具有周期电源的电装置和用于检验电装置的电源的方法与流程

本发明涉及一种电装置，特别是一种具有周期电源的电机器，以及一种用于测试该电装置的电源的方法。

背景技术：

专利文献de102012209318a1公开了一种电装置，特别是一种电机器，其具有用电器、周期电源、至少一个脉冲传输器和分析装置。电源包括具有至少一个功率半导体开关的功率部件，并且该电源被设计为，基于至少一个功率半导体开关的被交替接通和断开，由一电压产生用于用电器的周期电压。功率部件具有至少一个流动路径，在电源工作时电流流经该流动路径。分析装置被设计用于，对来自脉冲传输器的信号进行分析，并基于所分析的信号来推断出功率半导体开关的功能优异度。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提出一种改进的可能性，从而能够在电装置的持续运行中更好地检验电装置的电子开关。

本发明的目的通过一种电装置来解决，其具有：

-用电器；

-电子开关，其包括电子开关元件和操控该电子开关元件的驱动装置；

-周期电源，其具有包括电子开关元件的功率部件并且被设计为：根据电子开关元件被交替地接通和断开，基于一电压产生用于用电器的电源电压或者供电电流，在此，功率部件具有流动路径，在电源工作时，属于电子开关的电子开关元件的电流流动经过该流动路径；

-至少一个脉冲传输器，其包括具有初级侧线圈的初级侧和包括次级侧线圈的次级侧，并且该脉冲传输器以其初级侧接入功率部件中，使得配属于电子开关的电子开关元件的电流流动经过初级侧线圈，在此，脉冲传输器在其次级侧上被弱地加载，使得施加在次级侧线圈上的次级侧电压至少近似地与属于电子开关的电子开关元件的电流的时间变化成比例；

-阈值判定器，其被设计为：将次级侧电压或者通过对次级侧电压进行过滤所产生的次级侧过滤电压与参考电压进行比较，该参考电压特别是对应于电子开关在完全功能优异时的电流的时间变化，和

-与阈值判定器相联接的分析装置，该分析装置被设计为：根据利用阈值判定器所实施的比较，识别出电子开关的潜在损坏。

本发明的目的还通过一种用于检验根据本发明的电装置的电源的方法来实现，该方法具有如下方法步骤：

-交替地打开和关闭电子开关元件，

-将次级侧电压或者次级侧过滤电压与参考电压进行比较，并

-基于该比较来推断出电子开关的潜在损坏。

根据本发明的装置例如是一种电机器，例如一种机器人，并且包括周期电源，该周期电源被设计为，向根据本发明的装置的用电器供应电源电压或供电电流。电源电压特别是被定时调节的电压，或者说供电电流特别是被定时调节的电流。

用电器特别是电感式用电器，优选为电子机械制动器。

电感式用电器例如也可以是继电器，或者是用于任意开关电源的功率传输器或者说功率电感的初级线圈，或者是与多级电桥电路(变频器)连接的电机。电子机械制动器例如使用在机器人中，用于特别是在紧急情况下将机器人的机器人臂的节肢之一制动。机器人通常具有机器人臂和控制装置。机器人臂具有多个依次设置并通过关节连接的节肢，以及用于使节肢彼此相对运动的电马达。

根据本发明的装置具有电子开关，该电子开关包括电子开关元件和用于操控电子开关元件的驱动装置。优选电子开关是半导体开关。在这种情况下，电子开关元件被构造为晶体管。晶体管特别是功率晶体管。

周期电源具有功率部件，该功率部件例如被构造为h桥。该功率部件包括电子开关的开关元件。该功率部件被设计为，例如根据电子开关元件被交替地接通和断开，基于一电压来产生用于用电器的电源电压或供电电流。

功率部件被设计为例如逆变器。

在电源或者说根据本发明的电装置的运行中，特别是通过驱动装置控制地来交替地关闭和打开电子开关元件。为此，正如本领域技术人员原则上公知的，电源包括例如合适的电子操控器件。该电子操控器件操控电开关的驱动装置，使得电子开关元件被相应地打开或关闭。

为了能够在电装置或者说其电源的持续运行过程中检验电子开关的功能优异度，特别是为了尽可能提前地识别出电子开关的驱动装置的初步或者潜在的损坏，设置脉冲传输器。

脉冲传输器是本领域技术人员所公知的。脉冲传输器包括带有初级侧线圈的初级侧。初级侧线圈配属有初级侧电感l1，并且初级侧线圈的匝数为n1。脉冲传输器还包括带有次级侧线圈的次级侧。次级侧线圈配属有次级侧电感l2，并且次级侧线圈的匝数为n2。脉冲传输器由此获得的初级侧相对于次级侧的转换比例为n1:n2，或者说次级侧相对于初级侧的转换比例为n2:n1。

脉冲传输器在初级侧连接功率部件，使得对应于电子开关元件的电流流经初级侧线圈。

例如，电子开关可以是流动路径的一部分，在电源运行中，对应于电子开关元件的电流流动经过该部分。在这种情况下，电流流经脉冲传输器的初级侧线圈，该电流也流经电子开关元件。

此外，根据本发明，脉冲传输器在其次级侧上被弱加载，使得施加在脉冲变换器的次级侧线圈上的次级侧电压至少近似地与对应于电子开关的电子开关元件的电流的时间变化成比例。

例如，脉冲传输器的转换比例n1:n2为1:20到1:100。当然，根据本发明，脉冲传输器不会如同大多数通常所做的那样作为具有定义工作电阻的变换器在次级侧上的通常作为电流变换器的电路中运行，而是在次级侧与被这样弱加载的输出相连接，从而使得脉冲传输器的初级侧(输入侧)区别于作为能量传输的变换器的电路地如同一个电感那样起作用(无负载的变换器)，在其初级侧上构造有与初级侧电流的变化至少近似成比例的初级侧电压。初级侧电压施加在初级侧线圈上。由此，根据脉冲传输器在次级侧或者说脉冲变换器的输出侧的转换比例来产生被提供用于测量的次级侧电压。

但是，该基本原则也可以在具有相对较高功率的应用中被使用(能量供应、电子网络频率变形、监控例如gto或者igbt)。

特别是基于以下公式来计算在待监视的电子开关元件上可定量分析的电流变化速度。

脉冲传输器的输出电压、即次级侧电压u2通过输入电压、即脉冲传输器的初级侧电压u1给出，即：

u2＝n2/n1*u1

在次级侧无负载的脉冲传输器的初级侧电压u1(输入电压)适用于以下公式：

u1＝l1*di/dt

其中，di/dt是流经初级侧的电流的时间变化。

这两个表达式结合起来为：

u2＝n2/n1*l1*di/dt

该公式至少近似地适用于根据本发明的装置的脉冲传输器，使得次级侧电压至少近似地与对应于电子开关的电子开关元件的电流的时间变化成比例。

根据本发明设有阈值判定器，该阈值判定器用于特别是当达到在流动路径中所规定的最小开关速度时，识别次级侧电压，该次级侧电压特别是与所选择的脉冲传输器共同作用，并且其技术数据与优选可自由选择的参考电压相比较。这样，在阈值判定器的输出处提供用于进一步分析的信号。通过分析装置对该信号进行分析。

在流动路径中所规定的最小开关速度可以是必需的，以便例如在周期功率电子电路中能够确保所使用的电子功率开关以相对较低的功率损耗运行。如果由于电子功率开关的驱动电路中的损坏或者由于电子功率开关本身的损坏而使得开关速度过慢，则可以预料到会出现较高的开关损耗功率，并且可能会出现升高了的并且很可能是破坏性的温度。

通过对开关速度的监视，可以在最终损坏或者大范围的构件或组件发生故障之前，识别出并处理即将来临的损坏。

例如，可以将唯一的脉冲传输器与输出侧的两个阈值判定器结合使用，以便既监视电子开关的接通过程(升高的电流变化di/dt＞0)，又监视电子开关的断开过程(降低的电流变化di/dt＜0)。由此，可以根据需要对所监视的电子开关进行相关差异诊断。

由此，特别是能够形成对电子开关的开关速度的监视。

阈值判定器例如是运算放大器、比较器或者双极晶体管。

此外，在了解待分析的开关速度的情况下，还可以借助于滤波器、特别是低通滤波器在次级侧例如针对暂时的相关干扰提供稳定性。一方面，脉冲传输器的设计允许对最小电流升高速度进行分析，另一方面，滤波器也使得特别是快速且短暂的事件发生衰减。由此，可以针对于相关的干扰脉冲来改进分析装置的稳定性。

根据电装置的一种变型，该电装置优选具有在次级侧后置连接脉冲传输器的低通滤波器，该低通滤波器被设计为，基于次级侧电压产生次级侧过滤电压。

根据电装置的一种实施方式，分析装置可以设计为，基于利用阈值判定器所实施的关于电子开关元件的接通或断开过程的比较，来识别电子开关的潜在损坏。亦即在发生潜在损坏的情况下，电子开关例如根据在电子开关元件自身或其驱动装置中可能的错误而比预设更慢地被开关。

优选阈值判定器产生一输出信号，如果次级侧电压或者次级侧过滤电压超过参考电压，则该输出信号发生变化。

优选将分析装置设计为，虽然是在电子开关接通或断开的过程中，但是当次级侧电压或者次级侧过滤电压始终低于参考电压时，可推断电子开关有潜在损坏。

因此，根据本发明的方法可以具有以下方法步骤：虽然是在电子开关接通或断开的过程中，但是当次级侧电压或者次级侧过滤电压始终低于参考电压时，可推断电子开关有潜在损坏。

附图说明

在示意性的附图中示例性示出了本发明的实施例。其中：

图1以透视图示出了具有机器人臂的机器人，

图2示出了电路原理图，

图3示出了电路的电路图，和

图4示出了根据图3的电路的模拟结果。

具体实施方式

图1以透视图示出了具有机器人臂2的机器人1。

在该实施例中，机器人臂2包括多个依次设置并通过关节连接的节肢。这些节肢特别是包括静止不动的或者可移动的支架3和相对于支架3围绕竖直延伸的轴a1可转动安装的转盘4。在该实施例中，机器人臂2的其他节肢包括摇臂5、悬臂6和优选为多轴的机器人手7，该机器人手具有例如被实施为法兰8的固定装置，用于固定未详细示出的末端执行器。摇臂5在下端部上，例如在未详细示出的摇臂轴承头上，围绕优选为水平的轴a2可枢转地安装在转盘4上。在摇臂5的上端部上，又围绕同样优选为水平的轴a3可枢转地安装有悬臂6。该悬臂在端部侧以其优选为三个的轴a4、a5、a6承载机器人手7。

为了使机器人1或者说其机器人臂2运动，该机器人以普遍公知的方式具有与控制装置10相连接的电驱动器。在图1中仅示出了该电驱动器的几个电马达9，这些电马达被固定在机器人臂2中或之上。电驱动器的功率电子器件例如设置在未详细示出的控制柜的壳体内，在该控制柜内例如还设有控制装置10。在该实施例中，电马达9是三相交流电机，例如三相交流同步电机。但是，功率电子器件也可以设置在机器人臂2中和/或之上。

在该实施例中，如本领域技术人员原则上公知的那样，功率电子器件包括：未详细示出的整流器，该整流器基于网络电压产生直流电压；同样未详细示出的、后置连接整流器的中间电路，该中间电路具有用于使直流电压平滑的中间电路电容器；和多个后置连接该中间电路电容器的变频器或逆变器。

在例如被实施为计算机的控制装置10上运行有运算程序，控制装置10在机器人1的运行中借助于该运算程序例如操控机器人，使得法兰8或者所谓的工具中心点执行预设的运动。控制装置10在必要时如同本领域技术人员原则上公知的那样调节电驱动器。根据需要调节电驱动器，并且控制装置10产生一额定信号，用于该被调节的电驱动器或者说其逆变器。

在该实施例中，机器人1包括用于制动各个节肢的电子机械制动器。该制动器被设计为，其借助于加载有电流的电感保持在解除状态下。如果电感被切断，则制动器被自动激活，并对机器人臂2的相应节肢进行制动。为此，制动器例如包括预紧的弹簧。图2示出了例如被设计用于制动转盘4的制动器的电感21。

为了在机器人1的运行中使制动器保持在其解除状态下，或者将制动器从其激活状态转入其解除状态中，在该实施例中，机器人1包括配属于制动器的周期电源。

在图2中部分地示出了配属于转盘4的制动器的周期电源20的电路图。因此，电感21表示一用电器，特别是用于电源20的电感式用电器22。

在该实施例中，电源20包括功率部件23和电子操控器件24，该电子操控器件被设计用于操控功率部件23。电子操控器件24例如是控制装置10的一部分。

在图2中被部分示出的电源21例如被设计为，其功率部件23被构造为仅部分示出的h桥。h桥是本领域技术人员原则上公知的。

在该实施例中，电源20的功率部件23包括多个电路径，在电源20的运行中，电流流动经过这些电路径。

在该实施例中，电源20包括至少一个电子开关25。电子开关25特别是被设计为半导体开关，优选为功率半导体开关，并且包括电子开关元件和操控该电子开关元件的驱动装置28。电子开关元件例如是晶体管27。该晶体管27能够以fet技术实现。该晶体管也可以是双极晶体管。

在该实施例中，功率部件23包括晶体管27，通常包括电子开关元件，还包括空载二极管26。

功率部件23例如由一电源电压供电，该电源电压特别是为直流电压，并且施加在第一节点k1上。这种电源电压例如是借助于整流装置和随后的滤波稳压由网络电压产生的。

在该实施例中，功率部件23的拓扑结构(topologie)如下：

空载二极管26一方面与第一节点k1连接，另一方面在截止方向上与第二节点k2连接。晶体管27一方面与第二节点k2连接，另一方面与第三节点k3连接。第三节点k3例如与参考电位连接，例如接地。

在第二节点k2和第四节点k4之间连接有制动器的电感21。

电感21是第一流动路径11的一部分，晶体管27是第二流动路径12的一部分，并且空载二极管28是第三流动路径13的一部分。

在该实施例中，在常规运行中，即，在制动器解除并由此不对相关节肢进行制动的运行中，晶体管27被交替地接通和断开。该晶体管特别是借助于脉冲宽度调整信号被接通和断开。

在该实施例中设计为，制动器在其解除状态下通过电源20来加载电流。由此使得电子开关25或其被构造为晶体管的电子开关元件以合适的方式借助于电子操控器件24被接通和断开，该电子操控器件产生脉冲宽度调整信号。为此，电子操控器件24以本领域技术人员原则上公知的方式来操控电子开关25的驱动装置28。

基于对电子开关25或者说其驱动装置28的操控，被设计为晶体管27的电子开关元件根据脉冲宽度调整信号在其导通状态或者说低欧姆状态和截止状态或者说高欧姆状态之间被交替地来回开关。

如前所述，当长时间地不再有电流经过制动器的电感21时，制动器被激活。这是通过电子开关25或者说其被设计为晶体管27的电子开关元件被持久地打开或者说被持久地维持在其截止状态下来实现的。

为了在机器人1的持续运行或者说常规运行中也能检验电子开关25的功能优异度，即，为了在制动器被解除的情况下也能检验电子开关25的功能优异度，在该实施例中，机器人1还包括脉冲传输器29。

脉冲传输器29包括具有初级侧线圈w2的初级侧，该初级侧线圈配属有初级侧电感l1并且匝数为n1。脉冲传输器29还包括具有次级侧线圈w2的次级侧，该次级侧线圈配属有次级侧电感l2并且匝数为n2。脉冲传输器29的传输比例为n1:n2(初级侧/次级侧)。

在该实施例中，脉冲传输器29与被设计为晶体管27的电子开关元件串联连接，由此使得第二流动路径12的电流i经过初级侧线圈w1并经过开关元件27。

脉冲传输器29在次级侧被弱地加载，从而至少近似地符合以下公式：

u2＝n2:n1*u1＝n2:n1*l1*di/dt

其中，u1是脉冲变换器29的初级侧电压，其被施加在初级侧线圈w1上；u2是脉冲变换器29的次级侧电压，其被施加在次级侧的线圈w2上。

因此，次级侧电压u2与流经被构造为晶体管27的电子开关元件的电流的时间变化至少近似地成比例。

在该实施例中，开关电源20包括阈值判定器30，该阈值判定器例如被设计为运算放大器。

阈值判定器30包括例如第一输入端31和第二输入端32，在第二输入端上施加有次级侧电压u2。在第一输入端31上施加有一参考电压uref作为参考信号。该参考信号可以是静态的，或者根据需要也可以在持续运行中调整为动态的。

阈值判定器30包括输出端33，在该输出端上施加有输出信号。该输出信号配属有两个逻辑值，也就是说，只要施加在其第二输入端32上的次级侧电压u2小于比较电压uref，则输出信号具有第一值。如果施加在第二输入端32上的次级侧电压u2大于参考电压uref，则输出信号具有不同于第一值的第二值。

如前所述的，至少近似地适用以下公式：

u2＝n2:n1*l1*di/dt。

在该实施例中，参考电压uref或者说参考信号被选择为：当通过晶体管27的电流i的时间变化超过预设值时，输出信号具有其第二值。该预设值属于完全功能优异的电子开关25。如果电流i在开关时缓慢地变化，则次级侧电压u2不超过参考电压uref，由此可以推断出电子开关25的初步损坏。

然后，可以利用分析装置34分析输出信号。该分析装置34可以是控制装置10的一部分。

还可以设计为，使脉冲传输器29与空载二极管26串联连接，从而对通过空载二极管26的电流的时间变化进行分析。该电流同样是属于电子开关元件25的电流。

通过对晶体管27的开关时间点的了解，分析装置34可以相对快速地识别出电子开关25的初步损坏。通过适当的设计，例如可以在200ns之内明显地更快。

脉冲传输器29的极性、其在晶体管27或者在空载二极管26的情况下的设置以及其连结在阈值判定器30上的方式均可以自由地选择，并且允许或者分析出接通过程的开始(负载电感的磁化、在电阻或电容负载中电流流动的开始)，或者分析出切断过程的开始(退磁、空载、切断其他负载)。

图3示出了计算机模拟形式的一种实施方式。电子开关25或者说其电子开关元件在此被模拟为可开关的电流源41，从而将电流源41的电流模拟为通过晶体管27、通常通过电子开关元件27的电流i。

脉冲变换器29的用于计算机模拟的数值如下：

l1＝200nf

l2＝80μf

n1＝1

n2＝20。

如图3中示出的计算机模拟电路图所示，脉冲变换器29在次级侧与低通滤波器接通，该低通滤波器具有第一电阻r1、第一电容c1和与第一电容c1并联的第二电阻r2。这些元件的数值如下：

r1＝100ω

r2＝10kω

c1＝1nf。

后置连接低通滤波器的是阈值判定器42，在该阈值判定器的输入端43上施加一电压。在该实施例中，针对第二电阻r2和第一电容c1并联一二极管d，从而在输入端43上仅施加正电压。

因此，施加在阈值判定器42的输入端43上的电压就是脉冲传输器29的借助于低通滤波器被过滤的次级侧电压u2′，在此，负电压值被二极管d过滤出去。

在该实施例中，阈值判定器42是一被控制的开关，如果施加在其输入端43上的电压大于等于参考电压，则该阈值判定器关闭。在该实施例中，参考电压是1.0v，因此，一旦次级侧过滤电压u2′大于等于1.0v，则开关被关闭，并且当次级侧过滤电压u2′小于1.0v时，开关又被再次打开。

阈值判定器42例如是双极晶体管，并且具有输出电压u。

图3的电路还包括第三电阻r3(220ω)以及第二电容c2(10nf)，它们分别通过其端子与节点k连接。第二电容c2的另一端子接地。

此外，还设有一电压源v，该电压源产生1.0v的直流电压。电压源v一方面接地，另一方面与第三电阻r3连接。

阈值判定器42的开关与节点k和地相连接。

由于当阈值判定器的输入端43上的次级侧过滤电压u2′小于1.0v时，阈值判定器42的开关是打开的，因此只要其输入端43上的次级侧过滤电压u2′小于1.0v，输出电压u就等于1.0v。如果输入端43上的次级侧过滤电压u2′大于等于1.0v，则阈值判定器42的开关关闭，并且输出电压u为零。

为了测试图3的电路，电流源41产生不同高度的电流i的脉冲(电流脉冲)，这在图4中示出。电流脉冲的上升和下降时间始终为1μs，从而可以根据不同的脉冲高度和始终相同的上升和下降时间来产生电流变化率di/dt的具有不同高度的脉冲，以检测工作原理。

电流脉冲通过脉冲传输器29的初级侧发出。两个电感l1和l2的比例(1:400)符合1:20的线匝数比例或传输比例。

脉冲传输器29的次级侧电压u2通过低通滤波器和二极管d被过滤和限制，但是值得注意的是却没有使得脉冲传输器29的输出端被加载，即没有在次级侧加载，并且显著地改变了脉冲传输器29的初级侧上的特性。

根据脉冲传输器29的数值可知：从电流i的变化为250ma/μs开始，就达到了1.0v的判定阈值，并且产生一可分析的信号(输出电压u)。

如图4所示，从脉冲传输器29的初级侧线圈w1中的电流i的变化为di/dt＝250ma/μs开始，就产生一输出信号u，该输出信号显示对于所选择的数例而言有足够快的电流变化。

在图4中示出的电流脉冲具有如下大小的电流变化率di/dt：25ma/μs；50ma/μs；75ma/μs；100ma/μs；125ma/μs；150ma/μs；175ma/μs；200ma/μs；225ma/μs；250ma/μs；275ma/μs；300ma/μs；325ma/μs；350ma/μs；375ma/μs；400ma/μs；425ma/μs；450ma/μs；475ma/μs；500ma/μs；

低通滤波器能够减弱相关的干扰，这些干扰会导致阈值判定器被意外地激活。