專利名稱：直流電機控制電路的制作方法
本申請是申請日為1995年6月9日，申請?zhí)枮?5107318.4，發(fā)明名稱為直流電動機控制電路的分案申請。
本發(fā)明涉及直流電機控制電路，其適用于由直流電動機驅(qū)動的動力工具，例如電動改錐、電鉆和電鋸。
圖1所示為動力工具的常規(guī)直流電機控制電路，其中E代表裝在動力工具內(nèi)的電源，M代表直流電動機，52代表電源開關(guān)。當動力工具的操作桿的壓縮量(行程)達到一個預(yù)定值時(和操作桿的運動相應(yīng))，電源開關(guān)52閉合。當電源開關(guān)52的觸頭52a和52b處于圖1所示的狀態(tài)時，在直流電機M兩側(cè)的電機端子被短路，從而使電機M被制動。為了在一個方向使直流電機旋轉(zhuǎn)，只使觸頭52a轉(zhuǎn)換到與圖1相反的狀態(tài)。為了使直流電機朝另一個方向旋轉(zhuǎn)，只使觸頭52b轉(zhuǎn)換到與圖1相反的狀態(tài)。這就是說，當只有觸頭52a、52b中的一個轉(zhuǎn)換到與圖1所示的相反的狀態(tài)時，就有電流流過電機，從而使其旋轉(zhuǎn)。
標號53代表半導(dǎo)體開關(guān)元件，例如FET。當動力工具的操作杠桿被壓到最大行程時，閉合觸頭54接通，從而短路半導(dǎo)體開關(guān)元件53的開關(guān)部分。電壓設(shè)定電位器59的電阻底板上，有一滑動件和動力工具的操作桿連動。這樣，設(shè)定電位器59輸出相應(yīng)于操作量的設(shè)定電壓b。驅(qū)動信號輸出電路51包括三角形波振蕩器57，用來根據(jù)電源電壓E產(chǎn)生圖2(a)所示的三角形波電壓，電源電壓E是通過電源開關(guān)52和二極管55、56被施加的；一比較器58，在其反相輸入端接收三角形波電壓而在同相輸入端接收設(shè)定電壓b；以及開關(guān)電路60，其根據(jù)比較器58的比較輸出向半導(dǎo)體開關(guān)元件53的控制極提供驅(qū)動信號C(見圖2(b))。
在上述常規(guī)的直流電機控制電路中，當壓下動力工具的操作桿時，相應(yīng)于壓縮量(行程)的設(shè)定電壓b輸入給比較器58，驅(qū)動信號C的占空比(dutycycle)按設(shè)定電壓b被控制，如圖2(b)所示。這樣便控制直流電機M的速度。
然而，一般說來，直流電機M的轉(zhuǎn)速N和驅(qū)動信號C的占空比D的關(guān)系是非線性的，如圖3的特性曲線所示。并且驅(qū)動信號C的占空比D和操作桿的行程S的關(guān)系是線性的，如圖4的特性曲線所示。因此，直流電機M的轉(zhuǎn)速N和操作桿的行程之間的關(guān)系是非線性的，即由圖5所示的向上凸起的曲線所示。
一般說來，使用動力工具擰緊螺絲時，例如電動改錐，希望直流電機M的轉(zhuǎn)速N在開始時是低的，此時需要定位。然而，常規(guī)的控制電路因為轉(zhuǎn)速N和行程S具有非線性關(guān)系，即如圖5的上凸起曲線所示，在低速范圍內(nèi)，對于直流電機M的轉(zhuǎn)速N一個恒定的增量而言，行程S的間隔很小，這便難于實現(xiàn)精確的調(diào)整，因而帶來使用的不便。
為解決上述問題，可以設(shè)想改變電壓設(shè)定電位器59薄膜電阻器的形狀，使得在操作桿行程和電阻之間呈現(xiàn)非線性關(guān)系。然而，這種方法未必能提供所需的特性。
圖6所示為一種常規(guī)的電機控制電路，它與圖1所示的電路相似。參見圖6，電位器VR1和操作開關(guān)(未示出)連動地滑動。固定端子C和D之間的電壓以任意的比值進行分配，所得到的分壓從動端子A輸出。根據(jù)所述分壓，電壓設(shè)定部件(電壓設(shè)定電路)61產(chǎn)生具有門限電壓VH(設(shè)定電壓)的設(shè)定信號VO，電壓設(shè)定部分具有電阻R51、R53和R54。一三角形波振蕩器57和電容器C1相連產(chǎn)生具有預(yù)定周期的三角形波信號V4。一比較器58將設(shè)定電壓信號VO和三角形波信號V4進行比較并輸出比較信號V5，根據(jù)V5，開關(guān)電路60產(chǎn)生用來驅(qū)動開關(guān)晶體管TR1的信號以驅(qū)動電機M。
現(xiàn)在說明上述電機控制電路的操作。當操作開關(guān)被按下時，開關(guān)1的閉合斷開觸頭66打開以釋放電機M的制動。當操作開關(guān)再進一步壓下時，開關(guān)1的觸頭67閉合，從而把電源(直流電壓)加到電路的各個部分上。三角形波信號V4和設(shè)定信號V0進行比較，當三角形波信號(電壓)V4大于門限電壓VH即設(shè)定信號(電壓)V0時，晶體管TR1導(dǎo)通，從而使電流流過電機。這就是說，借助于具有相應(yīng)于門限電壓VH的脈沖信號使晶體管TR1導(dǎo)通。占空比越大，流過電機M的平均電流越大(電機的轉(zhuǎn)速越高)。另一方面，因為設(shè)定信號V0的門限電壓VH和操作開關(guān)的壓縮量(行程)相關(guān)連，電機M的轉(zhuǎn)速就可按照操作開關(guān)的行程調(diào)節(jié)。當操作開關(guān)被進一步壓下時，開關(guān)2的觸頭68閉合。結(jié)果使電源E1直接加到電機M上，電機M達最大轉(zhuǎn)速。
圖7示出了圖6所示電路使用的電位器VR1的結(jié)構(gòu)。在圖7中，符號C、D和A分別相當于圖6所示的固定端C、D和可動端A。作為可動電極的電刷70在兩個固定電極上滑動，其中一個具有導(dǎo)體區(qū)域71和72以及電阻區(qū)73，并和C或D端相連，另一個固定電極74連接端子A。這就是說，電刷70和兩個固定電極相連，電刷70在導(dǎo)體區(qū)71上滑動時，輸入給比較器58的設(shè)定信號(電壓)V0具有通過以電阻R53、R54之比值對電源電壓(直流)E1進行分壓來確定的值，此時設(shè)定信號(電壓)V0具有最大值。因此，比較信號V5為0V，晶體管TR1截止。于是，電機M停止，而與電刷70在導(dǎo)體區(qū)71上的滑動位置無關(guān)。
當操作開關(guān)的行程增加并且電刷70在電阻區(qū)73上滑動時，設(shè)定信號(電壓)V0按照電刷70的滑動位置而減小。比較信號V5的脈沖的占空比和正在減少的電壓V0相應(yīng)，即和操作開關(guān)的行程相應(yīng)。這樣以來，使電機M的轉(zhuǎn)速逐漸增加。因此，電阻區(qū)73相應(yīng)于整個調(diào)速范圍。
當操作開關(guān)的行程進一步增加并且電刷70在導(dǎo)體區(qū)72上滑動時，設(shè)定信號(電壓)V0為0V，因此，比較信號V5的脈沖占空比是100％，晶體管TR1導(dǎo)通。因而電機M以恒速旋轉(zhuǎn)而與電刷70在導(dǎo)體區(qū)72上的滑動位置無關(guān)。當操作開關(guān)的行程進一步增加時，如上所述，開關(guān)2的觸頭68閉合，使得電源E1直接加到電機M上，電機M達最高轉(zhuǎn)速。
因此，這種動力工具適用于調(diào)節(jié)按壓量，即調(diào)節(jié)操作開關(guān)的行程，以進行預(yù)期的工作。
然而，在上述的常規(guī)電動機控制電路中，可能發(fā)生這樣的問題，即盡管操作開關(guān)的按壓量是在整個調(diào)速范圍內(nèi)，而實際上電機M不能轉(zhuǎn)動或其轉(zhuǎn)速不能達到預(yù)期工作所需的值。
圖26表明如何相對于操作開關(guān)的行程而產(chǎn)生比較輸出V5。在設(shè)定信號(電壓)V0變得小于三角形波信號V4(見圖26(a))的時刻，比較輸出V5開始起作用(見圖26(b))。在圖26中，為了表示操作開關(guān)開始按壓的時刻，用t1表示達到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍(相應(yīng)于圖7的電阻區(qū)73)的時刻，t2表示開關(guān)2的觸頭68閉合的時刻。由圖26(b)可明顯看出，在整個調(diào)速范圍的開始部分，不產(chǎn)生比較輸出V5，或者不獲得規(guī)定轉(zhuǎn)速的占空比。
圖27表示操作開關(guān)的行程和電機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。點劃線代表常規(guī)的電機控制電路的特性。如圖27所示，開關(guān)1的觸頭67在行程位置S0閉合，總的調(diào)速范圍S在行程S1開始，開關(guān)2的觸頭68在行程S3閉合。符號Na表示適合于工作的有效轉(zhuǎn)速范圍。
由圖27可明顯看出，常規(guī)電機空制電路的特性，在總調(diào)速范圍S中的S1到S2之間，電機M不轉(zhuǎn)動而只是嗡嗡響。而且即使在它開始轉(zhuǎn)動之后，轉(zhuǎn)速不會馬上達到有效轉(zhuǎn)速范圍。就是說，存在一個不工作的無效調(diào)速范圍Sb。因而使有效調(diào)速范圍Sa變窄，其可以使工作效率降低。
本發(fā)明的目的在于，提供一種直流電動機控制電路，它可以防止當半導(dǎo)體元件流過過電流或異常發(fā)熱時使半導(dǎo)體元件損壞。
按照本發(fā)明的目的，提供的直流電機控制電路包括一連接到直流電動機的半導(dǎo)體開關(guān)元件，用來控制流過直流電機的電流；驅(qū)動電路，用來產(chǎn)生控制半導(dǎo)體開關(guān)元件通斷的驅(qū)動信號；以及保護電路，用來將當半導(dǎo)體開關(guān)元件導(dǎo)通時的半導(dǎo)體開關(guān)元件兩端的電壓和預(yù)定電壓進行比較，當半導(dǎo)體開關(guān)元件兩端的電壓大于預(yù)定電壓時，強迫驅(qū)動電路使半導(dǎo)體開關(guān)元件截止。
利用這種結(jié)構(gòu)，當由于半導(dǎo)體開關(guān)元件過流或因異常發(fā)熱而使其兩端的電壓增加時，保護電路使半導(dǎo)體開關(guān)元件截止。因此，半導(dǎo)體開關(guān)元件可被防止不正確的操作或被損壞。
下面參照


本發(fā)明的實施例。
附圖簡要說明圖1是常規(guī)動力工具的電機控制電路；圖2是圖1的控制電路的信號波形；圖3是表示直流電機轉(zhuǎn)速和驅(qū)動信號占空比的關(guān)系的特性曲線；圖4是表示在操作桿行程和驅(qū)動信號占空比之間的關(guān)系的特性曲線；圖5是表示操作桿行程和電機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系的特性曲線；圖6是另一種常規(guī)的直流電機控制電路；圖7是在圖6的電路中使用的常規(guī)電位器的結(jié)構(gòu)；圖8是本發(fā)明實施例的直流電機控制電路；圖9、圖10是圖8實施例空載運行時的信號波形；圖11說明半導(dǎo)體開關(guān)元件兩端的電壓和直流電機轉(zhuǎn)速之間關(guān)系；
圖12表示圖8實施例中電壓設(shè)定電位器的設(shè)定位置、其設(shè)定電壓、半導(dǎo)體開關(guān)元件兩端的濾波的電壓以及直流電機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系；圖13是圖8實施例有載運行時的信號波形；圖14表示電機轉(zhuǎn)速和產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩之間關(guān)系的特性曲線；圖15表示本發(fā)明另一個實施例的直流電機控制電路；圖16表示圖15的實施例中電壓設(shè)定電位器的位置、它的設(shè)定電壓、半導(dǎo)體開關(guān)元件兩端濾波的電壓以及直流電機轉(zhuǎn)速間的關(guān)系的特性曲線；圖17是本發(fā)明另一實施例的直流電機控制電路；圖18是圖17所示實施例的電機轉(zhuǎn)速和產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系曲線；圖19表示圖17實施例中的信號波形，其相應(yīng)于圖9；圖20表示圖17實施例中的信號波形，其相應(yīng)于圖10；圖21表示圖17的實施例的信號波形，其相應(yīng)于圖13；圖22是本發(fā)明另一實施例的直流電機控制電路；圖23是本發(fā)明另一實施例的電機控制電路；圖24是圖23所示電壓設(shè)定部件的開關(guān)和電位器的結(jié)構(gòu)圖；圖25表示相應(yīng)于行程的電刷滑動位置和比較輸出的占空比之間的關(guān)系圖；圖26說明如何相對于操作開關(guān)行程產(chǎn)生比較信號；以及圖27表示操作開關(guān)行程和電機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。
圖8表示本發(fā)明的直流電機控制電路的一個實施例，該控制電路被裝在動力工具中。
在圖8中，由電阻R1和齊納二極管ZDI串聯(lián)連接構(gòu)成的恒壓電路CV根據(jù)裝在動力工具內(nèi)的電源電壓E1在齊納二極管的陰極產(chǎn)生規(guī)定的恒定電壓E2。電壓E1通過開關(guān)SW1提供，用來提供/切斷驅(qū)動電流。
三角形波振蕩器(參考電壓發(fā)生電路)1和振蕩電容器C1一起產(chǎn)生三角形波電壓V4。
設(shè)定直流電機M的轉(zhuǎn)速的速度設(shè)定部件2具有電壓設(shè)定電位器VR。電壓設(shè)定電位器VR的可動端和動力工具的操作桿的壓縮連動，并輸出相應(yīng)于壓縮量(行程)的設(shè)定電壓V0。
反相放大器電路(第一比較電路)3包括運算放大器6、電阻R5和R6以及電容C2。運算放大器6在同相輸入端接收來自電壓設(shè)定電位器的設(shè)定電壓V0，在其反相輸入端接收來自濾波電路4的濾波電壓V6，并輸出作為驅(qū)動信號的電壓V3，它相應(yīng)于所接收電壓之間的差。
濾波電路4具有分壓電阻R7和R8，以及電容器C3，它對半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1兩端的電壓進行校平(smooths)，并向運算放大器6的反相輸入端提供濾波電壓V6。
半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1是FET，在電源E1和電動機M之間是其開關(guān)元件的D-S。更具體地說，漏極D連接于電機M的一端，源極S連接于電源E1的負極。半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1的控制極通過限流電阻R9加入來自運算放大器(第二比較電路)5的驅(qū)動信號V5。
三角形波振蕩器1輸出的三角形波電壓V4被輸入到運算放大器5的同相輸入端，反相放大器電路3的輸出電壓V3被輸入到其反相輸入端。通過比較電壓V4和V3，運算放大器5產(chǎn)生比較輸出信號V5，其作為驅(qū)動信號被加到半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1的控制極。保護二極管D1和直流電動機M并聯(lián)。
現(xiàn)在參照圖9、圖10說明具有上述結(jié)構(gòu)的直流電機控制電路的空載運行。在這些圖中，部分(a)表示將反相放大電路3的輸出電壓以及三角形波電壓V4，輸入給運算放大器5，部分(b)表示運算放大器5的輸出電壓(驅(qū)動信號)V5，部分(c)表示半導(dǎo)體開關(guān)元件兩端的電壓V7以及其濾波電壓V6，部分(d)表示電壓設(shè)定電位器VR的設(shè)定電壓V0。圖9、圖10相應(yīng)于電壓設(shè)定電位器VR不同的設(shè)定電壓V0的兩種狀態(tài)。
在此實施例中，相應(yīng)于操作桿壓縮量(行程)的電壓V0由電壓設(shè)定電位器VR輸入給反相放大電路3的運算放大器6的同相輸入端，半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1上的電壓V7的濾波電壓V6被加到同一運算放大器6。運算放大器6把相應(yīng)于V0和V6之差的輸出電壓V3輸送給運算放大器5的反相輸入端。運算放大器5將電壓V5輸送給半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1的控制極作為驅(qū)動信號，電壓V5相應(yīng)于輸入到運算放大器5反相輸入端的電壓V3和輸入到同相輸入端的三角形波電壓V4之差。半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1由電壓V5進行導(dǎo)通/截止控制，借以控制直流電機M的驅(qū)動。
簡而言之，半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1兩端的電壓V7的濾波電壓V6和電壓設(shè)定電位器VR的設(shè)定電壓V0進行比較，將得到的比較輸出V3再和三角形波電壓V4進行比較。將得到的比較輸出(驅(qū)動信號)V5被用來控制半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1。因此，如圖9、圖10的各部分(c)、(d)所示，控制將這樣進行，使得電壓設(shè)定電位器VR的設(shè)定電壓V0變得等于半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1兩端電壓V7的濾波電壓V6。
現(xiàn)在說明半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1兩端電壓V7的濾波電壓V6和直流電機M的轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。
如圖11所示，假定開關(guān)元件TR1連接于其電樞繞組電阻為Ra的直流電機M，電源E給電機M供電。設(shè)符號Ia是驅(qū)動電流；KE是電機M的比例常數(shù)；N是電機M的轉(zhuǎn)速；VTR為半導(dǎo)體元件TR1上的平均電壓，則電源E一般表示成E＝Ia·Ra+KE·N+VTR(1)因此，開關(guān)元件TR1兩端的平均電壓VTRVTR＝E-Ia·Ra-KE·N在直流電機M的空載狀態(tài)下，Ia·Ra可忽略不計，電源電壓E和比例系數(shù)KE是常數(shù)。因此，開關(guān)元件TR1兩端的平均電壓VTR反比于直流電機的轉(zhuǎn)速N。
因此，按照圖8的實施例，在直流電機M的空載運行期間，控制如此進行，使得反比于直流電機M的轉(zhuǎn)速N的半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1兩端的電壓V7的濾波電壓V6變得等于電壓設(shè)定電位器VR的設(shè)定電壓V0。這就是說，直流電機M的轉(zhuǎn)速N可以被控制得和動力工具的操作桿的行程成比例，操作桿的行程相應(yīng)于設(shè)定電壓V0。
圖12表明本實施例中電壓設(shè)定電位器VR的設(shè)定位置(相應(yīng)于行程)、設(shè)定電壓V0、半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1兩端電壓V7的濾波電壓V6、以及直流電機M的轉(zhuǎn)速N之間的關(guān)系的特性曲線。
圖12的部分(a)是表示直流電機M的轉(zhuǎn)速N和半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1兩端的電壓V7的濾波電壓V6之間關(guān)系的曲線。部分(b)表示電壓設(shè)定電位器VR的設(shè)定位置和設(shè)定電壓V0之間的關(guān)系。部分(c)表示電壓設(shè)定電位器VR的設(shè)定位置和直流電機的轉(zhuǎn)速N之間的關(guān)系。
如圖12(b)所示，設(shè)定電壓V0反比于電壓設(shè)定電位器的設(shè)定位置，后者相應(yīng)于操作桿的壓縮量。這就是說，設(shè)定電壓V0隨壓縮量的增加而減少。
另一方面，半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1兩端的電壓V7的濾波電壓V6被這樣控制，使其等于設(shè)定電壓V0，而直流電機M的轉(zhuǎn)速N反比于半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1兩端的電壓V7的濾波電壓V6，如圖12(a)所示。因此，如圖12(c)所示，在電壓設(shè)定電位器VR(見圖12(b))的設(shè)定位置和直流電機M的轉(zhuǎn)速N之間建立了比例關(guān)系，直流電機M的轉(zhuǎn)速對應(yīng)于平滑電壓V6，其等于設(shè)定電壓V0。
在常規(guī)的控制電路中，因為直流電機M的轉(zhuǎn)速N和行程S之間的關(guān)系是非線性的，即如圖5所示的向上凸起的特性曲線，在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，對于同一個轉(zhuǎn)速N的固定增量，行程S的間隔較小，這使得難于進行精細的調(diào)節(jié)，因而在使用動力工具時產(chǎn)生許多不便。與此相反，按照本發(fā)明的實施例，如圖12(c)所示，在直流電機M的轉(zhuǎn)速N和行程S(相應(yīng)于電壓設(shè)定電位器VR的設(shè)定位置)之間建立了線性關(guān)系。結(jié)果使得在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，對固定轉(zhuǎn)速N的增量，行程S的間隔比從常規(guī)控制電路中得到的要寬，從而使操作容易。
此外，在本發(fā)明的實施例中，這樣進行負反饋，使得半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1兩端的電壓V7的濾波電壓V6等于電壓設(shè)定電位器VR的設(shè)定電壓V0。因此，當從圖10所示的空載狀態(tài)變換到圖13所示的有載狀態(tài)時，負反饋使得濾波電壓V6保持在設(shè)定電壓V0上。結(jié)果，反相放大電路3的輸出電壓V3的值被減小，如圖13(a)所示，使得運算放大器5的輸出電壓V5(驅(qū)動信號)的占空比增加。因而，使直流電機M的轉(zhuǎn)速N減少的程度被減小。
圖14是相應(yīng)于一定負載的直流電機轉(zhuǎn)速N和轉(zhuǎn)矩T之間關(guān)系的特性曲線。實線表示常規(guī)控制電路的特性，虛線表示本發(fā)明實施例的特性。
如虛線所示，在本發(fā)明實施例中，當負載增加時，進行負反饋使如上所述的占空比增加。因此，直流電機M的狀態(tài)沿平緩的曲線改變，直到達到鎖定狀態(tài)。這將使直流電機的運行更加穩(wěn)定，使操作更容易。
圖15所示為本發(fā)明另一實施例的直流電機控制電路，其中和圖8中相同的部分給予相同的標號。
該實施例的直流電機控制電路旨在進一步改善操作的容易程度。與上述實施例的線性關(guān)系相反，其借助于在電機M的轉(zhuǎn)速N和行程S之間建立向下凸起的非線性關(guān)系而予以實現(xiàn)。為此，提供電壓校正電路10，它利用下述的非線性特性，校正電壓設(shè)定電位器VR的設(shè)定電壓，并把校正過的設(shè)定電壓提供給運算放大器6的反相輸入端。其余的結(jié)構(gòu)與上述實施例的相同。
在電壓校正電路10中，在電壓設(shè)定電位器VR的兩個端子之間提供分壓電阻R2～R4。在電壓設(shè)定電位器VR的可動端和分壓電阻R2和R3的連接點之間提供分壓電阻R10和二極管D2構(gòu)成的并聯(lián)電路。分壓電阻R3和R4的連接點又連接于反相放大電路3的同相輸入端。
圖16說明電壓校正電路10的操作。圖16的部分(a)表示直流電機M的轉(zhuǎn)速N和半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1兩端的電壓V7的濾波電壓V6之間的關(guān)系。部分(b)表示電壓設(shè)定電位器VR的設(shè)定位置和二極管D2的陰極電壓VK、它的陽極電壓VA以及校正電壓V1之間的關(guān)系的特性曲線。部分(c)表示電壓設(shè)定電位器VR的設(shè)定位置和直流電機轉(zhuǎn)速N之間的關(guān)系的特性曲線。
由圖16(b)可見，相應(yīng)于電壓設(shè)定電位器VR的設(shè)定電壓的二極管D2的陰極電壓VK與電壓設(shè)定電位器的設(shè)定位置成反比。另一方面，當操作桿的壓縮量增加使二極管陽極電壓VA達到規(guī)定電壓時，二極管D2導(dǎo)通，其陽極電壓VA成為0.6V，高于陰極電壓VK。具有該值的陽極電壓VA由電阻R3和R4分壓，從而產(chǎn)生校正電壓V1。因此，在本實施例中，二極管D2的特性用來在電壓設(shè)定電位器VR的設(shè)定位置和校正電壓V1之間產(chǎn)生非線性關(guān)系。
另一方面，半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1兩端的電壓V7的濾波電壓V6被這樣控制，使其等于校正電壓V1，并且直流電機M的轉(zhuǎn)速N反比于半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1兩端的電壓V7的濾波電壓V6，如圖16(a)所示。因此，如圖16(c)所示，在電壓設(shè)定電位器VR的設(shè)定位置(見圖16(b))和直流電機M的轉(zhuǎn)速N之間建立了向下凸起的非線性關(guān)系，其中直流電機M的轉(zhuǎn)速N對應(yīng)于濾波電壓V6而該濾波電壓V6等于校正電壓V1。
這就是說，按照本發(fā)明的實施例，如圖16(c)所示，在直流電機M的轉(zhuǎn)速N和行程S(相應(yīng)于電壓設(shè)定電位器VR的設(shè)定位置)之間建立了向下凸起的非線性關(guān)系。其結(jié)果，使得在低旋轉(zhuǎn)速度范圍內(nèi)對該直流電機M的轉(zhuǎn)速N固定的增量而言行程S的間隔較寬于常規(guī)的控制電路形成的間隔，從而使操作更加容易。
二極管D2可用齊納二極管代替，以構(gòu)成本發(fā)明的另一實施例。
圖17表示本發(fā)明的另一實施例的直流電機控制電路，其中相應(yīng)于圖8實施例的部分給予相同的標號。
如圖18的特性曲線所示，本發(fā)明的這一實施例旨在實現(xiàn)恒速控制，使直流電機M即使在負載變化時也以恒速轉(zhuǎn)動。為此，采用下述的結(jié)構(gòu)。
在該實施例中，開關(guān)電路11用來探測當半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1截止時其兩端的電壓V7，其被設(shè)置在對開關(guān)元件TR1兩端的電壓V7進行濾波(smoothing)的濾波電路4和反相放大電路3的運算放大器6的反相輸入端之間。開關(guān)電路11包括反相器9，它接收運算放大器5的輸出，以及模擬開關(guān)8，其由反相器9的輸出控制導(dǎo)通/截止。為了防止模擬開關(guān)8當其完全截止時處于不確定狀態(tài)，采用濾波電容C3，使其與一放電電阻R11并聯(lián)。其余的結(jié)構(gòu)和圖8的相同。
在該實施例中，開關(guān)電路11探測半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1截止時其兩端的電壓V7，其與直流電機M的轉(zhuǎn)速成反比，以便產(chǎn)生濾波電壓V10。
參見等式(1)，因為當半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1截止時驅(qū)動電流Ia為0，半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1兩端的平均電壓VTR即使在負載變化時也和直流電機M的轉(zhuǎn)速成反比。
在該實施例中，因為半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1兩端的電壓V7的濾波電壓V10在半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1截止期間輸入給反相放大電路3，所以直流電機M的轉(zhuǎn)速N即使在負載發(fā)生變化時也保持相應(yīng)于電壓設(shè)定電位器VR的設(shè)定電壓V0的值。這就是說，實現(xiàn)了恒速控制。
圖19～21是信號波形圖，分別對應(yīng)于圖8實施例的圖9、10和13。在圖19～21的每個圖中，部分(e)表示反相器9的輸出電壓V8，部分(f)表示半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1兩端的電壓V7的濾波電壓V10。
圖22表示本發(fā)明另一實施例的直流電機控制電路，其中相應(yīng)于圖8的部分給予相同的標號。
在該實施例中，用來對半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1兩端的電壓濾波的濾波電路41由分壓電阻R19和R20以及濾波電容C4構(gòu)成。一反相放大電路3，其接收來自濾波電路41的濾波電壓，具有電阻R14，位于運算放大器6的輸出側(cè)。
如同圖8實施例的情況，該實施例可以建立電機M的轉(zhuǎn)速N和行程之間的線性關(guān)系，以使其操作容易。此外，該實施例具有用于保護半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1的保護電路12，當半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1通過過電流或異常發(fā)熱時強迫使其截止。當半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1導(dǎo)通時，保護電路12對其兩端的電壓進行濾波(smooths)，并將濾波電壓與參考電壓進行比較。如果濾波電壓大于參考電壓，保護電路12就強迫半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1截止。
保護電路12具有模擬開關(guān)15，借助于運算放大器5的輸出，對其進行導(dǎo)通/截止的控制；分壓電阻R12、R13；濾波電容C5；用于防止模擬開關(guān)15當其完全截止時出現(xiàn)不確定狀態(tài)的放電電阻R16；自保持二極管D3以及反向阻擋二極管D4。保護電路12還具有運算放大器13，在其反相輸入端接收參考電壓VREF，在其同相輸入端接收半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1兩端電壓的濾波電壓。
當由于過載，引起極大的驅(qū)動電流流動時，半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1兩端的電壓大于保護電路12中的參考電壓VREF。由此，運算放大器13的輸出變高，從而強迫運算放大器5的輸出變低。以使半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1截止，即受到了保護。
當半導(dǎo)體開關(guān)元件發(fā)熱而使其溫度上升時，其電阻相應(yīng)地增加。因此，半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1由于長期流過大的驅(qū)動電流而變熱，使其兩端的電壓大于參考電壓VREF。與上述過流的情況相同，半導(dǎo)體開關(guān)元件TR1截止。
這就是說，保護電路12用于限流和限熱。
雖然該實施例是在圖8的實施例的結(jié)構(gòu)中加入保護電路12，但也可以在常規(guī)的結(jié)構(gòu)中提供保護電路12，從而成為本發(fā)明提供的另一實施例。
雖然在上述每個實施例中使用三角形波振蕩器1作為參考電壓發(fā)生電路，但本發(fā)明并不限于使用三角形波電壓的情況，例如可以使用恒定的參考電壓。
圖23表示本發(fā)明另一實施例的電機控制電路。由圖23可見，在電位器VR2中滑動是與一操作開關(guān)一起(例如觸發(fā)型的，未示出)連動的。加于固定端C和D之間的電壓以任意比例分壓，產(chǎn)生的分壓由可動端A輸出。根據(jù)這一分壓，具有電阻R52、開關(guān)62a、電阻R51、R53、R54的電壓設(shè)定部件(電壓設(shè)定電路)62產(chǎn)生具有門限電壓VH的設(shè)定信號V0′(設(shè)定電壓)。開關(guān)62a和電位器VR2形成在同一印刷電路板上(下述)。
三角形波振蕩器57和電容C1一起產(chǎn)生具有預(yù)定周期的三角形波信號V4。比較器58將設(shè)定電壓信號V0′與三角形波信號V4進行比較，并輸出比較信號V5，根據(jù)V5開關(guān)電路60產(chǎn)生開關(guān)晶體管TR1的驅(qū)動信號驅(qū)動電機M。
現(xiàn)在說明本實施例中控制電路的操作。當操作開關(guān)被按下時，開關(guān)1的斷開觸頭66斷開，從而釋放電機M的制動。當操作開關(guān)再進一步被按下時，開關(guān)1的觸頭67閉合，使電源電壓(直流電壓)E1加到電路的各個部分。使三角形波信號V4與設(shè)定信號V0′進行比較。當三角形波信號(電壓)V4大于門限電壓VH即設(shè)定信號(電壓)V0′時，使晶體管TR1導(dǎo)通，從而使電流流過電機M。這就是說，晶體管TR1由具有相應(yīng)于設(shè)定信號V0′的門限電壓VH的占空比的脈沖信號導(dǎo)通。占空比越大，流過電機M的平均電流也越大(電機轉(zhuǎn)速較高)。另一方面，因為設(shè)定信號V0′和操作開關(guān)的壓縮量(行程)相連接，電機M的轉(zhuǎn)速可以按操作開關(guān)的行程調(diào)節(jié)。當操作開關(guān)進一步被按壓時，開關(guān)2的接通觸頭68閉合。結(jié)果，使電源電壓E1直接加到電動機上，電機M以最大轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。
圖24表示在圖23的電路中使用的電位器VR2以及電壓設(shè)定部件62的開關(guān)62a的結(jié)構(gòu)。在圖24中，符號B、C、D和A分別相應(yīng)于圖23中的固定端B、C和D以及可動端A。電刷70在固定電極上滑動，固定電極具有導(dǎo)體區(qū)71和72以及電阻區(qū)73，并連接到端子C和D，固定電極74a的區(qū)(c)和端子B相連，固定電極74c的區(qū)(b)和端子A相連，固定電極74b的區(qū)(a)也和端子B相連。在三個固定電極74a、74b和74c之間具有間隙，以便使這些電極彼此之間電絕緣。因為電刷70比間隙略寬，當它位于這些相鄰電極之間的間隙中心時，就把相鄰的兩個電極短路。當電刷70在三個分開的固定電極74a、74b和74c之間移動時，就在電壓設(shè)定部件62的開關(guān)62a中實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。電刷70作為開關(guān)62a的可動觸頭。這就是說，圖23中開關(guān)62a的可動觸頭連接到觸頭(a)的狀態(tài)相應(yīng)于電刷70位于固定電極74b的區(qū)(a)的狀態(tài)。類似地，圖23中開關(guān)62a的動觸頭連接于觸頭(b)的狀態(tài)相應(yīng)于電刷70位于固定電極74c的區(qū)(b)的狀態(tài)，圖23中開關(guān)62a的動觸頭連接于觸頭(c)的狀態(tài)相應(yīng)于電刷70位于固定電極74a的區(qū)(c)上的狀態(tài)。
圖25表示相應(yīng)于行程的電刷70的滑動位置和比較信號V5的占空比之間的關(guān)系。圖25的部分(a)表示行程-占空比關(guān)系，部分(b)表示電刷70如何隨行程的增加而滑動(操作開關(guān)不斷下壓)，部分(c)表示電刷70如何隨行程的減小而滑動(操作開關(guān)返回)。
參看圖23～25說明比較信號的占空比是如何改變的。當操作開關(guān)被按并且電刷70從而位于區(qū)(c)時，開關(guān)62a的端子B和端子C相連。因此，輸入給比較器58的設(shè)定信號(電壓)V0′具有由電阻R53和R54的比值對電源電壓E1進行分壓而確定的值，它是最大值。占空比為0％。當電刷70再移動時，它位于固定電極74c的區(qū)(b)上，這相應(yīng)于開關(guān)62a的可動觸頭連于電阻R52(見圖23)的狀態(tài)。此時，由包括電位器VR2和電阻R51～R54的電路條件確定的設(shè)定信號(電壓)V0′小于三角形波信號V4。結(jié)果，比較信號V5的占空比快速增加，如圖25(a)所示。當電刷70在區(qū)(b)上滑動時，電位器VR2電阻的分壓比被改變(見圖23)，并且占空比隨滑動位置成比例地增加。當電刷70已經(jīng)達到橋接區(qū)(b)和(a)的位置從而短路這些區(qū)時，端子D和開關(guān)62a的端子B相連(見圖23)。因此，設(shè)定信號(電壓)成為0V，并且占空比急劇增加到100％，如圖25(a)所示。簡單地說，占空比隨操作開關(guān)不斷增加的按壓按圖25(a)所示的實線改變。
當操作開關(guān)稍微返回一些并且電刷70由區(qū)(a)移向區(qū)(b)時，占空比急劇從100％下降，如圖25(a)所示。當電刷70已經(jīng)達到橋接區(qū)(b)和(c)的位置從而把這些區(qū)短路時，端子C和開關(guān)62a的端子B相連(見圖23)。因此，設(shè)定信號V0′的門限電壓VH具有最大值，占空比急劇下降到0％，如圖25(a)所示。簡單地說，占空比隨操作開關(guān)的返回按圖25(a)的虛線所示而改變。
在圖23的電路中，開關(guān)1和開關(guān)2直接接通和斷開流過電機M的電流的路徑。因此，需要考慮這些開關(guān)的耐用性。為此，應(yīng)滿足下述條件。
條件1當開關(guān)1閉合或打開時占空比應(yīng)該為0％。
條件2當開關(guān)2閉合或打開時占空比應(yīng)該是100％。
為滿足上述條件，在電刷70和開關(guān)1、開關(guān)2之間采用下述設(shè)定。
設(shè)定1當電刷70位于區(qū)(c)或處于橋接區(qū)(c)和(b)以使這些區(qū)短路時(見圖25的部分(b)和(c))開關(guān)1閉合或打開。
設(shè)定2當電刷70位于區(qū)(a)或處于橋接區(qū)(b)和(a)從而使這些區(qū)短路時(見圖25的部分(b)、(c))，開關(guān)2閉合或打開。
如上所述，圖26表示比較信號V5如何相對于操作開關(guān)行程被產(chǎn)生。當設(shè)定信號(電壓)V0′變得小于三角形波信號V4的時刻(見圖26(a))，比較輸出V5開始起作用(見圖26(b))。在圖26中，t0代表當操作開關(guān)開始被按壓的時刻，t1代表電刷70從區(qū)(c)移到區(qū)(b)的時刻，t2代表開關(guān)2的觸頭68閉合的時刻。從圖26(c)可明顯看出，和圖26(b)常規(guī)情況相反，比較信號V5在本實施例中幾乎在整個調(diào)速范圍內(nèi)被產(chǎn)生。
圖27表示操作開關(guān)行程和電機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。該實施例的電機控制電路的特性由實線表示。在圖27中，開關(guān)1的觸頭在行程S0閉合，總的調(diào)速范圍S從行程S1開始，并且在行程S3，開關(guān)2的觸頭68打開。符號Na表示適于工作的有效轉(zhuǎn)速范圍。
從圖27可明顯看出，這種電機控制電路的特性，當行程達到總調(diào)速范圍S時，轉(zhuǎn)速急劇地增加，從而達到有效轉(zhuǎn)速范圍Na。此外，適用于工作的有效調(diào)速范圍Sa′比常規(guī)電路的有效調(diào)速范圍Sa要寬。
權(quán)利要求
1.一種直流電動機控制電路，包括一連接到直流電動機的半導(dǎo)體開關(guān)元件，用來控制流過直流電動機的電流；一驅(qū)動電路，用來產(chǎn)生驅(qū)動信號，控制半導(dǎo)體開關(guān)元件的通斷；以及一保護電路，用來將當半導(dǎo)體開關(guān)元件導(dǎo)通時其兩端之間的電壓與預(yù)定電壓進行比較，并且當半導(dǎo)體開關(guān)元件兩端之間的電壓大于預(yù)定電壓時，強迫驅(qū)動電路截止半導(dǎo)體開關(guān)元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流電動機控制電路，其中，還包括一直流電動機。
全文摘要
一種直流電動機控制電路，包括，一個被連接到直流電動機的半導(dǎo)體開關(guān)元件，用來控制流過直流電機的電流；驅(qū)動電路，用來產(chǎn)生控制半導(dǎo)體開關(guān)元件通斷的驅(qū)動信號；以及保護電路，用來將當半導(dǎo)體開關(guān)元件導(dǎo)通時的半導(dǎo)體開關(guān)元件兩端的電壓和預(yù)定電壓進行比較，當半導(dǎo)體開關(guān)元件兩端的電壓大于預(yù)定電壓時，強迫驅(qū)動電路使半導(dǎo)體開關(guān)元件截止。利用這種結(jié)構(gòu)，當由于半導(dǎo)體開關(guān)元件過流或因異常發(fā)熱而使其兩端的電壓增加時，保護電路使半導(dǎo)體開關(guān)元件截止。
文檔編號H02P7/29GK1168566SQ97102529
公開日1997年12月24日 申請日期1997年2月17日 優(yōu)先權(quán)日1994年6月10日
發(fā)明者大盛浩二, 梶谷和則, 片岡朋宏 申請人:歐姆龍公司