专利名称：通过脉冲宽度调制信号控制至少一个电感性负载的方法
技术现状本发明涉及一种通过脉冲宽度调制信号控制至少一个电感性负载的方法，其中经一个半导体末级将负载的直流电源电压接通和切断。
众所周知，电气负载的电路或者电子线路可以采用脉冲宽度调制的控制信号进行控制。其中可根据相应的脉冲占空因数(控制脉冲与脉冲间歇之比)经一个半导体开关将电气负载与电源连接或与该电源分离。
如果在一个电路中，例如在机动车电机的脉冲末级中连接着多个用脉冲宽度调制的控制信号加以控制的负载，则将会产生很大的开关冲击电流，从而导致在直流电源电压上叠加交流电压。这种现象在以下情况中即会产生，即，当接通很大的负载电流而且直流供电电压的功率强度不足时，这种现象通常出现在机动车蓄电池作为车载电源的情况中。直流电源电压叠加交流电压的情况会损害所有与直流电源电压相连的负载的功能。
德国专利文献DE 197 25 708 A1和国际专利文献WO 88/10367中公开了一种控制电气负载的方法，其中对相对较大负载的开关按照以下方式在时间上错开，即电流在开和关的过程中基本上是连续地升高和减小。通过该方案只能减弱叠加在直流电源电压上的交流电压，但是实际上无法防止其发生，特别是涉及到电感式负载时，它以闭塞方式得到电流，例如脉冲宽度调制的电子换向式电机就属于这种情况。
这种电机的激励绕组的控制通常采用以下电路，即，它由两个半导体开关和两个二极管构成。与直流电源并联的是一个电容，它在关闭后部分地吸收激励绕组内存储的磁能。该电容与线路电感构成一个振荡回路。在电机工作过程中，激励绕组顺序加载电流，其中通过半导体开关脉冲达到一个电流极限。通过存储在激励绕组内的磁能可使电机电流继续进入空载回路，所以不会从直流电源中吸收额外的电流。这种“硬的”开和关的特性可使电流在线路和直流电源中发生很快的脉冲变化，并且由于前面所述的振荡回路造成直流电源上叠加形成交流电压。
本发明的任务是，提供一种上述类型的用脉冲宽度调制的控制信号控制电感式负载的方法，这种方法简单，成本低，能够防止直流电源上叠加形成交流电压，或者使该交流电压的振幅尽可能保持在很小的程度上。
本发明对以上任务的解决方案是，脉冲宽度调制(PWM)控制单元包括一个由存储电容和/或存储电感以及一个半导体开关组成的附加装置，并且由所述PWM控制单元控制的半导体开关在PWM控制信号的脉冲间歇内，接通一个用于所述存储电容和/或存储电感的充电电路，该电路由所述直流电源电压供电。
在所述控制装置中，直流电源电压在脉冲间歇中通过所述存储电容和/或存储电感的充电电流而额外得到加载，所以根据对直流电源电压的功率吸收程度只会产生缓慢的电流变化，它不会对连接在直流电源上的负载产生不利影响。
其中所述充电电路分别超出脉冲间歇的起始部和结束部，部分地延伸到PWM控制信号相连的控制脉冲内。这种方案可改善直流电源的负载均衡。
所述充电电路接受的充电电流与所述负载的电流的匹配方式是，利用PWM工作方式，从直流电源电压中满足一个近似恒定的电流需求。
如果将所述方法用于电子换向式电机，则可采用以下方案，即在一台电子换向式电机中，所有半导体末级以及作为激励绕组构成的负载具有一个共用的附加装置，该装置由存储电容和/或存储电感组成，其半导体开关在所述PWM控制单元的PWM控制信号的所有脉冲间歇内，接通所述充电电路。其中的控制方式是，共用的附加装置具有一个存储电感，它和半导体末级以及电子换向电机的作为激励绕组构成的负载一样连接，并且可受到PWM控制单元的控制，但是该附加装置的半导体开关在所述PWM控制信号的每个脉冲间歇内接通存储电感。
在电子换向式电机中，所述方法也可采用以下方案实现，即在一台电子换向式电机中，每个半导体末级以及作为激励绕组构成的负载具有各自的附加装置，该装置由存储电容和/或存储电感组成，其半导体开关仅在输入半导体末级的PWM控制信号的脉冲间歇内，接通对应附加装置的充电电路，其中的充电电路的控制方式是，每个半导体末级以及作为激励绕组构成的负载均包括一个作为各自的附加装置构成的存储电容，它和二极管以及对应的半导体末级的连接方式可使其在输入的PWM控制信号的脉冲间歇内被充电。
下面对照附图所示的实施例对本发明作进一步地说明。附图中
图1表示一个具有存储电感的附加装置的示意图，它与一个由PWM控制信号激励的电感式负载相连；图2表示一个电子换向式电机的示意图，它具有一个由所有半导体末级和激励绕组共有的附加装置；图3表示一个电子换向式电机的示意图，它的每个半导体末级和激励绕组均具有一个自己的附加装置；图4表示一个电路，其中的存储电容作为附加装置设置在电感式负载的控制电路中。
如图1所示，其中的控制器si作为半导体末级构成，一个电感式负载V由PWM控制信号的控制脉冲激励，其中经二极管D3和D4以公知方式在脉冲间歇内输出存储在负载V中的磁能，并且在短时间内保持负载V内的电流。在PWM控制信号的脉冲间歇内，负载V不会从直流电源电压Ubatt中获得电流。为此作为半导体开关构成的控制器sp在充电电流回路的脉冲间歇内控制存储电感L，所述充电电流回路由直流电源电压Ubatt供电。所述控制器sp是PWM控制单元的组成部分，原理上与负载V的控制器si一样连接。如果负载V和存储电感L的电流需求相互匹配，使得从直流电源电压Ubatt吸收的电流实际上近似恒定，则在直流电源电压Ubatt上将不会有叠加的交流电压出现。二极管D5和D6构成了存储电感L在其切断所存储的磁能时的放电回路。如果负载V是一个电子换向电机的激励绕组，则存储电感L不会参与电机的扭矩形成，也就是说，它设置在电机之外。
如果所述电子换向电机具有激励绕组V1至Vn，则该绕组经对应的作为控制器的半导体末级EST1至ESTn激励，其中的电子控制单元STE对半导体末级EST1至ESTn进行顺序控制，各个脉冲间歇，即输入到半导体末级EST1至ESTn中的PWM控制信号的脉冲间歇在时间上是依次错开的。所以，所有半导体末级EST1至ESTn必须与作为负载V1至Vn的激励绕组共同形成附加装置ZE，它具有存储电容C和/或存储电感L，经它的作为控制器sp的半导体开关，在每个脉冲间歇内将控制单元STE输出的PWM控制信号与直流电源电压Ubatt的充电回路连通。
如图3的实施例所示，在电子换向电机中，也可以是每个半导体末级EST1至ESTn具有一个作为激励绕组的负载V1至Vn，并且具有附加装置ZE1至ZEn，各附加装置ZE1至ZEn分别具有存储电容C和/或存储电感L。附加装置ZE1至ZEn的控制器sp也作为半导体开关构成，而且与半导体末级EST1至ESTn的控制单元STE的控制器si相同，提供附加装置ZE1至ZEn的充电电流，所以也可得到近似恒定的直流电源电压Ubatt负载。其中也可如上所述经对应的附加装置ZE1至ZEn向半导体末级EST1至ESTn和负载V1至Vn提供电流，所述附加装置与直流电源电压Ubatt并联连接。用于半导体末级EST1至ESTn的控制器si和用于附加装置ZE1至ZEn的控制器sp被集成在控制单元STE内。
如图4所示，存储电容C可直接设置在负载V的电路内。负载V经两个作为半导体开关si1和si2构成的控制器与直流电源电压Ubatt相连。负载V可以是一个电子换向电机的激励绕组。存储电容C可以连接在高边控制器(High-Side-Steller)si1和负载V之间。二极管D1和D2的作用是在激励后作为负载V内所存储的磁能的放电电路。在脉冲间歇内存储电容C可以被充电，并且使直流电源电压Ubatt达到所要求的载荷。其中的低边控制器(Low-Side-Steller)si2在脉冲间歇内必须是开路的。
在存储电容C内所存储的能量可通过激励绕组用来形成力矩，其方式是在控制脉冲结束时首先使高边控制器si1开路。在存储电容C内所存储的能量使得在短时间内保持有电流流过激励绕组。所以每个激励绕组仅需要一个存储电容C，该电容的充电电流必须与激励绕组的电流消耗相匹配，以便在电机工作中保持近似均匀的直流电源电压Ubatt。
权利要求
1.通过一个PWM控制单元的脉冲宽度调制信号控制至少一个电感性负载的方法，其中，PWM控制信号的控制脉冲经一个半导体末级将负载的直流电源电压接通和切断，其特征是，所述PWM控制单元(STE)包括一个由存储电容(C)和/或存储电感(L)以及一个半导体开关(si，sp)组成的附加装置(ZE)，并且由所述PWM控制单元(STE)控制的半导体开关(si，sp)在PWM控制信号的脉冲间歇内，接通一个用于所述存储电容(C)和/或存储电感(L)的充电电路，该电路由所述直流电源电压(Ubatt)供电。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述充电电路分别超出脉冲间歇的起始部和结束部，部分地延伸到相连的控制脉冲内。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征是，所述充电电路接受的充电电流与所述负载(V)的电流的匹配方式是，经PWM工作方式从直流电源电压(Ubatt)中满足一个近似恒定的电流需求。
4.如权利要求1至3中任何一项所述的方法，其特征是，在一台电子换向式电机中，所有半导体末级(EST1至ESTn)以及作为激励绕组构成的负载(V1至Vn)具有一个共用的附加装置(ZE)，该装置由存储电容(C)和/或存储电感(L)组成，其半导体开关(sp)在所述PWM控制单元(STE)的PWM控制信号的所有脉冲间歇内，接通所述充电电路(图2)。
5.如权利要求1至3中任何一项所述的方法，其特征是，在一台电子换向式电机中，每个半导体末级(EST1至ESTn)以及作为激励绕组构成的负载(V1至Vn)具有各自的附加装置(ZE1至ZEn)，该装置由存储电容(C)和/或存储电感(L)组成，其半导体开关(Sp)仅在输入半导体末级(EST1至ESTn)的PWM控制信号的脉冲间歇内，接通对应附加装置(ZE1至ZEn)的充电电路(图3)。
6.如权利要求4所述的方法，其特征是，所述共用附加装置(ZE)具有一个存储电感(L)，它和所述半导体末级(EST1至ESTn)以及电子换向式电机的作为激励绕组构成的负载(V1至Vn)一样连接，并且可由PWM控制单元(STE)控制，其中该附加装置(ZE)的每个半导体开关(sp)均在PWM控制信号的每个脉冲间歇内，将所述存储电感(L)连通(图1和图2)。
7.如权利要求5所述的方法，其特征是，每个半导体末级(EST1至ESTn)以及作为激励绕组构成的负载(V1至Vn)均包括一个作为各自的附加装置(ZE)构成的存储电容(C)，它和二极管(D1，D2)以及对应的半导体末级(Si1，Si2)的连接方式可使其在输入的PWM控制信号的脉冲间歇内被充电(图3和图4)。
全文摘要
本发明涉及一种通过脉冲宽度调制(PWM)信号控制至少一个电感性负载的方法，其中经一个半导体末级将负载的直流电源电压接通和切断。为了防止在通过PWM控制单元进行加载时在直流电流上产生交流电压，所述PWM控制单元包括一个由存储电容和/或存储电感以及一个半导体开关组成的附加装置。由所述PWM控制单元控制的半导体开关在PWM控制信号的脉冲间歇内，接通一个用于所述存储电容和/或存储电感的充电电路，该电路由所述直流电源电压供电。
文档编号H02M3/335GK1415135SQ00807549
公开日2003年4月30日 申请日期2000年5月17日 优先权日1999年5月19日
发明者哈拉尔德·维齐希, 格哈德·克内希特, 托马斯·墨塞 申请人:罗伯特·博施有限公司