校準電動機控制電路以改進電動機溫度測量的方法和系統(tǒng)的制作方法

專利名稱：校準電動機控制電路以改進電動機溫度測量的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
; M^開一般涉及電動機控制，特別涉及為識別電動機溫度對電動機繞 組電阻進行的測量。
背景技術：
三相電動機用在多種應用之中。電動機典型地用以多種形式供給電能 的電源供電。在一種方式中，輸入信號是正弦波形，三個電動機引線(lead) 中的每一個用電壓或電流正弦波形驅動，該波形在各引線之間具有120度 相差。在另一種方式中，"梯形換向(trapezoidal commutation)，，用于 提供在任何時間點上僅驅動三個電動機引線中的兩個的受控電流。正弦波 典型地用于驅動較大、較高性能交流(AC)電動機，而較低成本的梯形換 向典型地用于小的AC電動機。在某些應用中，通過具有半橋的變換器， AC能量源被整流，以便產生施加到DC電動機的直流(DC)電壓。電動 機控制器一一例如數字信號處理器(DSP)——有選擇地致動變換器的半 橋，以便將DC電壓施加到DC電動機的繞組。典型地，半橋的有選擇的 致動通過向將DSP接口到變換器的半橋的驅動器電路施加脈寬調制 (PWM)信號來進行。
在電動;^行時，電動機產生熱。特別地，改變電動機負載或電動機 旋轉的速度使得電動機產生熱。隨著電動機變熱，電動機損壞的風險增大， 如果電動機運行保持在可能使電動機部件劣化的溫度的話。因此，電動機 控制器需要響應于電動機溫度超過某個溫度閾值來減小或終止到電動機的 電流供給。在前面的電動機控制器中，溫度傳感器可凈皮放在到電動機的引 線中。該傳感器產生與電動機溫度對應的信號。電動機控制器于是可監(jiān)視 來自傳感器的信號，并將該信號與溫度閾值進行比較。隨著信號逼近或超過閾值，電動機控制器可改變控制器向電動機提供電流的方式。
盡管用溫度傳感器監(jiān)視電動機引線溫度是電動機電流調節(jié)的可實行的
方法，該方法需要電動機引線中的溫度傳感器的代價。在大M^莫制造的機 器中，例如洗衣機或干燥器中，各機器中溫度傳感器的代價可能向以必要 的生產率的機器制造增加顯著的成本。因此，不^f吏用溫度傳感器的電動機
溫度測量可能是有利的。

發(fā)明內容
一種方法以更為準確地測量電動機溫度為目的使得對設備用電動機控 制電路中的變換器損耗的測量成為可能。該方法包含，以笫一占空比，通 過變換器向電動機繞組施加由第一 AC供給電壓產生的恒定的DC電流， 在電動機電流檢測電阻器上測量與通過電動機的電流對應的第 一 電壓，計 算電動機電流檢測電阻器上的測得的笫一電壓與對應于第一 AC供給電壓 的第一 DC輸入電壓的第 一比值，由計算得到的第 一比值識別第二占空比， 將第二占空比與第一占空比進行比較，由第一占空比與第二占空比之間的 差識別第 一變換器損耗因子。
一種電路使得計算在家用電器中的電動機運行過程中發(fā)生的變換器損 耗成為可能。該電路包含變換器，其具有用于有選擇地將電動才凡的繞組 耦合到電力供給母線的多個半橋；電動機，其被配置為用于有選擇地耦合 到變換器；電流檢測電路，其被耦合在變換器與電氣地之間以及電動機的 繞組與電氣地之間；數字信號處理器(DSP)，其被耦合到變換器、電力 供給母線以及電流檢測電路，DSP被配置為識別在對于電力供給母線的至 少兩個不同電壓中的每一個下通過變換器的漏電流。


聯(lián)系附圖，在下面的說明中闡釋在沒有溫度傳感器的情況下可測量電 動機引線溫度的電路的前述方面以及其他特征，在附圖中
圖1為一電路的原理圖，該電路使得在沒有溫度傳感器的情況下測量電動機繞組溫度成為可能；
圖2為一方法的流程圖，該方法可在圖1的電路中實現，以識別i殳備 用電動機控制電路中的變換器損耗；
圖3為一方法的流程圖，該方法可在圖1的電路中實現，以l更更為準 確地測量圖1的變換器兩端的電壓降。
具體實施例方式
圖1示出了電路10，其中，在DSP 20的控制下，傳統(tǒng)的電氣DC電 動機14受到變換器18的驅動。在圖1所示的示例性電路中，電動機14 旋轉洗衣機中的衣物桶。電力由AC電源24供給。AC電力信號受到二極 管28、 30、 34、 38整流。結果得到的DC電壓被DC母線40提供到變換 器18的輸入。電容器44幫助將DC電壓保持為接近恒定值。低電壓電源 48包含降壓變壓器，以便產生第二DC電壓Vcc，其被用于對電動機控制 電路的電子電i^電，該電路包含DSP20和熱敏電阻54。
繼續(xù)參照圖1， DC母線上的電壓提供在包含電阻器58與60的分壓器 的兩端。這兩個電阻器之間的電壓被提供給DSP 20的模擬至數字轉換輸 入。此電壓由DSP20進^f亍測量，并用電阻器58與60的值用于計算高DC 電壓母線40上的供給電壓。術語"高DC電壓，，將電壓母線40與由低電 壓電源48提供的DC電子電路供給電壓Vcc區(qū)分開。根據存儲在DSP 20 的存儲器中的編程指令，DSP20以已知的方式產生PWM信號，用于驅動 器64和68。 PWM信號被驅動器64和68以已知的方式轉換，以^便以有選 擇的方式致動構成變換器18的半橋的絕緣柵型雙極型晶體管(IGBT)70、 74、 78、 80。盡管提供了三個半橋，每個用于電動機14的一個引線，圖l 示出了僅僅兩個，以便簡化電路的討論。以DSP 20確定的占空比，這些 IGBT的有選擇的致動有選擇地將電動機14的繞組耦合到高電壓DC母線 40上的電壓。結果得到的流經繞組的電流幫助對電動機通電。來自電動機 繞組的電流從變換器的對應半橋流出，并在電動機分流電阻器84的兩端下 降，以提供被供到運算放大器88的輸入的電壓。運算放大器88以已知方式用偏置電壓配置，該電壓補償DC偏移誤差，并將運算放大器輸出的零 基準點保持為接近近似為Vcc的一半的電壓。這種配置使得運算放大器88 的輸出電壓能夠在零基準點周圍波動，以《更指示正和負電動機電流。運算 放大器88的輸出耦合到DSP 20的第二模擬至數字轉換輸入。在洗;W4 行過程中，運算放大器88的輸出電壓對應于經過變換器18以及電動機14 中的繞組的電流。在校準過程中，DSP20以下面介紹的方式使用此電流輸 入，以便計算變換器兩端的電壓。此電流輸入于是被DSP 20用于調節(jié)洗 衣機運行過程中對應于電動機電流的電壓，并更為準確地測量電動機14 的繞組的電阻變化。
DSP 20的第三模擬至數字輸入被耦合到由電阻器50和熱敏電阻54構 成的分壓器。隨著溫度導致熱敏電阻54的電阻變化，信號發(fā)生變化。因此， DSP 20使用來自分壓器的電壓信號來識別電動機控制電路板上的散熱器 的溫度。此溫度可如下面更為詳細討論的那樣被用于識別電路板電子電路 的溫度校正因子。
為了校準，DSP通過串行通信鏈路與工廠校準設備通信，串行通信鏈 路可通過有線端口或例如紅外端口等無線端口實現。圖1的DSP的編程指 令可包含將DSP 20配置為執(zhí)行計算電動機運行參數的校準過程的指令。 這些參數使得DSP 20能夠更為準確地測量電動機14的繞組電阻變化。這 些變化 視，因為它們指示電動機的運行溫度。
為了執(zhí)行校準過程，例如圖2所示的過程200，工廠校準設備被耦合 到電動機控制電路的DSP，例如圖1所示的DSP，以便進行數據通信。為 了開始該過程，工廠校準設備將AC供給電壓設置到設備被使用的典型環(huán) 境中AC電源的運行范圍內的等級(塊208),例如，AC供給范圍的下端 對應于可能來自家庭電源插座的最低AC電壓，該范圍的上端對應于可能 在家中遇到的最高AC電壓。相應地， 一個實施例中的最低AC電壓為90 VAC，最高AC電壓為132VAC。 一旦AC電源輸出等級被設置，DSP 20 接收來自工廠校準設備的消息以測量高DC電壓母線(塊214)。測量得 到的電壓在從DSP20到工廠校準設備的消息中被發(fā)送(塊218)。工廠校準i殳備將對應于AC電壓設置的預期DC電壓與由DSP 20測量的DC母線 電壓進行比較，并計算對應于預期DC電源電壓和測量所得DC電源電壓 之間差對應的DC電源誤差因子(塊220)。此DC電源誤差因子被工廠 校準設備發(fā)送到DSP 20， DSP 20對該因子進行存儲，以4更用于未來的使 用(塊224 )。
校準過程通過測量電流檢測電路中的誤差來繼續(xù)。將到在上面討論的 運算放大器88的偏置電壓從運算放大器移除(塊228)，使得整個運算放 大器范圍對于測量分流電阻器84兩端的電壓可用。另外，將電動機引 線——例如引線100—一從電動機14解除耦合，將測試電流在解除耦合的 電動機引線的連接上輸入到變換器18 (塊230 ) 。 DSP 20不運行驅動器電 路，故分流電阻器84兩端的電壓有望密切對應于測試電流乘以電流檢測電 阻84。 DSP20通過運算放大器88測量電壓輸出，并將測量得到的電壓測 量得到的電壓發(fā)送到工廠校準設備(塊234)。電阻器84兩端的預期電壓 與測量電壓之間的差對應于電流檢測電路中的誤差。工廠校準設備計算該 差，并將之提供給DSP20,以便存儲為電流檢測校正因子(塊238)。在 一實施例中，測試電流為-2安培。
在變換器18將電動機耦合到高DC電壓母線40的運行中，IGBT和 續(xù)流二極管——例如二極管92、 94、 96、 98——不同時開關。為了在電動 機引線上獲得預定的電壓，半橋的上下IGBT以180度異相被驅動。來自 DSP的PWM信號的下部開啟特定的IGBT。為了防止同一半橋的上下 IGBT同時開通(其將分流電阻器兩端的DC電壓母線短接到電氣地)， 在PWM周期中插入死區(qū)時間。在死區(qū)時間內，IGBT均被關斷。在死區(qū) 時間后，有效的IGBT被開通，另一 IGBT可仍凈皮關斷。通過兩個IGBT 的這種連接是小的，并稱為同時導通(shoot through )。同時導通不會到 達電動機。結合死區(qū)時間、同時導通和開通延遲獲得變換器的電壓損耗。 這種電壓損耗由公式aVbus+b計算得到。下面介紹的兩點校準過程可用于 識別^^式中的a、 b項。
在圖2所示的校準過程中，對于DC母線電壓范圍的下端建立漏電流，并對于DC母線電壓范圍的上端建立漏電流。這兩個點用于定義DC母線 電壓運行范圍上的線性關系。如下面更為全面地所闡釋，此關系在洗衣機 用電動M行過程中使用，以便識別和減去由于變換器18的漏電流引起 的、電阻器84兩端測量得到的電壓的部分，故剩下的電壓更為準確地識別 電動機繞組的電阻變化。
為了測量DC電源電壓端點上的漏電流，電動機被解除耦合到變換器 18。工廠校準設備于是將AC供給電壓設置到輸入范圍的下端(塊240)， 并發(fā)送消息到DSP20，以便提供經過電動機的測試電流。在接收到該消息 時，DSP 20產生用于驅動器64、 68的PWM信號，以便以被計算為將經 過繞組的電流保持在測試電流等級的占空比施加DC電流(塊244)。在 一個實施例中，測量電流為+2安培。另外，電動機為繞組已被精確測量的 基準電動機。DSP 20周期性地測量分流電阻器84兩端的電壓，并調節(jié)占 空比，以使z使驅動器將經過分流電阻器的電流保持在測試電流(塊248)。 如果DSP以PSM周期內的確切時間讀取分流電壓，分流電壓將反映預期 的經過基準電動機電阻的2安培值。然而，IGBT開關、續(xù)流二極管、死 區(qū)時間產生的損耗導致PWM占空比被增大以提供預期的2安培。校準后 的占空比是實際由DSP用于保持測試電流的占空比。此占空比在數據消息 中周期性地發(fā)送到工廠校準設備(塊250)。使用校正后的DC電壓因子， 計算預期PWM占空比與校正后的PWM占空比的比率(塊254)。在一 個實施例中，該比值由校準工廠設備計算，但DSP可通過其編程指令被配 置為進行計算。預期PWM占空比為將被施加到校正DC母線電壓的占空
流，如果沒有經過變換器的泄漏電流的話。將計算得到的比值乘以校正后 的DC母線電壓得到電動機繞組兩端的實際電壓降。這些數據可被用于建 立在DC電壓范圍下端與經過變換器的損耗對應的變換器損耗因子(塊 258)。變換器損耗因子可響應于來自DSP的提供用于計算的數據的數據 消息由工廠校準設備計算，或者，DSP可被配置為計算變換器損耗因子。 工廠校準設備于是判斷是否對于AC供給范圍的各端識別出變換器損耗因子(塊260)。如果已經對于AC供給范圍的各端建立變換器損耗因子， 于是，這兩個變換器損耗因子被發(fā)送到DSP，以便存儲并在后來在洗衣機 電動機運行中使用(塊264)。否則，對于AC供給范圍的另一端設置AC 電源等級(塊240)，重復過程(塊244-258)以便建立對于AC供給范圍 的另一端的變換器損耗因子。
在洗衣機循環(huán)的運行過程中，例如在旋轉或攪動的運行過程中，DSP 能夠以不干擾該循環(huán)的性能的相對較短的時間停止驅動電動機，并執(zhí)行溫 皿^b險查。這種檢查在圖3中示出。在該過程300中，DSP使用電阻器 58、 60之間測量的電壓以及上面討論的輸入電壓誤差校正因子確定母線44 上的DC輸入電壓(塊304)。使用變換器損耗的兩個誤差因子，DSP識 別對于在校準過程中建立的兩個點之間的線上的DC輸入電壓的占空比 (塊308)。此占空比為沒有發(fā)生經過變換器的電流損耗時可使用的占空 比。將此占空比乘以DC輸入電壓，得到在繞組兩端下降的實際電壓(塊 310)。此電壓于是以已知的方式與已知溫度下在繞組兩端的電壓將進行比 較，以便計算對于繞組的電阻變化(塊314)。電阻變化于是用于識別電 動機的運行溫度(塊320) 。 DSP于是能評估由于熱損耗則電動機是否應 當被關閉或者以其他方式不同地運行。試驗性數據已經指出，在沒有變換 器損耗因子提供的測量校正的情況下，有效變換器輸出電壓可被偏離達 ±5V之多。由于洗衣機或類似設備中使用的電動機典型地具有5-6歐姆的 繞組電阻且測試電流典型地為2安培左右，應當為10-12伏信號的信號中 的5伏的誤差是顯著的。因此，通過與圖2所示類似的校準過程中識別的 誤差校正關系考慮變換器損耗大大增強了設備中的溫皿視的準確性。 洗衣機或其他設備運行過程中進行的測量的另 一誤差分量來自溫度對
圖1的電動機控制電路所用電子部件的影響。為了解決熱條件導致的不準 確度，電路的工程樣本以這樣的方式在測試室中運行使得控制電路的溫 度攀升。到DSP的通信鏈J^I皮耦合到數據收集裝置，例如計算機，其接收 誤差校正后的DC母線電壓測量和誤差校正后的分流電壓測量。另外，散 熱器熱敏電阻54兩端的電壓^^測 量并發(fā)送到數據收集裝置，故測量能與由熱敏電阻電壓測量計算的溫度協(xié)調。具有環(huán)境調節(jié)部件的外部電壓測量系
統(tǒng)也被耦合到DC電壓母線和分流電阻器，以便測量這些電壓。數據收集 裝置也接收這些測量并將它們與接收自DSP的測量進行比較。比較識別出 測量溫度上的對應電壓測量之間的差.這些差被數據收集裝置用于計算DC 電壓母線的電壓誤差校正因子和分流電阻器的另 一誤差校正因子。作為替
代的是，多個差可關于溫度繪出，以便定義誤差校正曲線。這些校正因子 或曲線被存儲在用于各設備的DSP 20的存儲器中。在設備中的電動機的 運行過程中，DSP20由熱敏電阻器電壓計算散熱器的溫度。此溫度用于識 別對應的誤差校正因子或誤差校正曲線上的點。誤差校正數據于是用于調 節(jié)DC母線電壓和分流電壓測量。在某些實施例中，已經發(fā)現，這些差影 響電動機誤差計算達20度C之多。
在某些先前已知的電動機控制器中，運行參數被存儲在電氣耦合到 DSP的EEPROM中。由于DSP可確立(assert)向這些EEPROM寫入 數據的編程電壓，DSP能夠破壞存儲在EEPROM中的數據。為了減小初 始電阻和溫度被破壞的風險，這些參數被優(yōu)選為存儲在嵌入DSP的掩蔽 (mask)存儲器中'制造DSP的工廠以已知的方式設置內部DSP閃存保 護，以便將DSP嵌入軟件鎖定為免于破壞所存儲的參數。
在將DSP安裝到電動機14中之后，向DSP提供使得DSP執(zhí)行調節(jié) 到電動機14的DC電流傳送的編程指令的信號。受到編程指令配置的DSP 20周期性地測量熱敏電阻器電壓以計算散熱器的溫度。使用基準溫度和基 準電動機繞組電阻與對應于運算放大器88所檢測電流的電阻之間差值的 已知關系，DSP計算電動機的溫度?？蓪⑦@一計算得到的溫度與溫度閾值 進行比較，響應于達到或超過溫度闞值，DSP停止產生用于到電動機的 DC電流傳送的PWM信號。因此，向電動機提供溫度保護，而不需要用 于電動機繞組溫度測量的附加部件。
本領域技術人員將會意識到，可對上面介紹的具體實施作出多種修改。 因此，所附權利要求不限于上面示出和介紹的具體實施例。原始提交的以 及修改的權利要求包括這里所公開的實施例和教導的變型、替代、修改、改進、等同以及實質等同物，包括例如申請人/專利權人以及其他人可能想 到且當前未預見或未預料到的那些。
權利要求
1.一種測量設備用電動機控制電路中的變換器損耗的方法，其包含以第一占空比通過變換器向電動機繞組施加由第一AC供給電壓產生的恒定DC電流；在電動機電流檢測電阻器上測量與經過電動機的電流對應的第一電壓；計算在電動機電流檢測電阻器上測得的第一電壓與對應于第一AC供給電壓的第一DC輸入電壓的第一比值；由計算得到的第一比值識別第二占空比；將第二占空比與第一占空比進行比較；以及由第一占空比與第二占空比之間的差識別第一變換器損耗因子。
2. 根據權利要求1的方法，其還包含以第三占空比通過變換器向電動機繞組施加由第二 AC供給電壓產生 的恒定DC電流；在電動機電流檢測電阻器上測量對應于經過電動機的電流的第二電壓；計算在電動機電流檢測電阻器上測得的第二電壓與對應于笫二 AC供 給電壓的笫二DC輸入電壓的第二比值；由計算得到的第二比值，識別第四占空比；將第三占空比與笫四占空比進行比較；以及由第三占空比與笫四占空比之間的差識別第二變換器損耗因子。
3. 根據權利要求2的方法，其中，第一DC電壓對應于AC供給范圍 的下端，第二DC電壓對應于AC供給范圍的上端。
4. 根據權利要求3的方法，其中，AC供給范圍的下端為卯VAC, AC供給范圍的上端為132 VAC 。
5. 根據權利要求2的方法，其還包含在用于將第一與第二恒定DC電流施加到電動機繞組的數字信號處理器(DSP)的存儲器中存儲第一變換器損耗因子，第一變換器損耗因子與 第一AC供給電壓相關聯(lián)地被存儲；以及將第二變換器損耗因子存儲在DSP的存儲器中，第二變換器損耗因子 與第二 AC供給電壓相關聯(lián)地被存儲。
6. 根據權利要求2的方法，其還包含在計算第一比值之前，用DC電壓誤差校正因子校正第一DC電壓；以及在計算第二因子之前，用DC電壓誤差校正因子校正第二DC電壓。
7. 根據權利要求2的方法，其還包含在計算笫一比值之前，用電動機電流檢測校正因子校正在電動機電流 檢測電阻器上測得的第一電壓；以及在計算笫二因子之前，用電動機電力綠測校正因子校正在電動機電流檢測電阻器上測得的第二電壓
8. —種電路，其使得家用電器中的電動機運行過程中發(fā)生的變換器損 耗的計算成為可能，該電路包含變換器，其具有多個半橋，用于有選擇地將電動機的繞組耦合到電力 供給母線；電動機，其被配置為有選擇地耦合到變換器；電流檢測電路，其耦合在變換器與電氣地之間以及電動機繞組與電氣 地之間；以及數字信號處理器(DSP)，其耦合到變換器、電力供給母線、電流檢 測電路，DSP被配置為對于電力供給母線在至少兩個不同電壓中的每一個 上識別經過變換器的漏電流。
9. 根據權利要求8的電路，其中，電動機為基準電動機，所述基準電 動機的至少一個繞組已被測量。
10. 根據權利要求8的電路，其中，所述至少兩個電壓中的一個為電 力供給母線的運行電壓范圍的低電壓，運行電壓范圍的至少一個另一電壓 為運行電壓范圍的高電壓。
11. 根據權利要求10的電路，其中，低電壓為90 VAC，高電壓為132 VAC。
12. 根據權利要求8的電路，其中，DSP被配置為參照PWM占空比 和校正后的PWM占空比識別漏電流。
13. 根據權利要求8的電路，DSP被進一步配置為對于由電流檢測電 路獲得的電壓識別校正因子。
14. 根據權利要求8的電路，DSP被進一步配置為對于由電力供給母 線獲得的電壓識別校正因子。
15. —種方法，其用于調節(jié)電流檢測電壓，從而使得電動機運行溫度 的準確測量成為可能，該方法包含識別到電動機繞組的DC輸入電壓；識別與DC輸入電壓對應的占空比，占空比參照在DC輸入電壓的電 壓范圍內對不同DC輸入電壓建立的兩個變換器損耗因子之間的線性關系 來識別；參照所識別的占空比識別電動機繞組兩端的電壓，所識別的電壓不包 含用于將DC輸入電壓施加到電動機繞組所用的變換器兩端降落的電壓； 以及參照所識別的電動機繞組兩端的電壓識別電動機繞組的電阻變化。
16. 根據權利要求15的方法，其還包含 對DC輸入電壓測量進行校正，以獲得DC輸入電壓。
17. 根據權利要求15的方法，其中，不同的DC輸入電壓為兩個DC 電壓，每個在到電動機繞組的DC電壓源的電壓范圍的一端。
18. 根據權利要求15的方法，其還包含 由所識別的電阻變化識別溫度。
全文摘要
一種方法使得對設備用電動機控制電路中的變換器損耗的測量成為可能。該方法包含以第一占空比通過變換器向電動機繞組施加由第一AC供給電壓產生的恒定DC電流；在電動機電流檢測電阻器上測量與經過電動機的電流對應的第一電壓；計算在電動機電流檢測電阻器上測得的第一電壓與對應于第一AC供給電壓的第一DC輸入電壓的第一比值；由計算得到的第一比值識別第二占空比；將第二占空比與第一占空比進行比較；由第一占空比與第二占空比之間的差識別第一變換器損耗因子。
文檔編號G01K7/00GK101620013SQ20091013985
公開日2010年1月6日 申請日期2009年7月3日 優(yōu)先權日2008年7月3日
發(fā)明者T·J·希翰 申請人:艾默生電氣公司