具体实施方式

以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。

<实施例>

图1为本发明实施例中的升降压斩波式直流电机驱动装置的电路连接示意图；图2为本发明实施例中m＝3的状态下的升降压斩波式直流电机驱动装置的电路连接示意图。

如图1和图2所示，本实施例中的升降压斩波式直流电机驱动装置100设置在电动设备如电动汽车、电动自行车、火炮、坦克以及雷达内，用于驱动电动设备。该升降压斩波式直流电机驱动装置100包括直流电机10、升降压斩波式斩波器20、直流电源部30、传感部40以及控制部50。

图3为本发明实施例中的直流电机的纵向剖面示意图；图4为本发明实施例中的直流电机的横向剖面电路连接示意图。

如图1至图4所示，直流电机10具有额定电压和额定电流，包括机壳11、定子12、电刷13、转子14以及接线盒(图未示)。如图1所示，根据额定电流的值将电刷13的对数设置为m，m为不小于2的整数。如图2和图4所示，本实施例中m设置为3。

如图1至图4所示，定子12设置在机壳11内，包含m对主磁极121。本实施例中，如图4所示，定子12包含3对共6个主磁极121。

每一对主磁极121含有由体构成的S极性主磁极1211和N极性主磁极1212。在所有主磁极121中，相邻的两个主磁极121的极性相反。

如图1至图4所示，m对电刷13固定设置在机壳11内，且分别与m对主磁极121相对应。本实施例中，如图2和图4所示，电刷13的数目为3对共6个。

每一对电刷13含有一个与S极性主磁极1211相对应的S极对应电刷131和一个与N极性主磁极1212相对应的N极对应电刷132。每一对电刷13中的2个电刷13的位置相邻；而且，每一对电刷13与相对应的每一对主磁极121的空间位置相对应，从而可以产生最大的力矩。

电刷13是窄电刷和宽电刷中的任意一种，本实施例中电刷13是窄电刷。每个电刷13包含一个电刷本体或至少两个沿电机轴向布置并在电气上并联的分开成形的电刷本体；当电刷13包含至少两个电刷本体时，能够使得每个电刷与换向器的实际接触面积增大，从而改善了电刷的换向性能。如图2至图4所示，本实施例中电刷13包含一个电刷本体。

如图1所示，每对电刷13的两个引出端分别形成第一接线端1511和第二接线端1512，所有电刷13的m个第一接线端1511与m个第二接线端1512分别相对应地形成m对外部接线端子151。

本实施例中，如图2和图4所示，第一接线端1511与第二接线端1512相对应地形成1对外部接线端子151，第一接线端1521与第二接线端1522相对应地形成1对外部接线端子152，第一接线端1531与第二接线端1532相对应地形成1对接线端子153。

图5为本发明实施例中的直流电机的电枢绕组单叠联结展开示意图。

如图1至图4所示，转子14设置在定子12内，包含采用预定的联结方式进行相互联结的多个电枢绕组141，电枢绕组141的数目设置为2m×n个，预定的联结方式是单叠、复叠和复波中的任意一种。本实施例中，如图5所示，多个电枢绕组141的联结方式是单叠，相邻两个电刷13连接一条电枢绕组支路，每条电枢绕组支路含有n个电枢绕组141。

接线盒(图未示)固定在机壳11上，如图2和图4所示，3对外部接线端子151、152和153被设置在接线盒内。

如图1所示，升降压斩波式斩波器20是基于控制部50发出的控制信号将直流电源部30的恒压电压转换为平均电压可控的可变电压，并提供给直流电机10。该升降压斩波式斩波器20包括与m对电刷13分别相对应的m个斩波单元21。本实施例中，如图2所示，升降压斩波式斩波器20包括3个斩波单元21。

每个斩波单元21包含相互串联连接的上桥臂211和下桥臂212、以及第一电源输出端2211和第二电源输出端2212。

上桥臂211包含一个功率开关管2111、一个二极管2112、一个电感2113、一个电容2114以及开关控制端2110。功率开关管2111与电感2113串联连接，二极管2112、功率开关管2111和电容2114相互并联连接，。功率开关管2111具有一个控制极，该控制极形成作为上桥臂开关控制端的开关控制端2110。本实施例中，为了提高功率开关管2111在实际工作中的安全性，每个斩波单元21中的功率开关管2111的开关频率fs、电感2112的电感值Lr以及电容2114的电容值Cr满足以下关系：

下桥臂212包含一个功率开关管2121、与功率开关管2121反向并联连接的一个二极管2122以及开关控制端2120。功率开关管2121具有一个控制极，该控制极形成作为下桥臂开关控制端的开关控制端2120。

当所有上桥臂211的功率开关管2111以及所有下桥臂212的功率开关管2121具有相同的最大输出电流I₁，直流电机10的最大电流为I_max时，m满足下述条件：m＞1.1(I_max÷I₁)。最大输出电流是功率开关管的一个重要参数，只有在这个电流值以下时，功率开关管才有可能稳定运行，如果工作电流超过这个电流值，功率开关管就会由于过流而被击穿，从而损坏。

本实施例中，所有功率开关管均为半控型器件或全控型器件，半控型器件为普通晶闸管，全控型器件为电力场效应晶体管、门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管、绝缘栅双极型晶体管以及电力双极型晶体管中的任意一种。

如图1所示，第一电源输出端2211设置在上桥臂211与下桥臂212之间，第二电源输出端2212设置在下桥臂211与直流电源部30相连接的端部。所有斩波单元21的m个第一电源输出端2211与所有斩波单元21的m个第二电源输出端2212分别相对应地形成m对电源输出端子221，该m对电源输出端子221与m对外部接线端子151一一对应连接。

本实施例中，如图2所示，第一电源输出端2211与第二电源输出端2212相对应地形成1对电源输出端子221，第一电源输出端2221与第二电源输出端2222相对应地形成1对电源输出端子222，第一电源输出端2231与第二电源输出端2232相对应地形成1对电源输出端子223，3对电源输出端子221、222和223与3对外部接线端子151、152和153一一对应连接。

如图1和图2所示，直流电源部30具有与直流电机10的额定电压相对应的恒定电压，具有与m个斩波单元21一一对应连接的m对供电输出端子。每一对供电输出端子包含正极311和负极312，正极311与对应的斩波单元21中的上桥臂211相连接，负极312与对应的斩波单元21中的下桥臂212相连接。

如图1和图2所示，传感部40用于对直流电机10的物理量进行检测并输出反馈信号给控制部50。该传感部40包括输出传感器41以及电流传感器42。

输出传感器41对直流电机10输出的位移、转速或转矩进行检测并输出相对应的输出反馈信号给控制部50。

电流传感器42对直流电机10中的电刷引出线的线电流值进行检测并输出相对应的电流反馈信号给控制部50。

如图1和图2所示，控制部50接收一个与直流电机10输出的位移、转速或转矩相对应的外部指令信号。该控制部50包括控制器51和放大器52。

控制器51根据外部指令信号以及传感部40的输出反馈信号和电流反馈信号计算生成并输出控制信号511和使能信号512给放大器52。控制信号511包含分别与m个斩波单元21相对应并且按照预定相位错开规则而形成的m个单元控制信号，每一个单元控制信号包含与对应的斩波单元21中的两个开关控制端2110、2120相对应的两个开关控制信号。使能信号512用于控制放大器52的工作状态。

放大器52在使能信号512的控制下进入工作状态，对每一个单元控制信号中的两个开关控制信号进行放大并对应地提供给两个开关控制端2110、2120。该放大器52具有分别与m个斩波单元21相对应的m个放大信号输出部，每一个放大信号输出部由两个放大信号输出端521、522构成。每一个放大信号输出部的两个放大信号输出端521、522分别与对应的斩波单元21中的两个开关控制端2110、2120对应连接，具体为：放大信号输出端521与上桥臂开关控制端2110相连接，放大信号输出端522与下桥臂开关控制端2120相连接。

本实施例中，预定相位错开规则是m个单元控制信号分别对应的m个相位作为m个预定相位依次错开m分之一开关周期，在每一个斩波单元中，上桥臂开关控制端所对应的开关控制信号设定为基准开关控制信号，该基准开关控制信号的相位根据单元控制信号所对应的预定相位而定，下桥臂开关控制端所对应的开关控制信号与基准开关控制信号设定为互反，使得m个斩波单元的电源输出端子的输出电流的电流纹波叠加后的纹波峰峰值减小，从而减小输出转矩和转速的纹波的峰峰值，进而提高直流电机的性能和寿命。当然，也可根据需要，在m为偶数时，预定相位错开规则是m个单元控制信号分别所对应的m个相位作为m个预定相位依次错开m分之二开关周期，使得空间相对的每两对电刷所对应的每两个斩波单元的电源输出端子的输出电流的电流纹波相同，从而在电机中产生力偶矩，避免由于电机输出转矩纹波不能形成力偶矩所引起的轴与轴承之间的摩擦力矩，减小轴与轴承之间的磨损，提高直流电机的性能和使用寿命。

图6为本发明实施例中的一个斩波单元的波形图。

如图6所示，Vpwm1对应的波形图为如图2所示的本发明实施例中的开关控制信号的电压波形图，I(Lr1)对应的波形图为电感2113的电流波形图，V(Cr1)对应的波形图为电容2114的电压波形图，I(Q1)对应的波形图为功率开关管2111的电流波形图，I1对应的波形图为斩波单元21的输出电流波形图。下面以开关控制信号和功率开关管2111的开关频率均为2千赫兹为例，进行说明。

因为在开关控制信号的波形从高电平变为低电平或从低电平变为高电平时，功率开关管2111的电流值都等于零，也就是说，功率开关管2111在导通过程和关断过程的开关损耗都等于零，所以，本实施例能够实现功率开关管在导通过程和关断过程工作在零电流软开关状态，避免了传统的斩波器中的功率开关管在导通过程和关断过程产生严重开关损耗的问题，大大减小了升降压斩波式斩波器的发热量和温升，进而减小了升降压斩波式斩波器的故障率，提高了升降压斩波式斩波器的使用寿命，从而提高了升降压斩波式直流电机驱动装置的可靠性和安全性。

另外，电感2113的电流波形和电容2114的电压波形都有一部分呈谐振状态，设定电感2113的电感值为Lr，电容2114的电容值为Cr，则通过公式计算得到的两者的谐振频率都约为2.5千赫兹，都大于功率开关管2111的开关频率fs的1.1倍，能够有效地确保功率开关管2111在导通过程和关断过程工作在零电流软开关状态。此外，在升降压斩波式斩波器的实际工作中，虽然电感2113的电流波形、电容2114的电压波形以及功率开关管2111的电流波形是断续的，但是斩波单元21的输出电流是始终连续的。电容2114可采用电解电容。因为电解电容的组成材料都是普通的工业材料，比如铝等等，制造电解电容的设备也都是普通的工业设备，可以大规模生产，所以电解电容的成本相对比较低。

图7为本发明实施例中的直流电机和传统的直流电机的波形比较图。

如图7所示，Ia1、Ia2以及Ia3分别是流经本实施例的直流电机10的三个电刷A1、A2以及A3的电流；Ia10、Tem10以及n10分别是本实施例的直流电机10的电枢电流、电磁转矩以及转速，Ia10＝Ia1+Ia2+Ia3；Ia200、Tem200以及n200分别是传统的直流电机的电枢电流、电磁转矩以及转速。下面以本实施例的直流电机驱动装置和传统的直流电机驱动装置都处于相同的负载、开关频率和电机额定参数的状态下为例，进行说明。其中，开关频率为2千赫兹。

在稳定状态下，纹波的峰峰值为最大值和最小值之差，纹波系数为峰峰值与平均值的百分比。

由于在预定相位错开规则作用下，三个开关控制信号的相位分别依次错开3分之一开关周期，因此，三个电刷A1、A2以及A3的电流Ia1、Ia2以及Ia3的幅值相等且相位分别依次错开3分之一开关周期。虽然本实施例的直流电机10的电枢电流Ia10、电磁转矩Tem10以及转速n10的平均值分别与传统的直流电机的电枢电流Ia200、电磁转矩Tem200以及转速n200的平均值基本相等，本实施例的直流电机10的三个电刷A1、A2以及A3的电流Ia1、Ia2以及Ia3的纹波系数都约为传统的直流电机的电枢电流Ia200的纹波系数的2倍，但是，本实施例的直流电机10的电枢电流Ia10以及电磁转矩Tem10的纹波系数分别约为传统的直流电机的电枢电流Ia200以及电磁转矩Tem200的纹波系数的18分之一，并且，本实施例的直流电机10的转速n10的纹波系数约为传统的直流电机的转速n200的纹波系数的55分之一，使得直流电机10的电磁干扰、振动和噪声都大大降低，从而提高了直流电机驱动装置100的性能和寿命。

实施例作用与效果

根据本实施例所涉及的升降压斩波式直流电机驱动装置以及包含该升降压斩波式直流电机驱动装置的电动设备，因为升降压斩波式斩波器具有m个斩波单元，每个斩波单元包含上桥臂和下桥臂、以及第一电源输出端和第二电源输出端，上桥臂与下桥臂相互串联连接，上桥臂与直流电源部的正极相连接，下桥臂与直流电源部的负极相连接，上桥臂和下桥臂分别包含一个功率开关管、与功率开关管反向并联连接的二极管以及开关控制端，每一个功率开关管具有一个控制极，开关控制端基于控制极而形成，控制信号包含分别与m个斩波单元相对应并且按照预定相位错开规则而形成的m个单元控制信号，每一个单元控制信号包含与对应的斩波单元中的两个开关控制端相对应的两个开关控制信号，上桥臂中的开关控制端作为上桥臂开关控制端、下桥臂中的开关控制端作为下桥臂开关控制端用于对应地接收两个开关控制信号，第一电源输出端设置在上桥臂与下桥臂之间，第二电源输出端设置在下桥臂与直流电源部相连接的端部，所有斩波单元的m个第一电源输出端与所有斩波单元的m个第二电源输出端分别相对应地形成m对电源输出端子，所有S极对应电刷的引出端形成m个第一接线端，所有N极对应电刷的引出端形成m个第二接线端；或者，所有N极对应电刷的引出端形成m个第一接线端，所有S极对应电刷的引出端形成m个第二接线端，m个第一接线端与m个第二接线端分别相对应地形成m对外部接线端子，m对外部接线端子与m对电源输出端子一一对应连接，所以，本实施例能够在不改变传统的直流电机的转子结构的基础上，实现m对相互独立的电刷，并且每对电刷所构成的电枢支路由对应的斩波单元独立供电，也就是说，每个斩波单元只承担一条电枢支路的工作电流，并且每个斩波单元的输出电流仅为直流电机的额定输入电流的m分之一，使得升降压斩波式斩波器不需要采用功率模块或并联均流技术而使用普通的功率开关管就能够满足大功率直流电机的要求，进而降低了升降压斩波式斩波器的制造成本，降低了升降压斩波式斩波器与直流电机之间的连接线和连接件对接触电阻和绝缘的要求，从而极大地降低了升降压斩波式直流电机驱动装置的制造成本。

另外，因为上桥臂还包含一个电感以及一个电容，上桥臂开关管与电感串联连接，二极管作为上桥臂二极管、功率开关管作为上桥臂开关管和电容相互并联连接，所以，本实施例中的升降压斩波式斩波器使用低成本的电感以及电容进行控制就能够实现功率开关管在导通过程和关断过程工作在零电流软开关状态，使得功率开关管的开关损耗得到极大的减小，进而大大减小了升降压斩波式斩波器的发热量和温升，减小了升降压斩波式斩波器的故障率，提高了升降压斩波式斩波器的使用寿命，从而提高了升降压斩波式直流电机驱动装置的可靠性和安全性。

此外，因为控制信号包含分别与m个斩波单元相对应并且按照预定相位错开规则而形成的m个单元控制信号，每个单位控制信号包含与对应的斩波单元中的两个开关控制端相对应的两个开关控制信号，每个斩波单元的上桥臂中的开关控制端、下桥臂中的开关控制端对应地接收两个开关控制信号，所以，本实施例中的每个斩波单元的输出电流纹波的相位互不相同，使得m个斩波单元的输出电流纹波叠加后的纹波系数减小，进而减小了直流电机的输出转矩和转速的纹波系数，从而大大降低了直流电机的电磁干扰、振动和噪声，提高了升降压斩波式直流电机驱动装置的性能和寿命。

另外，因为m对电刷是相互独立的，并且每对电刷所构成的电枢支路由对应的斩波单元独立供电，所以，本发明中的直流电机在某一个电刷、电枢支路与对应的斩波单元之间的连接线出现故障时，只需要把故障所在部分屏蔽即可，其他正常部分依然可以工作，可以避免传统直流电机在故障情况下的突然失控现象，提高升降压斩波式直流电机驱动装置的可靠性和安全性。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

例如，在上述实施方式中，上桥臂中的电感、二极管以及电容的数量为一个，下桥臂中的二极管的数量为一个。但是，在本发明中，上桥臂中的电感、二极管和电容以及下桥臂中的二极管的数量也可以分别为多个，在这种情况下，当任意一个元器件发生故障时，其余的元器件也可以正常工作，有助于提高升降压斩波式直流电机驱动装置的可靠性和安全性。

又如，在实施例中，若需要升降压斩波式直流电机驱动装置正常工作，放大器必须处于工作模式，因此，也可以不对放大器施加使能信号。

又如，在对直流电机稳态运行时的电枢电流、转速以及转矩要求精度较高的场合下，m也可根据相应的电枢电流、转速以及转矩纹波的峰峰值与纹波系数设置。

又如，在上述具体实施方式中，上桥臂和下桥臂也可以分别为功率开关器件，作为上桥臂的功率开关器件等效于功率开关管、与功率开关管反向并联的二极管、与功率开关管串联的电感以及与由功率开关管、电感以及二极管构成组件部并联的电容，作为下桥臂的功率开关器件等效于功率开关管以及与该功率开关管反向并联的二极管。