用于控制电动机的系统和方法
【专利摘要】一种用于基于N-MOS开关装置来控制电动机的系统，允许在反向电池极性条件中操作，并且在正向电池极性条件中时，保护开关装置免受电压峰值影响。该系统包括电源、开关装置、控制装置以及晶闸管，该开关装置与电动机串联连接以在“开”和“关”状态之间切换所述电动机，该控制装置用于控制开关装置，而该晶闸管与电动机串联连接，藉此由控制装置控制晶闸管的导电和非导电状态。此外，还提供一种用于控制例如在上述系统中的电动机的方法，包括如下步骤：在正向电池极性条件中切换晶闸管的状态使得晶闸管传导电流，以及在反向电池极性条件中切换晶闸管的状态使得晶闸管不传导电流。本发明还涉及一种控制电动机的系统的方法。
【专利说明】用于控制电动机的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及包括固态继电器(SSR)的电气电子电路。更确切地说，本发明涉及用于控制直流电动机的包括SSR的电气电子电路。
【背景技术】
[0002]机电继电器是本领域众所周知的，并且广泛地用在各种类型的功率控制和电气应用中。尽管会产生与存在运动部件相关联的问题，但通常包括线圈和触件的这些机械装置相当可靠。此外,机械继电器经受电火花和电弧。
[0003]此外，机械继电器产生在“开”和“关”状态之间的突然过渡，从而在每次过渡时都会在电路中产生较高的电流峰值。此种电流峰值例如会致使电路的触件熔化，从而导致电气系统发生故障。
[0004]如今，在各种应用中，固态继电器(SSR)用作机电继电器的替代，这些应用包括用于控制直流电动机的汽车电气-电子应用。可注意到，SSR具有优于机械装置的若干优点，其中包括更佳的过流控制、减小尺寸和重量、更佳的功率耗散以及更高的操作频率。
[0005]然而，在上述应用中，在与机电继电器相比时，SSR显然具有如下缺点:在电源的极性反向时，需要外部反向电路极性保护电路。
[0006]通常用于防止极性逆转的技术方案如下:
[0007](i)使用与电源线串联的二极管。然而，考虑到功率耗散，该技术仅仅适用于低电流系统；
[0008](ii)使用与能够将电源线接通和断开的机电继电器串联的二极管。然而，此种开关装置的使用会产生本文在上文提及的机电继电器所固有的所有问题；或者
[0009](iii)使用P通道MOSFET来切换电源线。然而，该技术方案会由于P通道装置的较高接合电阻而产生功率耗散的问题。此外，这些装置局限于用在相对较低电流的电路中。
[0010]还可采用N-通道MOSFET (N-MOS)装置来切换电动机。然而，在利用正向电池极性操作时(例如，在电动机关闭时)，此种装置并不具有任何相对于反向电压峰值的防护。因此，功率由N-MOS装置耗散，由此使得其过热。
[0011]与电动机并联连接的二极管会解决上述问题，因为反向电压峰值会在不损坏N-MOS装置的情形下耗散。然而，在反向电池极性条件中，二极管会使得电流直接流至N-MOS装置，而不流过电动机，由此损坏N-MOS装置。
[0012]因此，需要一种能避开上述缺点的构件。
[0013]【背景技术】中讨论的主题不应仅仅由于在【背景技术】部分提及而被假定为现有技术。类似的，【背景技术】中提及的问题或者与【背景技术】的主题相关联的问题不应被假定为已在现有技术中被识别。【背景技术】部分中的主题仅仅表示出不同的技术方案，这些技术方案中的内容以及这些技术方案本身也可以是本发明的内容。
【发明内容】
[0014]本发明的第一目的在于基于N-MOS开关装置来控制电动机的方法和系统，以使得电动机能在反向电池极性条件下操作。
[0015]本发明的第二目的是提供基于N-MOS开关装置来控制电动机的方法和系统，用于保护电动机免受由于使用PWM切换系统中的电动机而产生的反向电压峰值的影响，避免在N-MOS装置处的功耗并由此避免该N-MOS装置过热。
[0016]为了实现上述目的，本发明提供一种用于控制电动机的系统，该系统包括电压、开关装置、控制装置以及晶闸管，该开关装置与电动机串联连接以在“开”和“关”状态之间切换该电动机，该控制装置用于控制开关装置，而晶闸管与电动机并联连接，其中晶闸管的门极端子以及由此该晶闸管的导电或非导电状态由控制装置控制。
[0017]此外，本发明提供控制在上述系统中的电动机的方法，其中该方法包括如下步骤:在正向电池极性条件中切换晶闸管的状态，使得晶闸管导电，以及在反向电池极性条件中切换晶闸管的状态使得晶闸管不导电。
[0018]通过阅读本发明的较佳实施例的以下具体说明，本发明的其它特征和优点将变得更加清楚，该说明仅借助于非限制的示例并参考附图来给出。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]现在参见附图借助示例来描述本发明，附图中:
[0020]图1是根据一个实施例的用于控制电动机的系统的电路的示意图；以及
[0021]图2是根据一个实施例的控制电动机系统的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0022]图1示出用于车辆中直流(DC)电动机112的控制的系统100的电气电子电路的非限制示例，该电气电子电路较佳地使用脉冲宽度调制(PWM)控制。电路基本上包括诸如电池之类的电源114、与电动机112串联的基于N-MOS的开关装置(例如，固态继电器)116以及诸如微控制器之类的控制装置118，该控制装置118带有独立于电源114对其供电的电源。较佳地是，控制装置118借助端子120和122联接于N-MOS开关装置116。因此，控制装置118向N-MOS开关装置116发送控制信号，使得N-MOS开关装置116在正向电池极性条件或反向电池极性条件中在“开”和“关”之间切换电动机112的状态。
[0023]为了避免本文上文所述的现有技术缺点，本发明附加地提供晶闸管124，该晶闸管与电动机112并联连接。晶闸管、尤其是那些可控硅整流器(SCR)类型的晶闸管是半导体器件，可通过将电流脉冲施加到门极端子126来控制这些半导体器件的直接感测条件(直接指向状态)。一旦在直接感测(直接指向)中启动传导，则甚至在门极端子126处缺少信号的情形下仍能保持传导，直到流过门极端子的电流落在特定阈值以下为止，该特定阈值被称为保持电流。在相反方向上，晶闸管124用作正常的二极管，也就是说该晶闸管不传导电流。
[0024]此处提供的晶闸管124使其门极端子126由控制装置118控制。在系统100利用正向电池极性的正常操作过程中，晶闸管124作为二极管操作,避免使用PWM切换电动机112固有的反向电压峰值，而反向电压峰值会由于N-MOS开关装置116中的功耗而导致N-MOS开关装置116过热。于是，控制装置118使晶闸管124始终保持打开，也就是说，始终将功率施加于其门极端子126。因此，在存在反向电压峰值的情形下，晶闸管124在电动机112的端子处产生短路，即作为二极管操作。
[0025]当利用反向电池极性操作电流时，晶闸管124总是由控制装置118保持关闭。换言之，控制装置118停止在晶闸管124的门极端子126处施加脉冲，致使电流总是流过电动机112，由此避免对N-MOS开关装置116造成损坏。
[0026]在图1所示的特定实施例中，电源具有14.5伏特的标称电压，而控制装置118供给有5伏的电压。可米用一系列兀件、例如电阻器128-138、晶体管140和142、电容器144以及二极管146来使由控制装置118发送给晶闸管124的门极端子126的脉冲的电压极化，因为在该特定情形中，晶闸管以14.5伏的电压操作。或者，控制装置118可具有与晶闸管124相同的操作电压，在该情形下，上述元件会是不需要的。
[0027]此外，为了调节在晶闸管124的门极端子126处将施加的电压，第一电阻器148和第二电阻器150可连接在电路中，以减小由电源114提供的电压。因此，连同由控制装置118产生的脉冲电压一起，可以确保在正向电池极性条件或反向电池极性条件中、晶闸管124在“开”状态(传导电流)和“关”状态(不传导电流)之间的所需电压差。第一和第二电阻器148、150较佳地定位在电源114的其中一个电极和与门极端子126的接触点之间。此外较佳地是，控制装置118和晶闸管124的门极端子126之间的接触点产生在第一电阻器148和第二电阻器150之间。
[0028]图2示出了控制诸如系统100的电动机系统的方法200的非限制示例，该电动机系统包括电源114、开关装置116、控制装置118以及晶闸管124，该开关装置与电动机112串联连接，该控制装置用于控制开关装置116，而晶闸管124与电动机112并联连接。
[0029]在步骤210中，在正向电池极性条件中切换晶闸管的状态使得晶闸管传导电流，在正向电池极性条件下，电流脉冲施加于晶闸管124的门极端子126，以使得晶闸管124导电。
[0030]在步骤212中，在反向电池极性条件中切换晶闸管的状态使得晶闸管不传导电流，在反向电池极性条件中，晶闸管124用作二极管并且不传导电流。
[0031]因此，本发明提供系统100和方法200，其中在反向电池极性条件下保护N-MOS开关装置116并且防止受到正向电池极性条件中的电压峰值影响。
[0032]尽管就本发明的较佳实施例对本发明进行了说明，但其不意在作出限制，而是意在下面权利要求书中阐释的范围。另外，对术语第一、第二等的使用并不表示任何重要性的顺序，而是使用术语第一、第二等来将各个元件互相区别开来。此外，对术语一、一个、等的使用不表示数量的限定，而是表示至少一个所引用物件的存在。
【权利要求】
1.一种用于控制电动机(112)的系统(100),包括: 电源(114)； 开关装置(116)，所述开关装置与所述电动机(112)串联连接，以在“开”和“关”状态之间切换所述电动机； 控制装置(118)，所述控制装置构造成控制所述开关装置(116);以及 晶闸管(124)，所述晶闸管与所述电动机(112)并联连接，其中所述晶闸管(124)的门极端子(126)由所述控制装置(118)控制，由此控制所述晶闸管(124)的电流传导或不传导状态。
2.如权利要求1所述的系统(100)，其特征在于，所述开关装置(116)由所述控制装置(118)使用脉冲宽度调制所控制。
3.如权利要求1所述的系统(100)，其特征在于，所述开关装置(116)包括N-通道金属氧化物半导体场效应晶体管开关装置(116)。
4.如权利要求1所述的系统(100)，其特征在于，所述控制装置(118)包括微控制器。
5.如权利要求1所述的系统(100)，其特征在于，还包括:第一电阻器(148)和第二电阻器(150)，所述第一电阻器和所述第二电阻器串联连接，且所述第一电阻器和所述第二电阻器中的每个在所述电源(114)的电极中的一个和与所述晶闸管(124)的门极端子(126)的接触点之间连接。
6.如权利要求5所述的系统(100)，其特征在于，所述控制装置(118)和所述晶闸管(124)的门极端子(126)之间的接触点连接在所述第一电阻器(148)和所述第二电阻器(150)之间。
7.一种控制电动机(112)的系统(100)的方法(200),所述系统包括电源(114)、开关装置(116)、控制装置(118)以及晶闸管(124)，所述开关装置与所述电动机(112)串联连接以在“开”和“关”状态之间切换所述电动机(112)，所述控制装置用于控制所述开关装置(116)，而所述晶闸管(124)与所述电动机(112)串联连接，其中所述晶闸管的门极端子(126)由所述控制装置(118)控制，且所述方法包括如下步骤: 在正向电池极性条件中切换所述晶闸管(124)的状态使得所述晶闸管(124)传导电流(210);以及 在反向电池极性条件中切换所述晶闸管(124)的状态使得所述晶闸管(124)不传导电流(212)。
【文档编号】H02P7/00GK103795308SQ201310517519
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2013年10月28日 优先权日:2012年10月29日
【发明者】R·弗朗哥 申请人:德尔福技术有限公司