电压。所述电源部分由电容器Cl、十进制二极 管D1、串联电阻R17和整流二极管D2构成。在这种情况中所涉及的是一种很简单的电源部 分。这个电源部分原理的缺陷是剩余波纹度(Ripple)可能比较高。为了更精确地测量重 要的电动机参数Iteatt要求电源部分具有较低的剩余波纹度(Ripple)。然而在本 说明书中对电源部分和可能的电源部分的改型不进行更加详细的探讨。_应与电网同步地完成重要的模拟信号的检测以及点燃三极双向可控硅开关。为 此通过R16检测电网过零点，并且将其作为电压U寧提供给集成块ICl使用。-三极双向可控硅开关Vl通过串联电阻R4和集成块ICl的一个数字输出端点燃。此外关于图4的电路结构需要说明的是，用运算放大器简化地表示了许多电路部 件，因为通过使用运算放大器可大大地简化对电路的功能原理的理解。也就是说图4的电 路结构描述了可能的实现。然而本处所说明的方案也可以包括具有活动有源的器件，如例 如晶体管，或者具有无源的器部件，如例如电阻和电容器的其它电路部件，为的是进一步地 简化电路结构。在图4中所示的电路结构应该只是描述了电路结构的主要特性和功能原 理。在图5中示出了对于在图4中公开的电路结构重要的电压和信号。为了能产生和 实际情况的具体关系，选择具有230伏和50赫兹的正弦形状的AC电网电压作为应用实例。 当然本发明的方法也可以采用其它的电网电压、频率或者电网电压形式。在图5的单个的 分图中描述了下面详细说明的信号曲线。-电网电压图5a具有230伏AC和50赫兹的正弦形式的网络电压。-负荷上的电压图5b此图示出负荷上的电压。在图3中将该负荷示作直流串 联电动机。负荷“视作(sehen)”相位截切的(phosenangeschintten)电压。当相位角为大 约60°时进行相位截切，也就是当相位角为大约60°时点燃三极双向可控硅开关，并且变 成通电的。_负荷上的电流图5C:此图描述了在负荷上的理想化的电流。当三极双向可控硅 开关导通以后电流通过。三极双向可控硅开关保持导通，直到低于三极双向可控硅开关保 持电流。当电网过零点和机器专门的随动之后低于保持电流。当通过电流和电压之间的相 位移感应负荷时出现这种随动，下面把它称作coscp。这个随动C0S(p是机器专门的，并且 和负荷有关。在图5C中示出了大约30°时的随动cosq)。-周期性的中断图5d:在此图中示出了其频率为750赫兹的矩形信号。用箭头表 示正脉冲。在正侧时产生中断。在中断之后例如可以读入测量信号。这个信号只用作辅助 参数，为的是能更加直观地示出扫描方法，并且也可在集成块ICl (见图4)的纯内部产生。-被扫描的电网电压图5e此图示出了图5b的“负荷上的电压”，然而也叫做“被 扫描的电压”。其目的是尽可能准确地从被扫描的负荷上的电压中检测到电压的有效数值， 或者负荷上的与有效数值成比例的测量参数。这个有效数值可以是负荷上的电压的均方 值。为计算例如有效数值，整数应通过半波/全波形成。然而在此所介绍的方法不局限于 形成有效数值。也可以检测和计算和有效数值成比例的测量参数。采用数字方法不能形成连续的数值。因此在时间上分散的点上扫描电压，并且将其分解为任意小的梯形，或者其它 的几何形状。其中建议梯形形状，因为在这里误差很小，并且计算费用一目了然。根据本发 明的方法并不局限于将曲线形状分解为梯形。也可以分解为任意的几何形状。或者通过 任意的数学方法进行分解和近似。然而下面只讨论分解为梯形，或者梯形相似的形状。在 将曲线分解为梯形或者上梯形类似的形状时产生了在图5e中用影线示出的与梯形类似的 形状。当用750赫兹的扫描频率扫描具有50赫兹的正弦形的交流电压时就产生这种梯形。 在图5e的图示中交替地明和暗地标记了梯形或者与梯形类似的形状。因为第一和最后的 扫描点和相位截切角不同步，所以在一个扫描周期的开始和结束时分别出现误差。这种误 差在图5e中作为暗的表面表示。在这种情况中，扫描周期的开始例如是三极双向可控硅开 关的点燃构成。扫描周期的结束例如是低于三极双向可控硅开关-保持电流，并且因此三 极双向可控硅开关熄灭。扫描越快，也就是周期中断触发越频繁-其中对信号进行扫描，则 误差越小。随着扫描率的提高在梯形或者与梯形类似的形状时出现的误差也下降。对于均 方值求出每个梯形的面积，并且对形成的面积进行平方。最后形成半波或者全波的所有的 平方的部分面积的平均值。然后就出现了电压的均方值。这个均方值和电压的有效数值相 当。例如在三极双向可控硅开关熄灭之后出现用于计算半波/全波的电流的有效数值的合 适时刻。例如可通过信号Uswitdl分析出三极双向可控硅的熄灭。_被扫描的电流图5f 在这个图中将图5C中的“负荷上的电流”作为“被扫描的 电流”示出。其目的是尽可能准确地从负载上的被扫描的电流中检测出负荷上的电流的有 效数值，或者和该有效数值成比例的测量参数。例如用于形成有效数值的方法的详细说明 已在“被扫描的电网电压”一节中有描述，也可类似地用于分析被扫描电流。上面已经说明了如何能通过模拟电路准备重要的测量参数，并且提供给数字集成 块使用。此外，也描述了重要的信号和它们的数字准备以及转换成有效数值或和有效数值 成比例的参数的情况。其中的重点在信号“电动机电流”和“电动机电压”(负荷电压)。从 图4的电路结构中可以看出，所示的电路不是直接地检测电动机电压，而是借助RlO在磁场 2(F2)上进行分接。这个电压相应于电枢电压，加上Fl上的场电压，加上三极双向可控硅开关Vl上的 电压降和分流器Rl上的电压降。实践表明，在磁场F2上测量的电压和电枢电压相比是可 忽略不计的。然而关于能更精确地检测电枢电压的方法已在“电枢电压检测”一节中有详 细描述。也就是说对于调节已有两个测量参数可供使用一个是和电动机电流相应的参数， 一个是和电枢电压相应的参数。从这两个物理的电动机参数计算出用于调节的实际数值。 在此所介绍的方法中不是直接地检测调节的实际数值(也就是转速)，而是由观察者从物 理的电动机参数电枢电压(U)和电动机电流(I)中计算出。其中可以使用这两个电动机参 数“电动机电流”和“电枢电压”，并且从中形成和转速成比例的信号。在调节回路中将与转 速成比例的信号用作实际值。因此为调节回路产生了一个用于数字U/I调节器的调节技术 的等效电路图，如图6所示。在这种情况中在电动机14上(例如一台直流串联电动机)检 测电动机特性参数“电枢电压” 62和“电动机电流” 64，并且从中计算出一个与转速成比例 的信号66。这个信号66作为实际值68和一个预先理论的规定值70连接(例如从该数值 中扣除)，并且将这个连接信号72用作调节器74 (例如一个PID调节器)的输入参数。然 后用这个调节器74可以输出一个调节信号76。用这个调节信号触发控制元件或者执行器80，例如如具有三极双向可控硅开关的相位截切控制器。通过这一措施又可控制电动机14， 这样调节回路闭合。前面已经描述，可如何用这两个电动机参数“电枢电压”和“电动机电流”实现数 字转速调节器的。所描述的办法也规定，单独地分析这两个电动机参数“电枢电压”和“电 动机电压”，并且由此措施开辟其它的应用方案。电枢电压主要与磁场中的电枢的转速和场强有关。因此，电枢电压提供有关电动 机的转速方面的信息。电动机电流主要与电动机的负荷有关。因此，电动机电流提供有关 机器的负荷和实际转矩方面的信息。因此转矩电子限制可通过分析电动机电流实现。所有其它的方法_这些方法需要 与负荷有关的参数，例如与负荷有关的临界点_也可通过分析电动机电流实现。如图3所示，不直接测量电枢电压。对于电枢电压(Um)它与磁场I(Fl)、三极双 向可控硅开关Vl和分流器Rl上的电压降一起检测。事实表明是可以如此足够精确地检测 电枢电压(Uiffi)的。在所介绍的方法中可以规定任选地一起检测电网电压U%ij|。若一起 检测了电网电压，则分析集成块可从Uiig减去Uiffi形成差值。这个差值相当于磁场2 (F2) 上的电压。当电动机为对称设计时磁场电压2 (F2)和磁场电压I(Fl)相当。也就是说当从 Uiig减去Uiffi形成差值时(这相当于磁场Fl和磁场F2上的磁场电压)，并且将其从Uiffi 中减掉，则作为误差进入到电枢电压的只还有分流器上的电压降和三极双向可控硅开关Vl 上的电压降。分流器上的电压降Ujiis也可由检测集成块分析，并且因此也被纠正。在实践 中三极双向可控硅开关上的电压降可以忽略不计。通过省去分流器可进一步地简化数字U/I调节器。不计算分流器上的电压降也可 分析磁场上的电压降。在磁场绕组上的电压降可如上所述简单地Wuiijl减去Uiffi的差值中 形成。图7以一种用于提供电动机的转速检测信号，和/或转矩检测信号的方法的形式 示出本发明的一个实施例的流程图，其中，这个电动机包括一个由至少一个磁场绕组和一 个电枢绕组构成的串联电路，其中，这个电动机和一个用于它的接通的开关一起在一个第 一和一个第二电源接头之间串联连接。其中，这个方法包括检测流过电动机的电动机电流 的第一步骤50和输出相应的电动机电流信号。该方法的另一(选择的)步骤是通过电枢 绕组检测52电枢电压，并输出相应的电枢电压信号。最后在图7中所示的方法包括分析电 动机电流信号和/或电枢电压信号的步骤54，以便进行通过所输出的电动机电流信号，和 /或所输出的电枢电压信号的积分，以得到电动机电流的有效数值，和/或关于电枢电压的 有效数值，并且为了从电动机电流的有效数值中提供和电动机的转矩成比例的转矩检测信 号，和/或从电枢电压的有效数值中提供和电动机的转速成比例的转速检测信号。下面对本发明的最重要的观点进行总结。这些最重要的观点也可在本发明的主要 方面或者实施形式中找到-所介绍的方案提供了这样一种可能性，即只用在直流串联电动机(万能电动机) 的电枢上的一个附加的分接点就能检测重要的电动机特性参数电动机电流和电枢电压。-通过一种简单的模拟电路可准备重要的电动机特性参数，并且借助一种扫描方 法或者一种类似的方法可将其转换成数字参数。
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-所介绍的方案提供了这样一种可能性，即能检测和分析正的和负的半波中的信 号。然而分析两个半波对于运用并不是必须的，也就是说，当然也可以只分析这两个半波中 的一个半波。_所介绍的方案提供了这样一种可能性，即可一起检测电网电压，并且可根据电网 电压纠正调节或者调节特性。-所介绍的方案提供了这样一种可能性，即从电动机参数电动机电流和电枢电压 产生和转速成比例的信号，这信号可用于调节的输入参数。-所介绍的方案提供了这样一种可能性，即也可单独地将与转速成成比例的信号 用于实现附加功能。-所介绍的方案提供了这样一种可能性，即能单独地分析电动机参数“电动机电 流”和“电枢电压”，并且例如实现转矩限制、临界点或者类似的转速，或者与负荷有关的功 能。-所介绍的方案提供了这样的可能性，即和具有交流电全波供电的用于通用串联 电动机的电桥控制的转速-转矩调节器的方案相比供电电压构思被大大地简化了。
权利要求
用于提供电动机(14)的转速探测信号(28)和/或转矩探测信号(26)的电动机特性参数探测器(10)，它包括由至少一个磁场绕组(F1、F2)和电枢绕组(16)构成的串联电路，其中，所述电动机(14)连接在第一(N)和第二(L)供电接头之间，并且其中，该电动机特性参数探测器(10)包括下述特征 电动机电流检测单元(12)，它设计用于检测流过电动机(14)的电动机电流并且输出相应的电动机电流信号(20)，和/或 电枢电压检测单元(18)，它设计用于通过电动机(14)的电枢绕组(16)在磁场绕组(F2)和电枢绕组(16)之间的分接点(18)上检测电枢电压并且输出相应的电枢电压信号(24)，和 分析单元(22)，它设计用于通过所输出的电动机电流信号(20)和/或所输出的电枢电压信号(24)进行积分，以得到用于电动机电流的有效数值和/或用于电枢电压的有效数值，其中，此外，设计这个分析单元以从电动机电流的有效数值中提供和电动机(14)的转矩成比例的转矩探测信号(26)和/或从电枢电压的有效数值中提供和电动机(14)的转速成比例的转速探测信号(28)。
2.按照权利要求1所述的电动机特性参数探测器(10)，其特征在于，设计这个分析单 元(22)来用预先规定的扫描频率扫描所输出的电枢电压信号(24)和/或所输出的电动机 电流信号(20)并且用数字信号处理的装置进行积分。
3.按照权利要求2所述的电动机特性参数探测器(10)，其特征在于，设计这个分析单 元(22)为了对于积分内插电枢电压信号(24)和/或电动机电流信号(20)的被扫描的数 值并且在使用通过内插在内插的已扫描的电枢电压信号和/或电动机电流信号数值和基 准数值之间形成的梯形结构的情况下进行积分。
4.按照权利要求1至3所述的电动机特性参数探测器(10)，其中，电动机(14)包括由 所述磁场绕组(Fl)、所述电枢绕组(16)和第二磁场绕组(F2)构成的串联电路，其特征在 于，设计电枢电压检测单元(18)，以检测在第一电源接头(N)和设置在电枢绕组(16)和第 二磁场绕组(F1、F2)之间的电动机(18)中的分接点之间的电枢电压。
5.按照权利要求4所述的电动机特性参数探测器(10)，其特征在于，还设计分析单元 (22)，以检测位于第一电源接头(N)和第二电源接头(L)之间的电源电压，并且在使用已检 测的电源电压的情况下确定通过磁场绕组(Fl)的压降。
6.按照前述权利要求的任一项所述的电动机特性参数探测器(10)，其中，将相位截切 开关(Vl)连接到第一电源接头(N)和电动机(14)之间，其特征在于，设计分析单元(22) 以确定第一电源接头(N)和电动机(14)之间的电压降，并且在提供转矩探测信号(26)和 /或转速探测信号(28)时使用这个确定的电压降。
7.按照前述权利要求的任一项所述的电动机特性参数探测器(10)，其特征在于，设计 电枢电压检测单元(18)，为的是在使用第一电源接头(N)的电位的情况下提供虚地(VM)的 电位和相对于所提供的虚地(VM)的电位检测电枢电压和/或电动机电流。
8.按照前述权利要求的任一项所述的电动机特性参数探测器(10)，其特征在于，设计 分析单元(22)，为的是在使用输出的电枢电压信号和输出的电动机电流信号的情况下提供 转矩探测信号(26)或者在使用输出的电枢电压信号和输出的电动机电流信号的情况下提 供转速探测信号(28)。
9.按照前述权利要求的任一项所述的电动机特性参数探测器(10)，其特征在于，设计 电枢电压检测单元(18)，为的是在得到电枢电压信号时进行所检测到的电枢电压的分压和 进行阻抗变换。
10.具有下述特征的电动机调节器-按照前述权利要求的任一项所述的电动机特性参数探测器(10)；及-调节器，它设计用于以所提供的转速探测信号(28)和/或所提供的转矩探测信号 (26)为基础，且根据规定的调节特性调节电动机(14)。
11.用于提供电动机(14)的转速探测信号(28)和/或转矩探测信号(26)的方法，它包 括由至少一个磁场绕组(F1、F2)和电枢绕组(16)构成的串联电路，其中，所述电动机(14) 连接在第一(N)和第二(L)电源接头之间，并且其中，所述方法包括下述步骤-检测流过电动机(14)的电动机电流，并且输出相应的电动机电流信号(20)，和/或-通过电动机(14)的电枢绕组(16)在磁场绕组(F2)和电枢绕组(16)之间的分接点 上检测电枢电压，并且输出相应的电枢电压信号(24)，及-分析(54)电动机电流信号和/或电枢电压信号，以便通过所输出的电动机电流信号 (20)和/或所输出的电枢电压信号(24)进行积分，为的是得到电动机电流的有效数值和 /或电枢电压的有效数值，并且为的是从电动机电流的有效数值中提供和电动机(14)的转 矩成比例的转矩探测信号(26)和/或从电枢电压的有效数值中提供和电动机(14)的转速 成比例的转速探测信号(28)。
12.有用于执行按照权利要求11所述的方法的程序代码的计算机程序，当该计算机程 序在计算机上被执行时。
全文摘要
本发明涉及一种用于提供电动机(14)的转速探测信号(28)，和/或转矩探测信号(26)的电动机特性参数探测器(10)，它包括由至少一个磁场绕组(F1、F2)和电枢绕组(16)构成的串联电路，其中，所述电动机(14)连接在第一(N)和第二(L)供电接头之间。其中，该电动机特性参数探测器(10)具有下述特征电动机电流检测单元(12)，它的设计是为了检测流过电动机(14)的电动机电流，并且输出相应的电动机电流信号(20)和/或电枢电压检测单元(18)，它的设计是为了通过电动机(14)的电枢绕组(16)在磁场绕组(F2)和电枢绕组(16)之间的分接点(18)上检测电枢电压，并且输出相应的电枢电压信号(24)，并且分析单元(22)，它的设计是为了通过所输出的电动机电流信号(20)，和/或所输出的电枢电压信号(24)进行积分，以得到用于电动机电流的有效数值，和/或用于电枢电压的有效数值，其中，此外，设计这个分析单元(22)是为了从电动机电流的有效数值中提供和电动机(14)的转矩成比例的转矩探测信号(26)，和/或从电枢电压的有效数值中提供和电动机(14)的转速成比例的转速探测信号(28)。
文档编号H02P7/28GK101911469SQ200880123001
公开日2010年12月8日 申请日期2008年11月3日 优先权日2007年12月27日
发明者U·辛格尔 申请人:罗伯特.博世有限公司