電子換向電動機中監視平均電流和輸入功率的方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及電子換向電動機中監視平均電流和輸入功率的方法和裝置。具體地，說明了用于監視對電子換向電動機（ECM）的輸入功率的方法。該方法包括：通過處理設備確定對電動機的平均輸入電流，該平均輸入電流基于與電動機串聯的分流電阻器兩端的電壓降；通過利用處理設備測量向電動機施加的平均輸入電壓；將平均輸入電流乘以平均電壓以確定大致的輸入功率；和將平均輸入功率傳送給外部接口。
【專利說明】電子換向電動機中監視平均電流和輸入功率的方法和裝置
[0001]本申請是題為“電子換向電動機中監視平均電流和輸入功率的方法和裝置”的、申請日為2009年8月28日的發明專利申請200910171033.1的分案申請。
【技術領域】
[0002]本公開的領域一般涉及電子換向電動機，更具體地，涉及用于電子換向電動機中監視平均電流和輸入功率的方法和裝置。
【背景技術】
[0003]電子換向電動機(ECM)被用于廣泛的應用中。在工業中以及在這里，ECM有時被稱為無刷DC電動機。運用ECM的一種應用是氣流傳輸系統。在氣流傳輸系統中，諸如在大型冷卻器中的蒸發器風扇單元中，期望知道在某些加載條件下使用多大的功率，以使能量使用最小化。為了節約能量，可以使用該功率利用信息以確定什么時候不需要除霜循環或者什么時候系統處于利用中。
[0004]一些系統加入峰值電流控制電路以及恒定扭矩算法，以確定電動機上的負載。這種配置的缺點在于，為了計算總功率輸入，必須進行效率估計。一般地，這種配置利用用于獲得效率估計的查找表。如果作為查找表的替代利用實時功率測量，那么可獲得更好的數據。
【發明內容】
[0005]在一個方面中，提供一種用于監視對電子換向電動機(ECM)的輸入功率的方法。該方法包括:通過處理設備確定對電動機的平均輸入電流，該平均輸入電流基于與電動機串聯的分流電阻器兩端的電壓降；通過利用處理設備測量向電動機施加的平均輸入電壓；將平均輸入電流乘以施加的平均電壓以確定大致的輸入功率；和將平均輸入功率傳送給外部接口。
[0006]在另一方面中，提供一種電子換向電動機(ECM)。該ECM包括:轉子；用于使轉子旋轉的多個繞組；和ECM控制電路。ECM控制電路包括:可操作為選擇性地將繞組耦合到電源上的開關電路；與所述開關電路串聯的分流電阻器；被配置為控制所述開關電路的處理設備；和與所述處理設備耦合的至少一個模數轉換器(ADC)。所述處理設備被配置為控制所述ADC的操作，使得可基于所述分流電阻器兩端的電壓降確定對電動機的平均輸入電流，并且可使用電阻分壓器測量向電動機施加的平均輸入電壓。
[0007]可以在本發明的各實施例中獨立地實現已討論的特征、功能和優點，或者，在可參照以下的說明和附圖看到其進一步的細節的另一些實施例中可以組合它們。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1是集成的電子換向電動機(ECM)和控制電路組件的分解視圖。
[0009]圖2是圖1的ECM和控制電路組件的完全組裝圖。[0010]圖3是ECM的可選擇的實施例的分解端視圖。
[0011]圖4是ECM控制器的一個實施例的功能框圖，該控制器包括平均輸入電流監視能力。
[0012]圖5是平均輸入電流監視電路的詳細示意圖。
【具體實施方式】
[0013]參照附圖，更具體地參照圖1和圖2，附圖標記10總體表示集成的電子換向電動機和控制電路組件。電動機組件10包括無刷電子換向DC電動機13，該無刷電子換向DC電動機13具有包括定子或鐵芯17的固定組件15和包括永磁轉子12和軸14的可旋轉組件19。風扇(未示出)或諸如用于使空氣移動通過空氣處理系統的裝置的被驅動的其它裝置與軸14接合。特別地，電動機組件10用于與諸如空氣調節系統的空氣處理系統組合，該空氣調節系統包括用于將空氣吹過冷卻線圈的風扇，用于向建筑物供給冷卻空氣。
[0014]轉子12被安裝和鎖定在軸14上，該軸14具有軸頸以便在常規的軸承16中旋轉。軸承16被安裝在與第一端部構件20和第二端部構件22成一體的軸承支架18中。端部構件20和22基本上是平的并且相互平行。端部構件20和22具有其間定位固定組件15和可旋轉組件19的內部面對側24、25。各端部構件20和22具有與其內側24、25相對的外側26、27。另外，第二端部構件22具有用于軸14穿過并從外側26伸出的孔徑23。
[0015]轉子12包括鐵磁芯28，并可在定子17的鉆孔內旋轉。例如，通過與轉子芯28結合的粘接劑固定永磁材料的八個基本上相同的磁性材料元件或相對較薄的弓形段30，每個磁性材料元件或相對較薄的弓形段提供相對恒定的通量場。各段30被磁性化為沿徑向關于轉子芯28被極化，使得相鄰的段30如指示的那樣交替極化。雖然出于公開的目的示出了轉子12上的磁體30，但是可以設想，可以利用具有不同的構造的其它轉子、和數量、構造、和通量場均不相同的其它磁體，使得這些其它轉子滿足其目的中的至少一些。
[0016]固定組件15包括適于被通電以產生電磁場的多個繞組段(winding stage)32。各段32是纏繞在疊層定子芯部17的齒部34周圍的導線的線圈。可通過一一位于芯部17的外表面中的各缺口 38中的四個繩夾舌板36將芯部17保持在一起。可選擇地，本領域技術人員可以理解，可通過諸如例如焊接或粘接劑結合的其它適當的手段將芯部17保持在一起，或者，僅通過繞組將它們保持在一起。繞組端部匝延伸到定子端面外面，并且，通過在連接器42中端接的第一端部構件20中的孔徑41將繞組終端引線40引出。雖然出于公開的目的示出了固定組件15，但是可以設想，在本發明的范圍內，可以利用具有不同的形狀并具有不同的齒部數量的各種其它構造的其它固定組件，以滿足其目的中的至少一些。
[0017]電動機組件10還包括被安裝在電動機組件10的后部上的蓋子44，以在蓋子44內封裝電動機13的控制裝置46。蓋子44包括具有多個從中伸出的間隔元件50的邊緣48，這些間隔元件與第一端部構件20的外側27接合。蓋子44包括基本上呈環形的側壁49，使得側壁49的頂部形成邊緣48。控制裝置46位于第一端部構件20的外側27附近。控制裝置46包括安裝在諸如印刷電路板的部件板56上的多個電子部件52和連接器(未示出)。控制裝置46通過將連接器42和連接器54互連與繞組段32連接。控制裝置46以預先選擇的順序在將繞組段32換向時向繞組段32中的一個或更多個施加電壓，以使可旋轉組件19繞著旋轉軸旋轉。[0018]包括多個螺栓的連接元件58穿過第二端部構件22中的螺栓孔60、芯部17中的螺栓孔61、第一端部構件20中的螺栓孔63和蓋子44中的螺栓孔65。連接元件58的頭部67與第二端部構件22接合。連接元件58適于將第二端部構件22和蓋子44彼此壓在一起，由此在其間支撐第一端部構件20、固定組件15和可旋轉組件19。另外，用于封裝和保護固定組件15和可旋轉組件19的外殼62可位于第一端部構件20和第二端部構件22之間。
[0019]這里僅出于公開的目的說明的電子換向電動機13是八轉子磁極電動機，但是，可以理解，本發明的電子換向電動機可包括任意偶數的轉子磁極，并且定子磁極的數量是轉子磁極的數量的倍數，例如，定子磁極的數量可基于相位的數量。在圖中未示出的一個示例性實施例中，三相ECM包含六個轉子磁極對和18個定子磁極。
[0020]根據本發明的電動機組件10以以下的方式操作。當以時間順序對繞組段32通電時，建立三組八磁極，這些組將根據預先選擇的順序或對各段通電的次序提供繞芯部17順時針或逆時針移動的徑向磁場。該移動場與磁體30磁極的通量場交互作用，以使轉子沿期望的方向相對于芯部17旋轉，以形成作為磁場的強度的正函數的扭矩。
[0021]通過在可旋轉組件19在芯部17內旋轉時感測其旋轉位置、并依次利用作為轉子12的旋轉位置的函數產生的電信號以便以不同的預先選擇的次序或確定轉子12的旋轉方向的順序向繞組段32中的每一個施加DC電壓，在沒有電刷的情況下使繞組段32換向。可通過響應反電動勢(BEMF)的位置檢測電路實現位置感測，以提供指示轉子12的旋轉位置的模擬信號，從而控制對于電動機13的繞組段32的電壓的定時順序施加。也可使用其它的位置感測手段。
[0022]圖2示出完全組裝的電動機組件10。連接元件58穿過第二端部構件22、固定組件15、第一端部構件20和蓋子44。連接元件58具有從蓋子44側向伸出的部分64。部分64適于與用于支撐電動機組件10的支撐結構(未示出)接合。可通過將與螺紋接合的螺母66放置在連接元件58的部分64中的每一個上，使連接元件58固定就位。線束80和連接器82被用于將電動機組件10連接到在后面進一步說明的電源上。
[0023]間隔元件50在可與第一端部構件20的外側27接合時在間隔元件50、邊緣48和外側27之間形成氣隙68。氣隙68允許流過蓋子44，由此消散由電動機組件10產生的熱。另外，如果電動機組件10暴露于雨中，那么氣隙68允許進入蓋子44中的雨水通過氣隙68流出蓋子44。
[0024]在蓋子44的底部76中形成凹部75，該凹部75為裝配以擰緊螺母66的工具(未示出)提供空間。凹部75還使得螺母66能夠被安裝在連接元件58上與蓋子44的底部76平齊。
[0025]圖3是ECM100的可選擇實施例的分解端視圖。電動機100包括電動機殼102和被配置為附裝到電動機殼102上的電動機控制單元104。電動機控制單元104的底盤105用作電動機100的端罩106。電動機殼102還包括與在后面進一步說明的底盤105中形成的散熱器109接合的狹槽108。當電動機控制單元104包括底盤105時，電動機100被配置為使得電動機殼102為電動機控制單元104提供基本上全部的殼。在電動機殼102內，是電動機100的繞組110和被配置為安置在繞組110和電動機控制單元104之間的中間罩112。
[0026]中間罩112的安置和配置使得允許在不破壞或不移開包括電動機100的繞組110的電動機繞組組件124的情況下取出和更換電動機100的電動機控制單元104。如所示的那樣，電動機殼102被配置為與端罩106 —起形成電動機控制單兀104的殼的一部分,從而允許整件殼配置。中間罩112還被配置為滿足向電動機100施加的任何氣流、電壓間隙和組件高度限制。
[0027]在一個實施例中，如所示的那樣，中間罩112相對于電動機100的中心線125精確地裝配，并進一步與穿過電動機控制單元104的端罩106的兩個螺栓126對準，以在電動機殼102內夾持和固定中間罩112和電動機控制單元104。即使當去除包含電動機控制單元104的電子器件的底盤105時也保持這種對準和對稱。在殼102內保持對準和對稱是十分重要的，因為這樣降低在場中電動機控制單元104的更換成本。通過中間罩112，電動機殼102被用作圖3所示的電動機控制單元104的多個部分的容納殼的一部分，從而與(圖1和圖2所示的)電動機11相比減小電動機100的尺寸，因此，中間罩112還有助于降低電動機100的材料成本。另外，這種配置允許電源連接器128安置成與底盤105平齊。
[0028]利用中間罩112使得在不干擾電動機組件的其余部分例如繞組110的情況下能夠從殼102取出電動機控制單元104。通過使用中間罩112以固定與電動機100的電動機軸(在圖1中也未示出)接合的軸承，獲得這種無干擾的效果。因此，電動機殼102被另外配置成為電動機100的電氣部件(例如，電動機控制單元104)提供任何所需要的間隙，以使得電動機控制單元104能夠脫離電動機100。
[0029]關于這里說明的實施例中的一個，通過積分器電路使向無刷DC電動機10 (100)傳輸的電流平均化，該積分器電路的輸出與模數轉換器(ADC)耦合，該模數轉換器的輸出數據被發送到處理設備。在另一實施例中，積分器電路輸出被發送到微控制器上的ADC輸入。當同樣為對微控制器的模數轉換器輸入的平均施加電動機電壓乘以電流時，任一實施例使得能夠很容易地計算向電動機傳輸的平均功率。出于能量節約的目的，可以使用向電動機傳輸的平均功率作為氣流傳輸系統中的用于控制由系統使用的功率量的指示。如上所述，為了計算總功率輸入，電流系統使用峰值電流控制以及恒定扭矩算法，以從必須進行效率估計的情況確定電動機上的負載。
[0030]與估計相反，說明的實施例使用實時功率輸入監視。為了得到更高的可靠性，這種方法還使得能夠設定內部最大功率限制以保護微控制器/微處理器。換句話說，對于能量節約目的的電動機的最終用戶以及對于要增強其產品可靠性的控制設計人員，瓦特計功能均是可用的。實施例的優點是無刷DC電動機中的內置功率使用功能，其中，最終用戶可通過數字串行接口詢問電動機以確定功率使用。另外，最終用戶可開發可基于功率使用信息優化能量節約的系統控制器。
[0031]圖4是包括平均電流監視電路150的ECM控制器的一個實施例的功能框圖。平均電流監視電路150可與上述的電動機10和100 —起使用。特別地，電流監視電路150包括具有第一級積分器170和第二級放大器172的雙級運算放大器(Op Amp) 152。通過分流電阻器162傳輸向電動機160傳輸的電流。通過對三相逆變器橋164中的六個電源開關進行脈沖寬度調制，控制電動機電流的峰值。分流電阻器162兩端的電壓降等于電動機電流乘
以分流電阻器162的電阻值。該電壓降被輸入到積分器170，該積分器170根據-J1Vcit
將分流電阻器162兩端的電壓降平均化，這里，“V”是分流電阻器162兩端的電壓，“RC”是積分器170的時間常數。
[0032]積分器170的輸出被放大器172放大。在示出的實施例中，必須進行放大，以為微控制器176上的模數(A/D)輸入174提供適當的電壓電平。該電壓電平在O?+4.5V的范圍內，并且與第一級積分器170的輸出成正比。由于第一級積分器170的輸出是分流電阻器162兩端的平均電壓，并且分流電阻器162兩端的電壓與電動機電流成正比，因此斷定，在A/D輸入174處出現的電壓電平與向電動機傳輸的平均電流成正比。為了計算輸入功率，向電動機傳輸的平均電流乘以向電動機160施加的電壓。如果施加的電動機電壓來自DC電源，那么輸入功率等于DC電壓乘以向電動機傳輸的平均電流。
[0033]但是，當施加的電動機電壓來自AC電源時，施加的電壓是時間和電動機電流的電平的函數。在這種配置中，AC輸入電壓源一般被橋式整流器(未示出)整流并被例如為鋁電解質電容器的電容器180濾波，以形成可被電動機160利用的DC電壓電源182。示出的實施例操作為將濾波電容器180上的分開的電壓平均化。具體而言，分壓器184按比例將濾波電容器180上的高電壓降低到可被微控制器176上的第二 A/D輸入188讀取的電平。在固定的時間間隔上將被微控制器176讀取的電壓平均化，從而得到平均電壓。
[0034]然后，將該平均電壓乘以通過微控制器176從第一 A/D輸入174讀取的平均電流。得到的輸出大致為向電動機160傳輸的輸入功率。當從最終用戶I/O設備192請求時，得到的輸入功率測量通過數字串行接口(DSI) 190被傳送到外部設備。
[0035]圖5是上述電路150的一個特定實施例的詳細示意圖200。平均電流檢測器包括二級Op Amp W。第一級是所說明的積分器，該積分器包括時間常數確定R9和C27、增益設定電阻器R10、偏移偏壓電阻器R78和R79和高頻噪聲濾波電容器C8、C34和C35。R54是電動機電流流過的分流電阻器。R8和R9將分流電阻器R54兩端的電壓耦合到第一級積分器上。第二級是具有被R59和R58設定的增益的放大器。R57是輸入平衡電阻器，并且，電阻器R81和R83是負載電阻器。電壓感測電路具有由R1、R2、R3、R4和R26形成的分壓器。R82是耦合電阻器，并且R90和R91是偏壓電阻器。Dll是用于保護微控制器U9以使其免于電壓尖峰的箝位二極管。微控制器U9具有兩個A/D輸入端口，即讀取平均電動機電流的AN7和讀取向電動機施加的平均電壓的AN6。BRl是對AC輸入電壓進行整流的二極管橋，并且，電容器Cl將整流的電壓濾波成DC電壓。
[0036]這里用專一性說明本公開的主題以滿足法定要求。但是，其說明意圖不在于限制本專利的范圍。相反，已設想結合其它當前或將來的技術，還可以以其它的方式體現要求的主題，以包括與在本文件中說明的那些類似的不同的步驟或步驟的組合。此外，雖然這里可以使用術語“步驟”、“塊”和/或“操作”以隱含使用的方法的不同的要素，但是，除非各單個步驟的次序被明確說明，否則，這些術語不應被解釋為隱含這里公開的各步驟之間的任何特定次序。
[0037]本書面說明使用例子以公開說明的包括最佳方式的實施例，并且還使得任何本領域技術人員能夠實施說明的實施例，包括制作和使用任何裝置或系統和執行任何包含的方法。可取得專利的范圍由權利要求限定，并且可包括本領域技術人員可想到的其它例子。對于這些其它的例子，如果它們具有不與權利要求的字面語言不同的結構要素，或者，如果它們包含與權利要求的字面語言沒有實質性差異的等同的結構要素，那么它們應在權利要求的范圍內。
【權利要求】
1.一種保護電動機的電動機控制器的方法，所述方法包括: 通過處理設備基于與電動機串聯的分流電阻器兩端的電壓降確定對電動機的平均輸入電流； 測量至少一個電壓； 通過處理設備基于所測量的至少一個電壓確定對電動機施加的平均輸入電壓； 將平均輸入電流乘以平均輸入電壓以確定平均輸入功率；以及 基于所述平均輸入功率為電動機控制器設置最大功率限制值。
2.根據權利要求1所述的方法，還包括使用所確定的平均輸入功率作為氣流傳輸系統中的用于控制由系統使用的功率量的指示。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，基于所測量的至少一個電壓確定對電動機施加的平均輸入電壓包括: 整流和濾波對電動機施加的AC輸入電壓； 按比例將經整流和濾波的AC輸入電壓分壓為與模數轉換器相適應的電平；以及 在固定的時間間隔上將經分壓的電壓的多個讀數平均化以確定平均輸入電壓。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，基于所測量的至少一個電壓確定對電動機施加的平均輸入電壓包括: 按比例將DC輸入電壓分壓為與模數轉換器相適應的電平；以及 在固定的時間間隔上將經分壓的電壓的多個讀數平均化以確定平均輸入電壓。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，確定對電動機的平均輸入電流包括:向模數轉換器施加分流電阻器兩端的電壓降。
6.—種電動機,包括: 轉子； 用于使所述轉子旋轉的多個繞組；以及 電動機控制電路，該電動機控制電路包括: 可操作為選擇性地將所述繞組耦合到電源上的開關電路； 與所述開關電路串聯的分流電阻器；以及 處理設備，被編程用于: 基于所述分流電阻器兩端的電壓降確定對所述電動機的平均輸入電流； 基于至少一個電壓測量值確定對所述電動機施加的平均輸入電壓； 將平均輸入電流乘以平均輸入電壓以確定平均輸入功率；以及 基于所述平均輸入功率為所述電動機控制電路設置最大功率限制值。
7.根據權利要求6所述的電動機，其中，所述處理設備還被編程用于通過控制被傳遞至所述電動機的電流量來將平均輸入功率保持在最大功率限制值以下。
8.根據權利要求6所述的電動機，其中，所述處理設備還被編程用于使用所確定的平均輸入功率作為氣流傳輸系統中的用于控制被傳遞至風扇的功率量的指示。
9.根據權利要求6所述的電動機，其中，為了確定到所述電動機的平均輸入電壓，所述處理設備還被編程用于: 使用積分器關于時間將所述分流電阻器兩端的電壓降進行積分；并 向模數轉換器施加積分的電壓。
10.根據權利要求9所述的電動機，其中，為了將所述分流電阻器兩端的電壓降進行積分，所述處理設備被編程用于: 根據g J veil對所述分流電阻器兩端的電壓降進行積分，這里，“ V ”是所述分流電阻器兩端的電壓，“RC”是所述積分器的時間常數；以及 通過放大所述積分器的輸出以向所述模數轉換器的輸入提供適當的電壓電平，向所述模數轉換器施加積 分的電壓。
【文檔編號】G01R21/06GK103546075SQ201310485018
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2009年8月28日 優先權日:2008年8月29日
【發明者】M·A·布拉托里, 小G·伯尼爾 申請人:雷加爾-貝洛伊特公司