CN1035399A - 具有实用电制动器的电驱动装置 - Google Patents

Abstract

具有实用电动制动器的电驱动装置，通过使用设定装置(26)控制的以脉冲方式产生短接的制动调节器(9′)或者通过一个电流调节器(9)以可变的脉冲比来短接。该电流调节器(9)通过一个开关装置(21，22)与电机串联或并联，并与空载二极管(8)串联，其中，制动调节器控制一个产生和中断短接、任意接通/和切断的开关，电流调节器打开被指定的开关，或者这两个调节器用一个0-100％以下的值之间的脉冲比打开被指定的开关。

Description

本发明涉及一个具有实用制动器的电驱动装置，它有一个用作电动机和发电机运转的电动机和一个可与其连接的蓄电池，其中蓄电池经电流调节器与电动机连接，电动机与一个空载二极管并联，而电流调节器与一个电极反向连接的二极管并联。此电流调节器可用一个与调节装置相联的控制电路来控制，它以可变化的脉冲比脉冲式地改变用来控制电动机与电源的联接的、可任意接通和断开的开关的开关状态。

这样一个驱动装置已为人们所了解，例如，GB-PS    1486012，此装置涉及到的是一辆具有电子辅助驱动的自行车，在上述自行车上，一旦由于提供了机械能，例如：脚踏或下坡行驶，电机转数超过经手操纵设定装置所设定的转数，就能实现通过反向连接的二极管给蓄电池向回充电。此时，电机用作为发电机。在电流调节器的脉冲间隙期间，电流调节器此时控制着电机的行驶电流，它成为流经二极管通向作为电源的蓄电池的电流。根据能量守恒定律，它产生自行车的制动动作，然而这种制动作用相当弱，因而在制动开始时，制动功率基本上必须通过车轮的机械制动而产生。

然而，本文一开始提及的驱动装置，不仅仅用在自行车上，也可用于其它目的，例如：用于经常改换运行方向的设备驱动，对于这些设备特别是当需要较大的制动功率时机械制动装置暴露出严重的缺陷。

本发明的目的在于排除这些缺陷，建议使用一开始提到的那种驱动，它以简单的方式实现驱动的快速制动，并且，是以其简单结构为标志的。

依照本发明能达到这种目的，电机用众所周知的方式，通过一个用设定装置可控制的，以脉冲方式产生短接的制动调节器或者通过一个电流调节器以可变化的脉冲比来短接，该电流调节器通过一个开关装置与电机串联或并联并与空载二极管串联，制动调节器控制一个产生并中断短接的，任意接通/断开的开关，电流调节器打开指定的开关，更确切地说，这两个调节器用0和100%以下的值之间的脉冲比打开指定的开关，此时，机械能可供给电机，其上安装有测电机实际值的传感器，此传感器与一个装有控制电机的电机/发电机的额定值发生器的比较电路联在一起，此电路与这个或这些调节器连接。

采用这些措施就保证能够达到很高的制动转距，以致可以放弃机械的制动，或阻力制动。这两种方法从散热的角度来看是存在问题的，并需要采取相应的预防措施。

在运转的电动机制动时，或在其制动动作中，脉冲式地出现的或施加的制动能量被存贮在电机的电感之中，并根据能量守恒定律，在脉冲间歇期间中通过与电流调节器并联的二极管被反馈给电源。

为了达到高的制动转矩，脉冲比可被提升到很高的程度，此时，重要的是：它不能够达到100%并且电机持续地保持短接，但脉冲比完全能够达到如99%。

通过DE-OS3304288虽然已经证实了具有一个通过制动回路-可控硅控制的电阻制动回路，此回路也包括一个电抗器，一个同样使用一个可控硅控制的空载回路，此回路系一个由可控硅和一个二极管组成的串联电路，该电路与制动电路-可控硅的串行电路并联且和制动电阻相接。另外，还有一个可控硅，通过它和一个R/C驱动装置电路便可以与电网相接。

运用这个众所周知的电路虽然能够获得高的制动转矩，但此时电制动只能在有限的范围内得以实现。此外，这种电路的可控性并不是特别灵敏的，因为在可控硅方面只涉及到开关运用，虽然这些开关可以任意接通，但不能任意关闭。另外，从需要二个电抗器来说，这种已知的电路花费相当大。

而通过采取本发明的措施能得到这样的好处，通过设置这两个调节器或一个调节器，在它的两种工作方式中，电机到发电机操作的过渡由于有一个共同的额定值发生器，而取决于额定值发生器的位置，其中，在电机运行中，额定值较高时，只得到一个小的滞后作用，直至制动动作，相反，在小额定值的运行时，这个滞后作用较大。由此而产生一个很好的人类工程学，它很适用于在交通工具中使用有关发明的装置。

另外，可以考虑到，电流调节器与制动调节器的控制电路或它的控制电路均使用一个共同与电源并联的电位器的中间抽头，此中间抽头构成调节装置，并且联接与电机并连的分压器的中间接头。

此时，电位器中间抽头的位置给出电机转数的额定值，当电位器的中间抽头处于“驱动”的范围内时，电流调节器的控制电路被启动，此电机被脉冲式地与电源相连，如与一个蓄电池相连，这就产生通向电机的电流，接着通过电机做机械功，其中，此电流随着上升的转数和由此而上升的反电动势而减少。

当机械能进入到***时，就如同例如在车辆中装入的驱动装置在下坡行驶中的情况，电机的反电动势可能等于或大于用电流调节器脉冲式输入的电压，因此，由电源取出的电流就会中断，电源在这种情况下往往是由一个蓄电池组成的。

每当接有电源总电压的电机空载转数被超过时，电机的反电动势就超过电源电压，这就产生通过与电流调节器并联的电极反接的二极管的充电电流。由此，在全电压运行时，或在电机空载转数被超过时，例如在下坡行驶时，便产生一个不可控制的制动，它对整个***起稳定作用。

当用调节装置，如一个电位器，设定的电机转数被超过时，此时这个转数可能被设置的相当低，就会导致在由于受电路过程决定的感应电压转换基础上同样形成流向电源的反向电流，但此时，在这个范围内电流的控制能够通过调节装置来实现。

相反，当电位器的中间抽头被拨到制动范围内时，制动电流调节器的控制电路被启动，它脉冲式地短路电机，此刻它作为发电机工作，并产生相当高的制动效果。

在此运转方式下为了避免电流同时输入电流调节器，可以考虑为电流调节器的控制电路配备一个联锁电路，该电路与电位器的中间抽头和电机连接，它在对应于制动运行的电位器中间抽头位置上被启动，在闭锁工作中联销电路封锁电流调节器的控制电路。

以此方式就保证了在制动运行中蓄电池停止向电机提供电流，因此也保证了在全部制动运行期间电机作为发电机用，其中，在每次制动调节器中断短路回路的时间里电流能够流向电源。此时，根据受制动调节器瞬态过程制约感应的电压升高，在较小的转数时已有电流流动，例如：给作为电源的蓄电池充电。

现在根据示意图进一步说明本发明，其中图1图示出用于具有辅助驱动器的自行车的本发明驱动电路。

图2示出电流/制动电流调节器的控制电路的结构，以及

图3示出另一个实际例子-具有本发明的驱动控制。

用于显示充电/放电，具有指针在中间零位置的安培表6串接到蓄电池5。另有一个构成线路自动开关的主开关1串联到蓄电池5，通过一个开关20设备照明21，22自行车的车头灯23以及它的后灯24均可接在它的上面。此外，在主开关1上接有一个电压表25。

另外，在主开关上，此开关在自行车处于启动准备状态时被接通，还接有另一个电位器26，可用旋钮调整中间抽头，和一个电流调节器9，该电流调节器与电机7串接。

对于低转速电机7采用永久磁性电机更适用，并具有一个与线圈17并联的空载二极管D_F。可以将电机7以其有益的方式接在一个齿轮上，该齿轮用一条链与一个同自行车车轮固定连在一起的齿轮相连。

避开主开关1，有一个电极反向连接的二极管8被直接串联到蓄电池5和电机7。通过它充电电流随时可以输送给蓄电池5，以下还将讲到这一点。

充电电容27以及二极管28，29被接到电位器26的中间抽头上。

与二极管28串联着一个电键开关3的触点30，该触点在表示有“行驶”位置为一个光电耦合器34接通电流路径，光电耦合器的发光二极管通过一个电阻被接到与电机7并联的电压分配器35，36的中间接点上。为了平滑电压波动，在其附近还安装了一个充电电容37。

当电位器26的中间抽头比电压分配器35，36的中间连接点位于一个较高的电位上时，就会产生通过光电耦合器34的二极管的电流流动，而与此连接的晶体管11就受到控制，因此，正如以后还将说明的那样，电流调节器9的控制电路10就被启动，其中，用一个未表示出来的电流源直接连接此控制电路10。根据流经光电耦合器34的二极管的电流强度，它取决于电位器26中间抽头的位置和电机7的电动势，电流调节器9以一个介于0-100%的之间的脉冲比一同被接通，这就保证了电机7的供电。因此，电机7负责自行车的继续运动，或者当机械能，例如脚踏自行车踏蹬，进入这个***时，支持它。同时，从纯粹的电机7驱动，经过混合的驱动，到纯粹的脚踏或下坡行驶这种平滑的过渡是可能的，当由于机械能量相应不断地进入到这个***之中，电机达到一个转数时，在此转数下其反电动势大到在电压分配器35，36的中间抽头上达到一个电位时，此电位不再满足维持从电位器26的中间抽头到电压分配器35，36的电流，最后才能实现电流调节器9不再被启动而被锁闭。同样，当完全在行驶范围内控制的电位器26超越电机7的空转数时，也会出现这种情况，此时便产生一种不可控制的电制动。

同样，光电耦合器38与二极管29串联在一起，它的二极管经过同样的电阻，如同光电耦合器34的二极管，与充电电容37和电压分配器35，36的中间接点相连。当电压分配器35，36的中间接点处于比电位器26的中间抽头更高的正电位时，就产生流经光电耦合器38的二极管的电流，与此相连的晶体管11′就得到控制，从而启动制动电流调节器9′的控制电路10′，它又短接电机7，短接时使用由电位器26的中间抽头的位置决定的在0-100%内变化的脉冲比。因此，在制动电流调节器接通期间电机7作为被短接的发电机来工作，并在同时的电能反馈时产生一个相当高的制动转矩。

在经过二极管29构成一种电流时，锁闭电路也不被启动，此电路封锁电流调节器9的控制电路10，并保持电流调节器处于锁闭状态。

此锁闭电路具有一个分压器39，40。这个分压器与电机7并联，并在它的中间接点上，通过一个电阻接有光电耦合器41而且是接在其二极管两极上，此光电耦合器41在电流流经它的二极管时将一个控制电路10的禁止接线加到电流调节器9的源电极上，并在被接通的状态中抑制所有的电流调节器的控制脉冲，以致不能接通这个调节器。

光电耦合器41的二极管屏阴极间间隙是与二极管29以及一个充电电容43相连的。

电流调节器9，9′控制脉冲的脉冲比/或脉冲占空因数取决于晶体管11或11′的控制，这些晶体管又由光电耦合器34或38控制，这些光电耦合器又由电位器26中间抽头的位置而定，当然此时在电机7上形成的电压，或是由其产生的电动势也同时影响到光电耦合器34，38的控制。

控制电路10，10′的结构是完全相同的，因此，下面只描述控制电路10。

从耗能的角度考虑，控制电路10采用的是C-MOS技术。为了保证整个设计中尽可能简单，选用了一个集成电路，它含有6级反向施密特触发器功能。

这个IC中的2级被接到一个RC-振荡器，脉冲时间由C₃-R₃D₁分路决定，即脉冲间歇时间是通过那些对晶体管11的控制决定的电阻以及C₃和D₂来决定的，其中对晶体管11的控制最终取决于电位器26中间抽头的位置，从而取决于旋转柄的位置，此振荡器作为不稳定的多谐振荡器振荡。但由于它在行驶/制动调节器上没有外电阻，只可能在很低的频率上振荡，因此，通过在输出端C至返回支路e间端接R₄就可避免这个振荡。

因此，只有当在d和e之间有端接电阻时，振荡器才能振荡，d和e被短接时输出端C被接通（DC操作）。

振荡信号到达IC其余4级并行输入端，它们每个端接一个电阻一起接成一个4倍的驱动器。通过在输出端确定的端接电阻它稳定地工作，并且同时为MOS功率晶体管的栅电容提供低欧姆的充电脉冲，这个功率晶体管在此设定直流调节器9中的功率。控制脉冲越长或它的数字越大，这就是说，接通时间与间歇时间的比就上升，马达功率也就越高。

电源中的电解电容用作输出脉冲的低欧姆电源，并与电容C₂一起直接焊接在IC的脉冲接点十上（避免引线电感）。

电容C₂用于抑制高频振荡，电阻R₁为整个电路的保护电阻，控制电路10，10′被直接接在控制电压源（未表示出），例如：钮扣电池。

电流调节器9，9′基本上是由一个自锁N沟道功率场效应晶体管组成的，为防止过压，它接有一个压敏电阻VAR和一个稳压二极管ZD。二极管8和DF同时为电流调节器9，9′去负荷，为此使用快速二极管。

当电键开关3被设置成“停车”时，二极管28至光电耦合器34间的电流回路便被中断开。电流调节器不能被启动。光电耦合器38及它的二极管回路被接地。因此，阻止了蓄电池5的电流启动电机7，并当电机7被启动，作为发电机工作时，便产生流经分压器35，36，光电耦合器38中的二极管电流，经电键开关3的触点31接地，但对晶体管11′起控制作用，由此而启动直接与控制电流源相连的控制电路10′，控制电路10′控制着制动电流调节器，因此，作为发电机工作的电机7被短接，并产生相应的制动转矩。

使用具有本发明的自行车能够达到4个运行状态：

纯粹的骑车，此时，锁开关在两个关闭触点的中间位置，当超过一定的速度时由于电池的充电，产生电制动，此时的电位器26位于最大行驶位置。

电机支持的行驶，此时纯粹的电机运行到脚踏运行，以及相反可无级地相互转换。电键开关位于“行驶”的位置，同时，旋转柄可以是在每一个位置上，纯电机行驶，电键开关3位于“行驶”上，旋转柄在任意位置上。

纯运行，电键开关3位于中间，旋转柄可以在除了全加速以外的任意位置上，这就是说，脚踏克服制动阻力，即此阻力可以通过使用旋转柄或电位器26无级控制的电制动调节，其中除了一个电位器26的位置，最大制动位置以外，蓄电池5可实现充电。

根据其目的，电机7在大约150瓦时拥有一个相对应的转矩而且低电耗，按本发明的控制特性有可能实现通常的脚踏/和附加的电机趋动相互的无级转换。由一个与电位器26相连的旋转柄控制的电机调节允许连续地取出与输入的机械能相当的电能，它表明一种电子的空转，此外制动功率是无级可调的，这个功能无论是在行驶中还是在制动动作中均能得以保持。这就是说，在行驶中，对恒定的速度能够控制电机功率，在制动动作中，（下坡行驶），对恒定速度能控制制动电流。电子电路包括三个基本功能，第一个基本功能是不可关断的紧急制动动能，此功能只有当电机作为发电机被驱动到空转数以上的时候才进行动作，这就是例如在极限速度约为28km/h时的情况，第二个和第三个基本功能，当用旋转柄控制电位器26时的旋转柄的旋转方向自动引出这些功能，进入正的旋转方向，这就是说，电机范围处于身体旁，这样，电机电流旋转地增加，危及人体，由此，从旋转柄的每个X任意位置来看，按其反方向旋转，大约是10′旋转角度磁滞现象，就不会发生任何事，从这一点开始，按反方面旋转，逐渐被制动，这就是说，越向全制动方向旋转旋转柄，按其旋转柄的旋转角度电机电流就越大，由此同时产生旋转柄自动的紧急（（Notergonomie），即在机械制动时，通过人体的延迟运行自行地熄火，并进入电子制动，同时，电子制动可以从旋转柄的每个位置开始，既使在最大行驶位置时也可以开始，这种微小的滞后现象是由二极管决定的，它们位于由电位器26和分压器35，36组成的桥式电路的对角线中，但完全可以设计出较大的滞后。为此有必要例如通过在其间串联一个稳压二极管来偏置分压器35，36。

根据由电位器26和分压器35，36形成的桥式电路，能够从旋转柄的每个位置引入制动，这时就可根据电动机的转数得出一定的电动势，从而在分压器35，36中间抽头上得到一定的电位，只要在电位器26的中间抽头上取得的电位比分压器35，36上取得的电位更正一些，在电键开关3的“行驶”位置上则只有光电耦合器34被启动，而不是光电耦合器38，如果将旋转柄从而使电位器26的中间抽头向“制动”方向旋转，那么在电位器26的中间抽头上会取得一较负电位，一旦它比分压器35，36的中间抽头更负时，流经光电耦合器34的电流就被截止，而取代的是产生流经光电耦合器38的电流，由此使制动电流调节器9′启动。

由电位器26和分压器35，36组成的桥式电路，在它的对角线中有二极管28，29和光电耦合器34和38的二极管，包括与它们串联的电阻并组成相互抵销的电流通路，能够在额定/实际值比较后实现电路的再调节，旋转柄调节器或电位器26产生额定值，那些电动机或发电机值作为实际值，电动机或发电机值通过分压器35，36被匹配给发生器的相应的旋转角度。

由于光电耦合器34，38接在同一个的分压器35，36上，在行驶时就被禁止电流流经二极管28，因为在这种情况下这些耦合器处于反向，因为在电位器26上比在分压器35，36上只能取得更高的，或更低的电位。

实际上，制动电流回路和感应回路不可能被主开关1中断，主开关同时也是线路自动装置，这样，既使没有接通主开关，在纯粹的自行车行驶时也保证了正常的制动，或紧急制动功能。

在图3的结构形式中，画出了一个带有实用电制动器的电驱动装置，只计划使用一个电流调节器9，它通过两个开关21和22有选择地串接到电动机17上，和同时并联到空载二极管8（位置B）上，或并联到电动机和同时串联到空载二极管8（位置Y）上。

原则上来说，电流调节器9的构造与图1中那个电流调节器相同，其中，同样使用一个开关实现电流路径的接通，用此开关，可以将这个电流路径有选择地和任意地接通和中断。

此电流调节器9的控制是用控制电路10，10′来完成的，此电路用一个脉冲群打开电流调节器，它的脉冲比在0至100%之间。

控制电路10，10′受一个额定值发生器11′和一个串连到电机17的传感器12的影响，该传感器测出电机电流和或电机的转数，另外，控制电路10，10′还受一个用于实际值O点较正电路20的影响。

额定值发生器11′既允许输入和修改用于制动操作（开关21，22的位置V）的额定值，也允许输入和修改给出转矩的操作（开关21，22的位置B）的额定值，为此使用了一个转换开关23，它机械上与开关21和22连在一起。

Claims (3)

1、具有实用制动器的电驱动装置，它通过一个电流调节器连有一个用来作为电动机和发电机运行的电动机和一个可与之相连的蓄电池，其中，蓄电池接到电动机，一个空载二极管并联到这个电动机，一个电极反向连接的二极管并联到这个电流调节器，此电流调节器可用连有一个调节装置的控制电路来控制，它用可变化的脉冲比脉冲式地改变用来控制电动机与电源的联接的可任意接通/断开的开关的开关状态，其特征为：该电机可短接，它以众所周知的方法，通过一个设定装置(26，11′)可控制的、以脉冲方式产生短接的制动调节器(9′)，或者通过一个开关装置(21，22)以可变化的脉冲比来短接，该电流调节器通过一个开关装置与电机串联或并联并与空载二极管串联，其中，制动调节器控制一个产生和中断一个短接、任意接通/断开的开关。电流调节器(9)打开被指定的开关或两个调节器(10、10′)，具有0-100%之间的脉冲比的被指定的开关，其中，可以为电机(17)输入机械能，和准备使用一个测出电机(17)实际值的传感器(12；35，36)，该传感器与一个打开额定值发生器的比较电路(34，38)相连，该额定值发生器控制电机(17)的电动机和发电机工作，该比较电路与这一个或多个调节器相连。

2、根据权利要求1的驱动装置，其特征为：控制电路（10，10′）或它的电流调节器的和制动调节器的控制电路（11′，38，11，34）均与这个共同并联电压源（5）相连的电位器（26）的中间抽头相连，电位器的中间抽头形成设定装置，与并联到电机的分压器的中间抽头相连。

3、根据权利要求1或2的驱动装置，其特征为：电流调节器（9）的控制电路（10）配有一个锁闭电路（34至42），这个锁闭电路与电位器（26）的中间抽头和电机（17）相连，和此锁闭电路被电位器（26）的中间抽头的，对应于一个制动动作的位置上启动，和在锁闭动作中电流调节器（9）的控制电路（10）被封锁。

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