СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИ ПЕРЕКЛЮЧАЕМЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ
POWER SUPPLY SYSTEM AND METHOD TO CONTROL MECHANICALLY SWITCHED ELECTRIC MOTOR

Область техники
Настоящее изобретение относится к способу предоставления сигнала запуска в ответ на переключение механически переключаемого электродвигателя. Настоящее изобретение также относится к системе электропитания для механически переключаемого электродвигателя.
Предшествующий уровень техники
Механически переключаемые электрические двигатели, т.е. электродвигатели, где компоновка щетки и коллектора изменяет полярность тока в якорной обмотке, когда якорь вращается, в магнитных полях, создаваемых статором, хорошо известны в области техники. Магнитные поля в таких электродвигателях могут создаваться посредством постоянных магнитов или электромагнитов. Если магнитное поле обеспечивается электромагнитами, ток в обмотке, который создает магнитное поле статора, может обеспечиваться отдельным током намагничивания, или он может обеспечиваться тем же током, что и проходящий через якорную обмотку. Последний обычно называется универсальным электродвигателем, поскольку он также вполне подходит для переменного тока, пока частота переменного тока не слишком высока. Такой универсальный электродвигатель работает очень хорошо на большинстве обычно используемых частот переменного тока, таких как 16 2/3 Гц, 50 Гц или 60 Гц.
Механически переключаемый электродвигатель постоянного тока с постоянным магнитом является чаще всего используемым электродвигателем для небольших и средних электрических и электронных устройств. Следовательно, такие электродвигатели производятся в очень больших количествах, поскольку их изготовление очень дешево. Для управления такими электродвигателями хорошо известна подача тока посредством импульсно-модулированного тока.
Было сделано множество попыток определения переключения механически переключаемых электрических двигателей, например обеспечение электродвигателя индикаторами, такими как тахометры, или посредством подсчета импульсов тока питания к электродвигателю, т.е. колебаний тока питания, вызванных тем фактом, что ток в катушке не может изменяться мгновенно из-за обратной электродвижущей силы. Одна такая попытка описывается в документе EP-A-1772954. Такой подсчет импульсов труден, поскольку контакты коллектора обычно подают ток к нескольким обмоткам одновременно перекрывающимся образом.
Одна из причин потребности в определении переключения исходит из одного из хорошо известных недостатков механически переключаемого электродвигателя, т.е. образования электрической дуги, которая возникает, когда электродвигатель переключается. В каждый момент переключения, когда щетка прерывает контакт с сегментом коллектора, энергия, накопленная в обмотке электродвигателя в виде магнитного поля, вызывает электрическую дугу или пик напряжения между щеткой и сегментом коллектора, когда магнитное поле ослабевает. Это происходит не только во время обычного переключения, но также и в ситуациях, когда щетки отскакивают от вращающегося коллектора.
Электрическая дуга нежелательна по двум основным причинам. Первой основной причиной является то, что электрическая дуга формирует достаточно много высокочастотного электромагнитного шума, который испускается из электродвигателя, и может вызывать нежелательную электромагнитную помеху другим устройствам. Другой основной причиной является то, что электрическая дуга, которая состоит из горячей плазмы, вызывает механический износ электродвигателя, например его коллектора и щеток.
Краткое изложение существа изобретения
Задачей изобретения является детектирование переключения механически переключаемого электродвигателя для того, чтобы, помимо прочего, преодолеть проблемы, связанные с электрической дугой.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения эта задача решается способом предоставления сигнала запуска в ответ на переключение механически переключаемого электродвигателя, причем способ содержит этапы, на которых: предоставляют механически переключаемый электродвигатель, предоставляют электропитание для механически переключаемого электродвигателя через провода электропитания от схемы источника питания, предоставляют фильтр, подключенный, по меньшей мере, к одному из проводов электропитания, детектируют с помощью фильтра пик напряжения, возникающий при переключении, выводят из фильтра сигнал запуска.
Посредством использования такого фильтра становится возможным получать пик обратного напряжения, формируемый, когда импеданс увеличивается, поскольку щетка разрывает свое соприкосновение с проводящими пластинами коллектора при переключении. Изобретение реализует то, что, в отличие от колебаний при подсчете импульсов, этот обратный пик является легко детектируемым, поскольку его длительность и амплитуда могут даже вызывать пик с отрицательной полярностью по сравнению с напряжением питания.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения эта задача решается посредством системы электропитания для механически переключаемого электродвигателя, причем система электропитания содержит: схему источника питания, провода электропитания для подведения электрической энергии от схемы источника питания к механически переключаемому электродвигателю, фильтр, подключенный к проводам электропитания, линию для передачи сигнала запуска, выводимого из фильтра, в качестве сигнала остановки, к источнику питания, причем схема импульсной модуляции содержит средство для приема сигнала остановки и средство для временного прекращения электропитания к механически переключаемому электродвигателю в ответ на сигнал остановки.
Таким образом, возникновение электрической дуги может быть предотвращено, поскольку ток прерывается предпочтительно в твердотельных устройствах источника питания, а не на механических контактах коллектора.
Согласно первому предпочтительному варианту осуществления первого аспекта изобретения способ дополнительно содержит этапы, на которых используют сигнал запуска в качестве сигнала остановки к источнику питания, и временно отключают подачу энергии к механически переключаемому электродвигателю в ответ на сигнал остановки.
Согласно предпочтительному варианту осуществления способа согласно изобретению схема источника питания содержит схему импульсной модуляции, и сигнал остановки используется как сигнал сброса для схемы импульсной модуляции. Сбрасывая схему импульсной модуляции непосредственно на основе сигнала остановки от фильтра, могут быть достигнуты очень быстрый отклик и отключение электропитания и, таким образом, гашение электрической дуги при первом признаке ее возникновения.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления способа согласно изобретению схема источника питания содержит микропроцессор. Микропроцессор является универсальным и, кроме того, допускает протоколирование точного времени, когда происходит переключение.
Согласно другому предпочтительному варианту осуществления способа согласно изобретению предварительно определенную задержку функционирования схемы импульсной модуляции обеспечивают после сброса. Это гарантирует, что существует достаточное расстояние между коллектором и щеткой прежде, чем подача тока возобновится, таким образом, впоследствии предотвращается возникновение электрической дуги.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления согласно изобретению схема импульсной модуляции предоставляет энергию, модулированную по ширине импульса. Широтно-импульсная модуляция легко достижима с помощью микропроцессоров или схем мультивибраторов.
Согласно первому варианту осуществления системы электропитания согласно изобретению схема источника питания содержит схему импульсной модуляции и средство для приема сигнала остановки, который является входным сигналом сброса для схемы импульсной модуляции. Используя входной сигнал сброса для сброса схемы импульсной модуляции непосредственно на основе сигнала остановки от фильтра, могут быть достигнуты очень быстрый отклик и отключение электропитания и, таким образом, гашение электрической дуги при первом признаке ее возникновения.
Согласно дополнительному варианту осуществления системы электропитания согласно изобретению схема источника питания содержит микропроцессор. Микропроцессор является универсальным и, кроме того, допускает протоколирование точного времени, когда происходит переключение.
Согласно другому предпочтительному варианту осуществления системы электропитания согласно изобретению предоставляется предварительно определенная задержка функционирования схемы импульсной модуляции после сброса. Это гарантирует, что существует достаточное расстояние между коллектором и щеткой прежде, чем подача тока возобновится, таким образом, впоследствии предотвращается возникновение электрической дуги.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления системы электропитания согласно изобретению схема импульсной модуляции выполнена с возможностью обеспечивать энергию, модулированную по ширине импульса. Микропроцессор является универсальным и, кроме того, допускает протоколирование точного времени, когда происходит переключение.
В качестве дополнительного эффекта наличия возможности детектировать пики напряжения, происходящие при переключении, с помощью фильтра, используемого в настоящем изобретении, изобретение допускает детальное наблюдение за механически переключаемым электродвигателем.
Таким образом, согласно третьему аспекту, выраженному в дополнительном предпочтительном варианте осуществления изобретения, предоставляется способ, дополнительно содержащий этапы, на которых идентифицируют и сохраняют посредством микропроцессора временную информацию о возникновении пиков напряжения для множества переключений с тем, чтобы определять шаблон.
Такой шаблон временной информации о пиках напряжения предоставляет индивидуальную характеристику для механически переключаемого электродвигателя, позволяющую, среди прочего, детектировать основные дефекты, такие как неисправность обмотки электродвигателя.
В предпочтительном варианте осуществления третьего аспекта изобретения временная информация содержит временной интервал между пиками напряжения. Любой механически переключаемый электродвигатель имеет незначительные различия в интервале контактных пластин коллектора. Они легко детектируются с помощью способа изобретения и соответственно могут быть использованы в качестве индивидуальной характеристики. Например, одно из переключений может служить в качестве контрольного, таким образом, допуская простое вычисление числа полных оборотов или допуская идентификацию того, какая отдельная обмотка повреждена.
В дополнительном предпочтительном варианте осуществления третьего аспекта изобретения временная информация содержит ширину пиков напряжения или даже форму кривой пиков в течение их соответствующей длительности. Это дополнительно помогает в детектировании неисправностей, поскольку позволяет, например, детектировать износ, среди прочего, кромок пластин коллектора, поскольку это будет влиять на возникновение пика напряжения.
В более предпочтительном варианте осуществления способа согласно третьему аспекту изобретения способ содержит этап, на котором детектируют последовательные пики напряжения и сравнивают соответствующую временную информацию, относящуюся к пикам, с шаблоном. Таким образом, могут быть детектированы любые изменения в механически переключаемом электродвигателе в течение его срока службы, и могут быть предприняты предупредительные меры, если упомянутые последовательные пики не соответствуют упомянутому шаблону.
Согласно предпочтительному варианту осуществления третьего аспекта изобретения предупредительные меры содержат выдачу предупреждения. Предупреждение может затем предоставлять возможность предпринимать дополнительные предупредительные меры, например замену механически переключаемого электродвигателя перед окончательным отказом.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления угловое положение механически переключаемого электродвигателя определяется на основе детектирования последовательных пиков напряжения. Наличие идентифицируемого эталона позволяет электродвигателю возвращаться в предварительно определенное угловое положение, даже если отслеживание индивидуальных переключений было потеряно, например, если якорь электродвигателя движется во время аварийного отключения питания или любого другого отключения электропитания.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 схематически изображает коллектор и щетку в первом положении;
Фиг.2 схематически изображает коллектор и щетку во втором положении;
Фиг.3 схематически изображает коллектор и щетку в третьем положении;
Фиг.4 схематически изображает микропроцессор управляемого механически переключаемого электродвигателя с фильтром для детектирования переключения;
Фиг.5 изображает схему фильтрации для детектирования переключения;
Фиг.6-9 изображает формы кривых сигналов, измеренных в различных точках в схеме фильтрации на фиг.5;
Фиг.10 схематически изображает механическое переключение со схемой фильтра для детектирования переключения.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
Фиг.1 изображает очень упрощенную схему структуры коллектора механически переключаемого электродвигателя 1, который используется на фиг.3 и 4. Коллектор - это поворотный переключатель, который изменяет полярность тока, подаваемого к намагничивающей обмотке 2 электромагнита, и, таким образом, ее полярность. Поскольку коллектор вращается, он обычно является цилиндрическим, но в целях иллюстрации, он здесь показан линейным. Схематически иллюстрированный коллектор содержит подложку 3, которая вращается с якорем электродвигателя в направлении, указанном стрелкой W. На поверхности подложки располагается ряд контактных пластин 4, 5, разделенных зазорами 6, 7. В целях иллюстрации показаны только две контактные пластины 4, 5. Контактные пластины 4, 5 входят в контакт с двумя щетками 8, 9, так что ток течет от источника питания (не показан), подключенного к проводу 10 подачи тока, через щетку 8 к контактной пластине 4. С контактной пластины 4 ток течет через намагничивающую обмотку 2 к другой контактной пластине 5 и через другую щетку 9 и возвратный провод 11 назад к источнику питания. Во время вращения коллектора щетка 8 зацепляет контактные платины 4 и 5 попеременным образом, в то время как другая щетка 9 зацепляет соответствующие другие контактные пластины. Посредством чего полярность намагничивающей обмотки 2 реверсируется и возбуждает электродвигатель 1.
На фиг.2 показано, что подложка 3 переместилась влево в направлении стрелки W, так что щетка 8 вошла в контакт с контактной пластиной 5 и почти вышла из контакта с контактной пластиной 4. Аналогично, щетка 9 почти вышла из контакта с контактной пластиной 5. Хотя не иллюстрировано, щетка 9 войдет в контакт со следующей контактной пластиной. Если структура коллектора имеет только эти две контактные пластины 4, 5, она, таким образом, войдет в контакт с контактной пластиной 4.
В момент, когда щетки 8, 9 выходят из контакта с контактными пластинами 4, 5, существенная магнитная энергия остается накопленной на намагничивающей обмотке. Эта энергия вызывает пик напряжения с достаточным напряжением, чтобы инициировать электрическую дугу 12 между контактной пластиной 4, 5 и соответствующей щеткой 8, 9, как иллюстрировано на фиг.3. Более того, накопленная энергия достаточна, чтобы поддерживать электрическую дугу 12, даже когда расстояние между контактной пластиной и соответствующей щеткой 8, 9 увеличивается, таким образом, вызывая мощную электрическую дугу 12, которая формирует электромагнитный шум и испаряет материал с кромок контактных пластин 4, 5.
В настоящем изобретении реализовано то, что пик напряжения может быть детектирован с помощью соответствующей фильтрации и что с помощью этого детектирования электрическая дуга 12 может быть погашена прежде, чем она фактически начинает возникать. В частности, настоящее изобретение предоставляет схему фильтра, которая допускает четкое и достоверное детектирование конкретных пиков напряжения от переключения, даже если электропитание является импульсно-модулированным.
Фиг.4 схематически иллюстрирует примерную схему для гашения электрической дуги 12 в коллекторе. Электроэнергия из внешнего источника питания (не показан) подается к микропроцессору 13 по питающему проводу 14. Микропроцессор выполнен с возможностью и запрограммирован для вывода импульсно-модулированной серии импульсов, например модулированной по ширине импульсов серии импульсов по питающему проводу 10 к механически переключаемому электродвигателю 1. Специалист в данной области техники поймет, что если номинальная мощность механически переключаемого электродвигателя 1 превышает максимальную выводимую мощность, которую микропроцессор 13 способен предоставить, может быть использована схема возбуждения, чтобы усиливать импульсно-модулированную серию импульсов. Специалист также поймет, что другие способы формирования импульсно-модулированной серии импульсов могут быть применены, например вариант осуществления мультивибратора, использующий микросхему мультивибратора, и что детали, объясненные ниже относительно микропроцессорного варианта осуществления, могут также быть применены в варианте осуществления с мультивибратором.
Как может также быть видно из фиг.4, фильтр 15 подключается к проводу 9 питания. Фильтр 15 отфильтровывает пики переключения и предоставляет выходной сигнал, который подается на вход микропроцессора 13 через линию 16. Следует отметить, что фиг.4 является схематической и что фильтр 15 необязательно подключается только к проводу 9 питания в одной точке. В показанном варианте осуществления вход микропроцессора 13, на который подается выходной сигнал, является контактом сброса. Таким образом, когда возникает пик при переключении, микропроцессор сбрасывается и, в результате, немедленно, т.е. в течение наносекунд, останавливает подачу электроэнергии к механически переключаемому электродвигателю. Это гасит электрическую дугу прежде, чем она фактически начинает образовываться. К моменту после сброса, когда микропроцессор возобновляет подачу импульсно-модулированного тока к электродвигателю, значительная часть энергии намагничивающей обмотки рассеялась, и воздушный зазор 6, 7 между контактными пластинами 4, 5 и щеткой 8, 9 вырос достаточно, чтобы предотвращать повторное зажигание электрической дуги. Если необходимо, может быть запрограммирована достаточная задержка в микропроцессоре 13, чтобы обеспечивать это.
Как будет объяснено дополнительно ниже, входной сигнал фильтра 15 может вместо этого подаваться на другие входы микропроцессора для анализа пиков и т.д.
На фиг.5 иллюстрируется примерный фильтр 15 согласно настоящему изобретению. Фильтр 15 подключается к проводу 10 питания в двух точках 17, 18 по обе стороны от измерительного сопротивления 19. Измерительное сопротивление 19 не обязательно должно быть дискретным компонентом, а может быть составлено посредством соответствующей длины провода 11 питания.
Фильтр 15 содержит три фильтрующих элемента, иллюстрированных с помощью блоков с прерывистыми линиями, т.е. мост 20 Уитстона, низкочастотный фильтр 21 и дифференциатор 23. Дополнительно фильтр необязательно содержит два усилителя, также иллюстрированных с помощью блоков с прерывистыми линиями, т.е. усилитель 22 для усиления выходного сигнала от низкочастотного фильтра 21, и задающую схему 24 для усиления выходного сигнала от дифференциатора 23.
Функциональность фильтра 15 на фиг.5 иллюстрируется на фиг.6-9 посредством форм кривых, измеренных в различных точках в фильтре 15 во время питания механически переключаемого 8-полюсного электродвигателя постоянного тока от фирмы Mabuchi.
На фиг.6 форма верхней кривой показывает нефильтрованный сигнал через измерительное сопротивление 19, измеренный между точками 17, 18. В конкретных показанных измерениях измерительное сопротивление 19 было просто 15-сантиметровым проводом 11 питания. Дискретный компонент 19 сопротивления не использовался.
Форма нижней кривой на фиг.6 показывает сигнал, измеренный между точкой 17 и точкой 25 вывода сигнала с левой стороны от моста 20 Уитстона.
На фиг.7 форма верхней кривой показывает тот же нефильтрованный сигнал через измерительное сопротивление 19, измеренный между точками 17, 18, что и форма верхней кривой на фиг.6.
Форма нижней кривой на фиг.7 показывает сигнал, измеренный между точкой 17 и контрольной точкой 26 с правой стороны от моста 20 Уитстона.
Фиг.8 иллюстрирует формы кривой, измеренные между точкой 25 вывода сигнала и контрольной точкой 26 моста 20 Уитстона и заземлением 27 соответственно. Форма верхней кривой выбрана между точкой 25 вывода сигнала и заземлением 27, а нижняя выбрана между контрольной точкой 26 и заземлением 27.
Выходные сигналы из точки 25 вывода сигнала и контрольной точки 26 моста 20 Уитстона соответственно подаются на низкочастотный фильтр 21 и усилитель 22.
Форма верхней кривой на фиг.9 иллюстрирует отфильтрованный по нижним частотам выходной сигнал из усилителя 22, измеренный между выходным контактом 28 и заземлением 27.
Выходной сигнал из усилителя 22 подается на дифференциатор 23, который выдает форму нижней кривой на фиг.9. Может быть видно, что эта форма кривой содержит один отчетливо выраженный пик 29 для каждого переключения, который легко доступен в качестве, например, сигнала сброса для микропроцессора 13. Внимательно глядя на форму отдельных пиков 29, специалист поймет, что существуют не только четко выраженные пики 29, но фактически имеются индивидуально различимые признаки в регулярном шаблоне, соответствующем 8-полюсному механически переключаемому электродвигателю.
Исследование показало, что такой регулярный шаблон существует для всех механически переключаемых электродвигателей и является уникальным для каждого отдельного электродвигателя, отражая различия в процессе переключения для каждого полюса. С помощью микропроцессора, как иллюстрировано на фиг.10, где выходной сигнал из фильтра 15 доставляется предпочтительно на другой вход 16', а не на вход 16 сброса, возможно записать этот шаблон для каждого отдельного электродвигателя, создавая, таким образом, индивидуальную характеристику того, как электродвигатель переключается. Это особенно интересно, когда каждый электродвигатель снабжен собственным интегрированным контроллером на базе микропроцессора. Имея доступный микропроцессор 13, шаблон, включающий в себя характеристики каждого пика переключения, может быть записан и сохранен для каждого произведенного механически переключаемого электродвигателя 1. Наличие шаблона и характеристики, сохраненных для механически переключаемого электродвигателя 1, предоставляют возможность идентификации всех изменений в электродвигателе. Например, если одна намагничивающая обмотка отказывает, отсутствующий пик будет легко детектируемым. Однако, поскольку характеристики пиков также записываются и сохраняются, становится возможным наблюдать за износом в отдельном коллекторе в течение срока эксплуатации переключаемого электродвигателя 1. Также становится возможным определять контрольную точку для электродвигателя 1, например, посредством определения одного легко различимого переключения в качестве эталона, или даже посредством изготовления электродвигателя 1, чтобы он имел такое легко различимое переключение. Последнее может быть сделано посредством создания одного воздушного зазора 6, 7 между контактными пластинами 4, 5 коллектора, более крупным, чем другие, что дает в результате временное смещение пика переключения относительно других, по существу, равноудаленных пиков.
Более того, может быть использован сигнал запуска, чтобы запускать другое измерение, такое как определение формы волны тока питания между последовательными переключениями, для того, чтобы улучшать дополнительную полезную информацию для получения характеристик механически переключаемого электродвигателя.
Хотя вышеприведенное описание было дано на основе конкретных примерных вариантов осуществления, специалист поймет, что возможны многочисленные отклонения и варианты в рамках изобретения. Таким образом, специалист поймет, что фильтры, отличные от аналогового иллюстрированного фильтра, возможны и, в частности, части фильтра могут быть реализованы как цифровой фильтр в микропроцессоре или подобных компонентах. Специалист также поймет, что источник питания должен пониматься в самом широком смысле и может, среди прочего, просто содержать источник энергии с или без модуляции и простой электронный переключатель, управляемый выходным сигналом фильтра.