CN103546075A - 电子换向电动机中监视平均电流和输入功率的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子换向电动机中监视平均电流和输入功率的方法和装置。具体地，说明了用于监视对电子换向电动机（ECM）的输入功率的方法。该方法包括：通过处理设备确定对电动机的平均输入电流，该平均输入电流基于与电动机串联的分流电阻器两端的电压降；通过利用处理设备测量向电动机施加的平均输入电压；将平均输入电流乘以平均电压以确定大致的输入功率；和将平均输入功率传送给外部接口。

Description

电子换向电动机中监视平均电流和输入功率的方法和装置

本申请是题为“电子换向电动机中监视平均电流和输入功率的方法和装置”的、申请日为2009年8月28日的发明专利申请200910171033.1的分案申请。

技术领域

本公开的领域一般涉及电子换向电动机，更具体地，涉及用于电子换向电动机中监视平均电流和输入功率的方法和装置。

背景技术

电子换向电动机（ECM）被用于广泛的应用中。在工业中以及在这里，ECM有时被称为无刷DC电动机。运用ECM的一种应用是气流传输系统。在气流传输系统中，诸如在大型冷却器中的蒸发器风扇单元中，期望知道在某些加载条件下使用多大的功率，以使能量使用最小化。为了节约能量，可以使用该功率利用信息以确定什么时候不需要除霜循环或者什么时候系统处于利用中。

一些系统加入峰值电流控制电路以及恒定扭矩算法，以确定电动机上的负载。这种配置的缺点在于，为了计算总功率输入，必须进行效率估计。一般地，这种配置利用用于获得效率估计的查找表。如果作为查找表的替代利用实时功率测量，那么可获得更好的数据。

发明内容

在一个方面中，提供一种用于监视对电子换向电动机（ECM）的输入功率的方法。该方法包括：通过处理设备确定对电动机的平均输入电流，该平均输入电流基于与电动机串联的分流电阻器两端的电压降；通过利用处理设备测量向电动机施加的平均输入电压；将平均输入电流乘以施加的平均电压以确定大致的输入功率；和将平均输入功率传送给外部接口。

在另一方面中，提供一种电子换向电动机（ECM）。该ECM包括：转子；用于使转子旋转的多个绕组；和ECM控制电路。ECM控制电路包括：可操作为选择性地将绕组耦合到电源上的开关电路；与所述开关电路串联的分流电阻器；被配置为控制所述开关电路的处理设备；和与所述处理设备耦合的至少一个模数转换器（ADC）。所述处理设备被配置为控制所述ADC的操作，使得可基于所述分流电阻器两端的电压降确定对电动机的平均输入电流，并且可使用电阻分压器测量向电动机施加的平均输入电压。

可以在本发明的各实施例中独立地实现已讨论的特征、功能和优点，或者，在可参照以下的说明和附图看到其进一步的细节的另一些实施例中可以组合它们。

附图说明

图1是集成的电子换向电动机（ECM）和控制电路组件的分解视图。

图2是图1的ECM和控制电路组件的完全组装图。

图3是ECM的可选择的实施例的分解端视图。

图4是ECM控制器的一个实施例的功能框图，该控制器包括平均输入电流监视能力。

图5是平均输入电流监视电路的详细示意图。

具体实施方式

参照附图，更具体地参照图1和图2，附图标记10总体表示集成的电子换向电动机和控制电路组件。电动机组件10包括无刷电子换向DC电动机13，该无刷电子换向DC电动机13具有包括定子或铁芯17的固定组件15和包括永磁转子12和轴14的可旋转组件19。风扇（未示出）或诸如用于使空气移动通过空气处理系统的装置的被驱动的其它装置与轴14接合。特别地，电动机组件10用于与诸如空气调节系统的空气处理系统组合，该空气调节系统包括用于将空气吹过冷却线圈的风扇，用于向建筑物供给冷却空气。

转子12被安装和锁定在轴14上，该轴14具有轴颈以便在常规的轴承16中旋转。轴承16被安装在与第一端部构件20和第二端部构件22成一体的轴承支架18中。端部构件20和22基本上是平的并且相互平行。端部构件20和22具有其间定位固定组件15和可旋转组件19的内部面对侧24、25。各端部构件20和22具有与其内侧24、25相对的外侧26、27。另外，第二端部构件22具有用于轴14穿过并从外侧26伸出的孔径23。

转子12包括铁磁芯28，并可在定子17的钻孔内旋转。例如，通过与转子芯28结合的粘接剂固定永磁材料的八个基本上相同的磁性材料元件或相对较薄的弓形段30，每个磁性材料元件或相对较薄的弓形段提供相对恒定的通量场。各段30被磁性化为沿径向关于转子芯28被极化，使得相邻的段30如指示的那样交替极化。虽然出于公开的目的示出了转子12上的磁体30，但是可以设想，可以利用具有不同的构造的其它转子、和数量、构造、和通量场均不相同的其它磁体，使得这些其它转子满足其目的中的至少一些。

固定组件15包括适于被通电以产生电磁场的多个绕组段（winding stage）32。各段32是缠绕在叠层定子芯部17的齿部34周围的导线的线圈。可通过一一位于芯部17的外表面中的各缺口38中的四个绳夹舌板36将芯部17保持在一起。可选择地，本领域技术人员可以理解，可通过诸如例如焊接或粘接剂结合的其它适当的手段将芯部17保持在一起，或者，仅通过绕组将它们保持在一起。绕组端部匝延伸到定子端面外面，并且，通过在连接器42中端接的第一端部构件20中的孔径41将绕组终端引线40引出。虽然出于公开的目的示出了固定组件15，但是可以设想，在本发明的范围内，可以利用具有不同的形状并具有不同的齿部数量的各种其它构造的其它固定组件，以满足其目的中的至少一些。

电动机组件10还包括被安装在电动机组件10的后部上的盖子44，以在盖子44内封装电动机13的控制装置46。盖子44包括具有多个从中伸出的间隔元件50的边缘48，这些间隔元件与第一端部构件20的外侧27接合。盖子44包括基本上呈环形的侧壁49，使得侧壁49的顶部形成边缘48。控制装置46位于第一端部构件20的外侧27附近。控制装置46包括安装在诸如印刷电路板的部件板56上的多个电子部件52和连接器（未示出）。控制装置46通过将连接器42和连接器54互连与绕组段32连接。控制装置46以预先选择的顺序在将绕组段32换向时向绕组段32中的一个或更多个施加电压，以使可旋转组件19绕着旋转轴旋转。

包括多个螺栓的连接元件58穿过第二端部构件22中的螺栓孔60、芯部17中的螺栓孔61、第一端部构件20中的螺栓孔63和盖子44中的螺栓孔65。连接元件58的头部67与第二端部构件22接合。连接元件58适于将第二端部构件22和盖子44彼此压在一起，由此在其间支撑第一端部构件20、固定组件15和可旋转组件19。另外，用于封装和保护固定组件15和可旋转组件19的外壳62可位于第一端部构件20和第二端部构件22之间。

这里仅出于公开的目的说明的电子换向电动机13是八转子磁极电动机，但是，可以理解，本发明的电子换向电动机可包括任意偶数的转子磁极，并且定子磁极的数量是转子磁极的数量的倍数，例如，定子磁极的数量可基于相位的数量。在图中未示出的一个示例性实施例中，三相ECM包含六个转子磁极对和18个定子磁极。

根据本发明的电动机组件10以以下的方式操作。当以时间顺序对绕组段32通电时，建立三组八磁极，这些组将根据预先选择的顺序或对各段通电的次序提供绕芯部17顺时针或逆时针移动的径向磁场。该移动场与磁体30磁极的通量场交互作用，以使转子沿期望的方向相对于芯部17旋转，以形成作为磁场的强度的正函数的扭矩。

通过在可旋转组件19在芯部17内旋转时感测其旋转位置、并依次利用作为转子12的旋转位置的函数产生的电信号以便以不同的预先选择的次序或确定转子12的旋转方向的顺序向绕组段32中的每一个施加DC电压，在没有电刷的情况下使绕组段32换向。可通过响应反电动势（BEMF）的位置检测电路实现位置感测，以提供指示转子12的旋转位置的模拟信号，从而控制对于电动机13的绕组段32的电压的定时顺序施加。也可使用其它的位置感测手段。

图2示出完全组装的电动机组件10。连接元件58穿过第二端部构件22、固定组件15、第一端部构件20和盖子44。连接元件58具有从盖子44侧向伸出的部分64。部分64适于与用于支撑电动机组件10的支撑结构（未示出）接合。可通过将与螺纹接合的螺母66放置在连接元件58的部分64中的每一个上，使连接元件58固定就位。线束80和连接器82被用于将电动机组件10连接到在后面进一步说明的电源上。

间隔元件50在可与第一端部构件20的外侧27接合时在间隔元件50、边缘48和外侧27之间形成气隙68。气隙68允许流过盖子44，由此消散由电动机组件10产生的热。另外，如果电动机组件10暴露于雨中，那么气隙68允许进入盖子44中的雨水通过气隙68流出盖子44。

在盖子44的底部76中形成凹部75，该凹部75为装配以拧紧螺母66的工具（未示出）提供空间。凹部75还使得螺母66能够被安装在连接元件58上与盖子44的底部76平齐。

图3是ECM100的可选择实施例的分解端视图。电动机100包括电动机壳102和被配置为附装到电动机壳102上的电动机控制单元104。电动机控制单元104的底盘105用作电动机100的端罩106。电动机壳102还包括与在后面进一步说明的底盘105中形成的散热器109接合的狭槽108。当电动机控制单元104包括底盘105时，电动机100被配置为使得电动机壳102为电动机控制单元104提供基本上全部的壳。在电动机壳102内，是电动机100的绕组110和被配置为安置在绕组110和电动机控制单元104之间的中间罩112。

中间罩112的安置和配置使得允许在不破坏或不移开包括电动机100的绕组110的电动机绕组组件124的情况下取出和更换电动机100的电动机控制单元104。如所示的那样，电动机壳102被配置为与端罩106一起形成电动机控制单元104的壳的一部分，从而允许整件壳配置。中间罩112还被配置为满足向电动机100施加的任何气流、电压间隙和组件高度限制。

在一个实施例中，如所示的那样，中间罩112相对于电动机100的中心线125精确地装配，并进一步与穿过电动机控制单元104的端罩106的两个螺栓126对准，以在电动机壳102内夹持和固定中间罩112和电动机控制单元104。即使当去除包含电动机控制单元104的电子器件的底盘105时也保持这种对准和对称。在壳102内保持对准和对称是十分重要的，因为这样降低在场中电动机控制单元104的更换成本。通过中间罩112，电动机壳102被用作图3所示的电动机控制单元104的多个部分的容纳壳的一部分，从而与（图1和图2所示的）电动机11相比减小电动机100的尺寸，因此，中间罩112还有助于降低电动机100的材料成本。另外，这种配置允许电源连接器128安置成与底盘105平齐。

利用中间罩112使得在不干扰电动机组件的其余部分例如绕组110的情况下能够从壳102取出电动机控制单元104。通过使用中间罩112以固定与电动机100的电动机轴（在图1中也未示出）接合的轴承，获得这种无干扰的效果。因此，电动机壳102被另外配置成为电动机100的电气部件（例如，电动机控制单元104）提供任何所需要的间隙，以使得电动机控制单元104能够脱离电动机100。

关于这里说明的实施例中的一个，通过积分器电路使向无刷DC电动机10（100）传输的电流平均化，该积分器电路的输出与模数转换器（ADC）耦合，该模数转换器的输出数据被发送到处理设备。在另一实施例中，积分器电路输出被发送到微控制器上的ADC输入。当同样为对微控制器的模数转换器输入的平均施加电动机电压乘以电流时，任一实施例使得能够很容易地计算向电动机传输的平均功率。出于能量节约的目的，可以使用向电动机传输的平均功率作为气流传输系统中的用于控制由系统使用的功率量的指示。如上所述，为了计算总功率输入，电流系统使用峰值电流控制以及恒定扭矩算法，以从必须进行效率估计的情况确定电动机上的负载。

与估计相反，说明的实施例使用实时功率输入监视。为了得到更高的可靠性，这种方法还使得能够设定内部最大功率限制以保护微控制器/微处理器。换句话说，对于能量节约目的的电动机的最终用户以及对于要增强其产品可靠性的控制设计人员，瓦特计功能均是可用的。实施例的优点是无刷DC电动机中的内置功率使用功能，其中，最终用户可通过数字串行接口询问电动机以确定功率使用。另外，最终用户可开发可基于功率使用信息优化能量节约的系统控制器。

图4是包括平均电流监视电路150的ECM控制器的一个实施例的功能框图。平均电流监视电路150可与上述的电动机10和100一起使用。特别地，电流监视电路150包括具有第一级积分器170和第二级放大器172的双级运算放大器（Op Amp）152。通过分流电阻器162传输向电动机160传输的电流。通过对三相逆变器桥164中的六个电源开关进行脉冲宽度调制，控制电动机电流的峰值。分流电阻器162两端的电压降等于电动机电流乘以分流电阻器162的电阻值。该电压降被输入到积分器170，该积分器170根据

将分流电阻器162两端的电压降平均化，这里，“v”是分流电阻器162两端的电压，“RC”是积分器170的时间常数。

积分器170的输出被放大器172放大。在示出的实施例中，必须进行放大，以为微控制器176上的模数（A/D）输入174提供适当的电压电平。该电压电平在0～+4.5V的范围内，并且与第一级积分器170的输出成正比。由于第一级积分器170的输出是分流电阻器162两端的平均电压，并且分流电阻器162两端的电压与电动机电流成正比，因此断定，在A/D输入174处出现的电压电平与向电动机传输的平均电流成正比。为了计算输入功率，向电动机传输的平均电流乘以向电动机160施加的电压。如果施加的电动机电压来自DC电源，那么输入功率等于DC电压乘以向电动机传输的平均电流。

但是，当施加的电动机电压来自AC电源时，施加的电压是时间和电动机电流的电平的函数。在这种配置中，AC输入电压源一般被桥式整流器（未示出）整流并被例如为铝电解质电容器的电容器180滤波，以形成可被电动机160利用的DC电压电源182。示出的实施例操作为将滤波电容器180上的分开的电压平均化。具体而言，分压器184按比例将滤波电容器180上的高电压降低到可被微控制器176上的第二A/D输入188读取的电平。在固定的时间间隔上将被微控制器176读取的电压平均化，从而得到平均电压。

然后，将该平均电压乘以通过微控制器176从第一A/D输入174读取的平均电流。得到的输出大致为向电动机160传输的输入功率。当从最终用户I/O设备192请求时，得到的输入功率测量通过数字串行接口（DSI）190被传送到外部设备。

图5是上述电路150的一个特定实施例的详细示意图200。平均电流检测器包括二级Op Amp U6。第一级是所说明的积分器，该积分器包括时间常数确定R9和C27、增益设定电阻器R10、偏移偏压电阻器R78和R79和高频噪声滤波电容器C8、C34和C35。R54是电动机电流流过的分流电阻器。R8和R9将分流电阻器R54两端的电压耦合到第一级积分器上。第二级是具有被R59和R58设定的增益的放大器。R57是输入平衡电阻器，并且，电阻器R81和R83是负载电阻器。电压感测电路具有由R1、R2、R3、R4和R26形成的分压器。R82是耦合电阻器，并且R90和R91是偏压电阻器。D11是用于保护微控制器U9以使其免于电压尖峰的箝位二极管。微控制器U9具有两个A/D输入端口，即读取平均电动机电流的AN7和读取向电动机施加的平均电压的AN6。BR1是对AC输入电压进行整流的二极管桥，并且，电容器C1将整流的电压滤波成DC电压。

这里用专一性说明本公开的主题以满足法定要求。但是，其说明意图不在于限制本专利的范围。相反，已设想结合其它当前或将来的技术，还可以以其它的方式体现要求的主题，以包括与在本文件中说明的那些类似的不同的步骤或步骤的组合。此外，虽然这里可以使用术语“步骤”、“块”和/或“操作”以隐含使用的方法的不同的要素，但是，除非各单个步骤的次序被明确说明，否则，这些术语不应被解释为隐含这里公开的各步骤之间的任何特定次序。

本书面说明使用例子以公开说明的包括最佳方式的实施例，并且还使得任何本领域技术人员能够实施说明的实施例，包括制作和使用任何装置或系统和执行任何包含的方法。可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员可想到的其它例子。对于这些其它的例子，如果它们具有不与权利要求的字面语言不同的结构要素，或者，如果它们包含与权利要求的字面语言没有实质性差异的等同的结构要素，那么它们应在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种保护电动机的电动机控制器的方法，所述方法包括：

通过处理设备基于与电动机串联的分流电阻器两端的电压降确定对电动机的平均输入电流；

测量至少一个电压；

通过处理设备基于所测量的至少一个电压确定对电动机施加的平均输入电压；

将平均输入电流乘以平均输入电压以确定平均输入功率；以及

基于所述平均输入功率为电动机控制器设置最大功率限制值。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括使用所确定的平均输入功率作为气流传输系统中的用于控制由系统使用的功率量的指示。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所测量的至少一个电压确定对电动机施加的平均输入电压包括：

整流和滤波对电动机施加的AC输入电压；

按比例将经整流和滤波的AC输入电压分压为与模数转换器相适应的电平；以及

在固定的时间间隔上将经分压的电压的多个读数平均化以确定平均输入电压。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所测量的至少一个电压确定对电动机施加的平均输入电压包括：

按比例将DC输入电压分压为与模数转换器相适应的电平；以及

在固定的时间间隔上将经分压的电压的多个读数平均化以确定平均输入电压。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，确定对电动机的平均输入电流包括：向模数转换器施加分流电阻器两端的电压降。

6.一种电动机，包括：

转子；

用于使所述转子旋转的多个绕组；以及

电动机控制电路，该电动机控制电路包括：

可操作为选择性地将所述绕组耦合到电源上的开关电路；

与所述开关电路串联的分流电阻器；以及

处理设备，被编程用于：

基于所述分流电阻器两端的电压降确定对所述电动机的平均输入电流；

基于至少一个电压测量值确定对所述电动机施加的平均输入电压；

将平均输入电流乘以平均输入电压以确定平均输入功率；以及

基于所述平均输入功率为所述电动机控制电路设置最大功率限制值。

7.根据权利要求6所述的电动机，其中，所述处理设备还被编程用于通过控制被传递至所述电动机的电流量来将平均输入功率保持在最大功率限制值以下。

8.根据权利要求6所述的电动机，其中，所述处理设备还被编程用于使用所确定的平均输入功率作为气流传输系统中的用于控制被传递至风扇的功率量的指示。

9.根据权利要求6所述的电动机，其中，为了确定到所述电动机的平均输入电压，所述处理设备还被编程用于：

使用积分器关于时间将所述分流电阻器两端的电压降进行积分；并

向模数转换器施加积分的电压。

10.根据权利要求9所述的电动机，其中，为了将所述分流电阻器两端的电压降进行积分，所述处理设备被编程用于：

根据

对所述分流电阻器两端的电压降进行积分，这里，“v”是所述分流电阻器两端的电压，“RC”是所述积分器的时间常数；以及

通过放大所述积分器的输出以向所述模数转换器的输入提供适当的电压电平，向所述模数转换器施加积分的电压。

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