[发明专利]改进的电动机控制电路及电路外壳

说明书

该申请是美国专利申请系列号NO.08/186,971(1994年1月27日为申请日，现在为美国专利US5,414,792,1995年5月9日公告)的继续。

本发明总地涉及电动机控制电路，电路构架及电路外壳。本发明尤其涉及DC电动机的控制，该电动机的速度由节流器的工作确定，其中需要小于直流电源通过电动机全部放电并对其预计有大电流及高温度的环境。更经常地，本发明将适用于与电池供电的动车有关的DC电动机控制。

为了摆脱依赖矿物燃料的努力导致了电驱动引擎及电动机使用的增加，尤其是它们可用于有人或无人驾驶的动车。与广泛使用这种电动车相关的最重要问题之一是必须维持足够的直流电功率源以便长时间地使用电动车。新的电池技术已经使直流功率储存装置的尺寸和重量减少，但并未一起解决电池频繁充电的问题。因此在这类动车中储存功率的有效使用是至关重要的。

电驱动电动机的有效使用主要是直流电源输出功率的调节问题，其方式是仅使用对选择速度被引擎或电动机所需用的功率。过去，电动机控制电路被设计成基于最大可能需要的预期电动机速度对最大电流调节直流电源，并当电动机不需要这样大幅值的电流时使任何超出的电流输出到某些另外的负载上。大多数情况下，这种超出的不需要的电流或电压电位的输出导致了这种功率的浪费及电源使用效率下降的后果。

早期类型的电动机控制器典型地使用一组电阻负载提供改变从电源输出的电流。这种电阻负载可以与电动机串联或并联并根据电动机所需电流切掉或投入。但是，众知，这种电阻负载从电池吸取大电流并以热的形式消耗电能。因而这就使电动机效率变低或使它驱动的动车的效率变低。

过去已对从直流电源流到电动机的电流的调节作出努力，其方式不是简单地使电流分到其它的负载中，这种努力集中在使用固态开关器件使电流脉动地通过电动机，方式为在电源及主要负载(电动机)之间有效地以特定频率打开及关闭电路。脉冲的持续时间或脉冲宽度直接地与所需电动机速度有关。速度愈大，其中流过电动机的电流是全导通状态的电流脉冲宽度愈长。所需速度愈低，其中流过电流是关断状态的电流脉冲愈长。通过电动机的电流总是或全导通或全关断状态，由其通宽度与关断宽度的比确定电动机速度。使用诸如可控硅整流器(SCR_s)及金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)这类固态开关器件在这些应用方面表现有很大前途。

但是，使用SCR及MOSFET器件的电路其效率仅取决它们将所需电动机速度的某些节流指标转换成适当的电位的能力及处理控制电动机使用的脉冲频率的能力。该效率包括注入电路可靠性及整体电动机及动车的安全并获得较长的充电周期的能力。该效率也包括这种电路及开关器件持续地在高温环境中工作的能力。过去对使用如SCRs及MOSFETs这些固态电路器件的尝试不仅遇到可靠性及耐久性的问题，而且也遭遇到希望受电路控制的电动机及装置未及的复杂性及价昂的问题。换句话说，过去为实现对流过DC电动机的电流调节控制的尝试是成功的，但这是以非常的复杂性，差的热性能及相关导致的缺乏可靠性及通用性为代价的。

这里涉及的应用中的固态电流开关器件典型地地被具有可变脉宽的方波信号控制。该控制方波信号是典型地由脉宽调制器产生的，它将给定电压(或电阻或电流)电平转换成相关的方波信号中的脉冲宽度。电压电平本身及由此方波脉冲宽度被设计来代表节流或电动机或电动机驱动的动车的控制位置。

虽然如上简述的基本脉宽调制技术是DC电动机控制领域中所公知的，但很少有人将该技术与电路设计，电路构架及电路外壳一起应用，以提供被使用DC电动机的工业应用所需的效率，特性，功能，恢复时间及热性能。这些电路及电路外壳的许多这样的所需特性及功能已被工业界所识别，并在某些程度上被讨论，但仅是与另外类型的引擎及推进系统相关的。因为内燃引擎及电动机的基本区别，很少与前者有关的控制系统能被在后者上实施。

因此电动控制电路、电路构架及电路外壳应有的优点不仅是提供DC电动机的有效工作，而且要提供可靠及耐光的装置。