CN101620013A

CN101620013A - 校准电动机控制电路以改进电动机温度测量的方法和系统

Info

Publication number: CN101620013A
Application number: CN200910139857A
Authority: CN
Inventors: T·J·希翰
Original assignee: Emerson Electric Co
Current assignee: Nidec Motor Corp
Priority date: 2008-07-03
Filing date: 2009-07-03
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2029-07-03
Also published as: US8525508B2; US20100002744A1; US7969138B2; US7791328B2; US20110257910A1; US20100320947A1; CN101620013B; MX2009006970A

Abstract

一种方法使得对设备用电动机控制电路中的变换器损耗的测量成为可能。该方法包含：以第一占空比通过变换器向电动机绕组施加由第一AC供给电压产生的恒定DC电流；在电动机电流检测电阻器上测量与经过电动机的电流对应的第一电压；计算在电动机电流检测电阻器上测得的第一电压与对应于第一AC供给电压的第一DC输入电压的第一比值；由计算得到的第一比值识别第二占空比；将第二占空比与第一占空比进行比较；由第一占空比与第二占空比之间的差识别第一变换器损耗因子。

Description

校准电动机控制电路以改进电动机温度测量的方法和系统

技术领域

本公开一般涉及电动机控制，特别涉及为识别电动机温度对电动机绕组电阻进行的测量。

背景技术

三相电动机用在多种应用之中。电动机典型地用以多种形式供给电能的电源供电。在一种方式中，输入信号是正弦波形，三个电动机引线(lead)中的每一个用电压或电流正弦波形驱动，该波形在各引线之间具有120度相差。在另一种方式中，“梯形换向(trapezoidal commutation)”用于提供在任何时间点上仅驱动三个电动机引线中的两个的受控电流。正弦波典型地用于驱动较大、较高性能交流(AC)电动机，而较低成本的梯形换向典型地用于小的AC电动机。在某些应用中，通过具有半桥的变换器，AC能量源被整流，以便产生施加到DC电动机的直流(DC)电压。电动机控制器——例如数字信号处理器(DSP)——有选择地致动变换器的半桥，以便将DC电压施加到DC电动机的绕组。典型地，半桥的有选择的致动通过向将DSP接口到变换器的半桥的驱动器电路施加脉宽调制(PWM)信号来进行。

在电动机运行时，电动机产生热。特别地，改变电动机负载或电动机旋转的速度使得电动机产生热。随着电动机变热，电动机损坏的风险增大，如果电动机运行保持在可能使电动机部件劣化的温度的话。因此，电动机控制器需要响应于电动机温度超过某个温度阈值来减小或终止到电动机的电流供给。在前面的电动机控制器中，温度传感器可被放在到电动机的引线中。该传感器产生与电动机温度对应的信号。电动机控制器于是可监视来自传感器的信号，并将该信号与温度阈值进行比较。随着信号逼近或超过阈值，电动机控制器可改变控制器向电动机提供电流的方式。

尽管用温度传感器监视电动机引线温度是电动机电流调节的可实行的方法，该方法需要电动机引线中的温度传感器的代价。在大规模制造的机器中，例如洗衣机或干燥器中，各机器中温度传感器的代价可能向以必要的生产率的机器制造增加显著的成本。因此，不使用温度传感器的电动机温度测量可能是有利的。

发明内容

一种方法以更为准确地测量电动机温度为目的使得对设备用电动机控制电路中的变换器损耗的测量成为可能。该方法包含，以第一占空比，通过变换器向电动机绕组施加由第一AC供给电压产生的恒定的DC电流，在电动机电流检测电阻器上测量与通过电动机的电流对应的第一电压，计算电动机电流检测电阻器上的测得的第一电压与对应于第一AC供给电压的第一DC输入电压的第一比值，由计算得到的第一比值识别第二占空比，将第二占空比与第一占空比进行比较，由第一占空比与第二占空比之间的差识别第一变换器损耗因子。

一种电路使得计算在家用电器中的电动机运行过程中发生的变换器损耗成为可能。该电路包含：变换器，其具有用于有选择地将电动机的绕组耦合到电力供给母线的多个半桥；电动机，其被配置为用于有选择地耦合到变换器；电流检测电路，其被耦合在变换器与电气地之间以及电动机的绕组与电气地之间；数字信号处理器(DSP)，其被耦合到变换器、电力供给母线以及电流检测电路，DSP被配置为识别在对于电力供给母线的至少两个不同电压中的每一个下通过变换器的漏电流。

附图说明

联系附图，在下面的说明中阐释在没有温度传感器的情况下可测量电动机引线温度的电路的前述方面以及其他特征，在附图中：

图1为一电路的原理图，该电路使得在没有温度传感器的情况下测量电动机绕组温度成为可能；

图2为一方法的流程图，该方法可在图1的电路中实现，以识别设备用电动机控制电路中的变换器损耗；

图3为一方法的流程图，该方法可在图1的电路中实现，以便更为准确地测量图1的变换器两端的电压降。

具体实施方式

图1示出了电路10，其中，在DSP 20的控制下，传统的电气DC电动机14受到变换器18的驱动。在图1所示的示例性电路中，电动机14旋转洗衣机中的衣物桶。电力由AC电源24供给。AC电力信号受到二极管28、30、34、38整流。结果得到的DC电压被DC母线40提供到变换器18的输入。电容器44帮助将DC电压保持为接近恒定值。低电压电源48包含降压变压器，以便产生第二DC电压Vcc，其被用于对电动机控制电路的电子电路供电，该电路包含DSP 20和热敏电阻54。

继续参照图1，DC母线上的电压提供在包含电阻器58与60的分压器的两端。这两个电阻器之间的电压被提供给DSP 20的模拟至数字转换输入。此电压由DSP 20进行测量，并用电阻器58与60的值用于计算高DC电压母线40上的供给电压。术语“高DC电压”将电压母线40与由低电压电源48提供的DC电子电路供给电压Vcc区分开。根据存储在DSP 20的存储器中的编程指令，DSP 20以已知的方式产生PWM信号，用于驱动器64和68。PWM信号被驱动器64和68以已知的方式转换，以便以有选择的方式致动构成变换器18的半桥的绝缘栅型双极型晶体管(IGBT)70、74、78、80。尽管提供了三个半桥，每个用于电动机14的一个引线，图1示出了仅仅两个，以便简化电路的讨论。以DSP 20确定的占空比，这些IGBT的有选择的致动有选择地将电动机14的绕组耦合到高电压DC母线40上的电压。结果得到的流经绕组的电流帮助对电动机通电。来自电动机绕组的电流从变换器的对应半桥流出，并在电动机分流电阻器84的两端下降，以提供被供到运算放大器88的输入的电压。运算放大器88以已知方式用偏置电压配置，该电压补偿DC偏移误差，并将运算放大器输出的零基准点保持为接近近似为Vcc的一半的电压。这种配置使得运算放大器88的输出电压能够在零基准点周围波动，以便指示正和负电动机电流。运算放大器88的输出耦合到DSP 20的第二模拟至数字转换输入。在洗衣机运行过程中，运算放大器88的输出电压对应于经过变换器18以及电动机14中的绕组的电流。在校准过程中，DSP 20以下面介绍的方式使用此电流输入，以便计算变换器两端的电压。此电流输入于是被DSP 20用于调节洗衣机运行过程中对应于电动机电流的电压，并更为准确地测量电动机14的绕组的电阻变化。

DSP 20的第三模拟至数字输入被耦合到由电阻器50和热敏电阻54构成的分压器。随着温度导致热敏电阻54的电阻变化，信号发生变化。因此，DSP 20使用来自分压器的电压信号来识别电动机控制电路板上的散热器的温度。此温度可如下面更为详细讨论的那样被用于识别电路板电子电路的温度校正因子。

为了校准，DSP通过串行通信链路与工厂校准设备通信，串行通信链路可通过有线端口或例如红外端口等无线端口实现。图1的DSP的编程指令可包含将DSP 20配置为执行计算电动机运行参数的校准过程的指令。这些参数使得DSP 20能够更为准确地测量电动机14的绕组电阻变化。这些变化被监视，因为它们指示电动机的运行温度。

为了执行校准过程，例如图2所示的过程200，工厂校准设备被耦合到电动机控制电路的DSP，例如图1所示的DSP，以便进行数据通信。为了开始该过程，工厂校准设备将AC供给电压设置到设备被使用的典型环境中AC电源的运行范围内的等级(块208)。例如，AC供给范围的下端对应于可能来自家庭电源插座的最低AC电压，该范围的上端对应于可能在家中遇到的最高AC电压。相应地，一个实施例中的最低AC电压为90VAC，最高AC电压为132 VAC。一旦AC电源输出等级被设置，DSP 20接收来自工厂校准设备的消息以测量高DC电压母线(块214)。测量得到的电压在从DSP 20到工厂校准设备的消息中被发送(块218)。工厂校准设备将对应于AC电压设置的预期DC电压与由DSP 20测量的DC母线电压进行比较，并计算对应于预期DC电源电压和测量所得DC电源电压之间差对应的DC电源误差因子(块220)。此DC电源误差因子被工厂校准设备发送到DSP 20，DSP 20对该因子进行存储，以便用于未来的使用(块224)。

校准过程通过测量电流检测电路中的误差来继续。将到在上面讨论的运算放大器88的偏置电压从运算放大器移除(块228)，使得整个运算放大器范围对于测量分流电阻器84两端的电压可用。另外，将电动机引线——例如引线100——从电动机14解除耦合，将测试电流在解除耦合的电动机引线的连接上输入到变换器18(块230)。DSP 20不运行驱动器电路，故分流电阻器84两端的电压有望密切对应于测试电流乘以电流检测电阻84。DSP 20通过运算放大器88测量电压输出，并将测量得到的电压测量得到的电压发送到工厂校准设备(块234)。电阻器84两端的预期电压与测量电压之间的差对应于电流检测电路中的误差。工厂校准设备计算该差，并将之提供给DSP 20，以便存储为电流检测校正因子(块238)。在一实施例中，测试电流为-2安培。

在变换器18将电动机耦合到高DC电压母线40的运行中，IGBT和续流二极管——例如二极管92、94、96、98——不同时开关。为了在电动机引线上获得预定的电压，半桥的上下IGBT以180度异相被驱动。来自DSP的PWM信号的下部开启特定的IGBT。为了防止同一半桥的上下IGBT同时开通(其将分流电阻器两端的DC电压母线短接到电气地)，在PWM周期中插入死区时间。在死区时间内，IGBT均被关断。在死区时间后，有效的IGBT被开通，另一IGBT可仍被关断。通过两个IGBT的这种连接是小的，并称为同时导通(shoot through)。同时导通不会到达电动机。结合死区时间、同时导通和开通延迟获得变换器的电压损耗。这种电压损耗由公式aVbus+b计算得到。下面介绍的两点校准过程可用于识别公式中的a、b项。

在图2所示的校准过程中，对于DC母线电压范围的下端建立漏电流，并对于DC母线电压范围的上端建立漏电流。这两个点用于定义DC母线电压运行范围上的线性关系。如下面更为全面地所阐释，此关系在洗衣机用电动机运行过程中使用，以便识别和减去由于变换器18的漏电流引起的、电阻器84两端测量得到的电压的部分，故剩下的电压更为准确地识别电动机绕组的电阻变化。

为了测量DC电源电压端点上的漏电流，电动机被解除耦合到变换器18。工厂校准设备于是将AC供给电压设置到输入范围的下端(块240)，并发送消息到DSP 20，以便提供经过电动机的测试电流。在接收到该消息时，DSP 20产生用于驱动器64、68的PWM信号，以便以被计算为将经过绕组的电流保持在测试电流等级的占空比施加DC电流(块244)。在一个实施例中，测量电流为+2安培。另外，电动机为绕组已被精确测量的基准电动机。DSP 20周期性地测量分流电阻器84两端的电压，并调节占空比，以便使驱动器将经过分流电阻器的电流保持在测试电流(块248)。如果DSP以PSM周期内的确切时间读取分流电压，分流电压将反映预期的经过基准电动机电阻的2安培值。然而，IGBT开关、续流二极管、死区时间产生的损耗导致PWM占空比被增大以提供预期的2安培。校准后的占空比是实际由DSP用于保持测试电流的占空比。此占空比在数据消息中周期性地发送到工厂校准设备(块250)。使用校正后的DC电压因子，计算预期PWM占空比与校正后的PWM占空比的比率(块254)。在一个实施例中，该比值由校准工厂设备计算，但DSP可通过其编程指令被配置为进行计算。预期PWM占空比为将被施加到校正DC母线电压的占空比，从而获得对应于基准电动机绕组电阻的电压以及由DSP保持的测试电流，如果没有经过变换器的泄漏电流的话。将计算得到的比值乘以校正后的DC母线电压得到电动机绕组两端的实际电压降。这些数据可被用于建立在DC电压范围下端与经过变换器的损耗对应的变换器损耗因子(块258)。变换器损耗因子可响应于来自DSP的提供用于计算的数据的数据消息由工厂校准设备计算，或者，DSP可被配置为计算变换器损耗因子。工厂校准设备于是判断是否对于AC供给范围的各端识别出变换器损耗因子(块260)。如果已经对于AC供给范围的各端建立变换器损耗因子，于是，这两个变换器损耗因子被发送到DSP，以便存储并在后来在洗衣机电动机运行中使用(块264)。否则，对于AC供给范围的另一端设置AC电源等级(块240)，重复过程(块244-258)以便建立对于AC供给范围的另一端的变换器损耗因子。

在洗衣机循环的运行过程中，例如在旋转或搅动的运行过程中，DSP能够以不干扰该循环的性能的相对较短的时间停止驱动电动机，并执行温度监视检查。这种检查在图3中示出。在该过程300中，DSP使用电阻器58、60之间测量的电压以及上面讨论的输入电压误差校正因子确定母线44上的DC输入电压(块304)。使用变换器损耗的两个误差因子，DSP识别对于在校准过程中建立的两个点之间的线上的DC输入电压的占空比(块308)。此占空比为没有发生经过变换器的电流损耗时可使用的占空比。将此占空比乘以DC输入电压，得到在绕组两端下降的实际电压(块310)。此电压于是以已知的方式与已知温度下在绕组两端的电压将进行比较，以便计算对于绕组的电阻变化(块314)。电阻变化于是用于识别电动机的运行温度(块320)。DSP于是能评估由于热损耗则电动机是否应当被关闭或者以其他方式不同地运行。试验性数据已经指出，在没有变换器损耗因子提供的测量校正的情况下，有效变换器输出电压可被偏离达±5V之多。由于洗衣机或类似设备中使用的电动机典型地具有5-6欧姆的绕组电阻且测试电流典型地为2安培左右，应当为10-12伏信号的信号中的5伏的误差是显著的。因此，通过与图2所示类似的校准过程中识别的误差校正关系考虑变换器损耗大大增强了设备中的温度监视的准确性。

洗衣机或其他设备运行过程中进行的测量的另一误差分量来自温度对图1的电动机控制电路所用电子部件的影响。为了解决热条件导致的不准确度，电路的工程样本以这样的方式在测试室中运行：使得控制电路的温度攀升。到DSP的通信链路被耦合到数据收集装置，例如计算机，其接收误差校正后的DC母线电压测量和误差校正后的分流电压测量。另外，散热器热敏电阻54两端的电压被测量并发送到数据收集装置，故测量能与由热敏电阻电压测量计算的温度协调。具有环境调节部件的外部电压测量系统也被耦合到DC电压母线和分流电阻器，以便测量这些电压。数据收集装置也接收这些测量并将它们与接收自DSP的测量进行比较。比较识别出测量温度上的对应电压测量之间的差。这些差被数据收集装置用于计算DC电压母线的电压误差校正因子和分流电阻器的另一误差校正因子。作为替代的是，多个差可关于温度绘出，以便定义误差校正曲线。这些校正因子或曲线被存储在用于各设备的DSP 20的存储器中。在设备中的电动机的运行过程中，DSP 20由热敏电阻器电压计算散热器的温度。此温度用于识别对应的误差校正因子或误差校正曲线上的点。误差校正数据于是用于调节DC母线电压和分流电压测量。在某些实施例中，已经发现，这些差影响电动机误差计算达20度C之多。

在某些先前已知的电动机控制器中，运行参数被存储在电气耦合到DSP的EEPROM中。由于DSP可确立(assert)向这些EEPROM写入数据的编程电压，DSP能够破坏存储在EEPROM中的数据。为了减小初始电阻和温度被破坏的风险，这些参数被优选为存储在嵌入DSP的掩蔽(mask)存储器中。制造DSP的工厂以已知的方式设置内部DSP闪存保护，以便将DSP嵌入软件锁定为免于破坏所存储的参数。

在将DSP安装到电动机14中之后，向DSP提供使得DSP执行调节到电动机14的DC电流传送的编程指令的信号。受到编程指令配置的DSP20周期性地测量热敏电阻器电压以计算散热器的温度。使用基准温度和基准电动机绕组电阻与对应于运算放大器88所检测电流的电阻之间差值的已知关系，DSP计算电动机的温度。可将这一计算得到的温度与温度阈值进行比较，响应于达到或超过温度阈值，DSP停止产生用于到电动机的DC电流传送的PWM信号。因此，向电动机提供温度保护，而不需要用于电动机绕组温度测量的附加部件。

本领域技术人员将会意识到，可对上面介绍的具体实施作出多种修改。因此，所附权利要求不限于上面示出和介绍的具体实施例。原始提交的以及修改的权利要求包括这里所公开的实施例和教导的变型、替代、修改、改进、等同以及实质等同物，包括例如申请人/专利权人以及其他人可能想到且当前未预见或未预料到的那些。

Claims

1.一种测量设备用电动机控制电路中的变换器损耗的方法，其包含：

以第一占空比通过变换器向电动机绕组施加由第一AC供给电压产生的恒定DC电流；

在电动机电流检测电阻器上测量与经过电动机的电流对应的第一电压；

计算在电动机电流检测电阻器上测得的第一电压与对应于第一AC供给电压的第一DC输入电压的第一比值；

由计算得到的第一比值识别第二占空比；

将第二占空比与第一占空比进行比较；以及

由第一占空比与第二占空比之间的差识别第一变换器损耗因子。

2.根据权利要求1的方法，其还包含：

以第三占空比通过变换器向电动机绕组施加由第二AC供给电压产生的恒定DC电流；

在电动机电流检测电阻器上测量对应于经过电动机的电流的第二电压；

计算在电动机电流检测电阻器上测得的第二电压与对应于第二AC供给电压的第二DC输入电压的第二比值；

由计算得到的第二比值，识别第四占空比；

将第三占空比与第四占空比进行比较；以及

由第三占空比与第四占空比之间的差识别第二变换器损耗因子。

3.根据权利要求2的方法，其中，第一DC电压对应于AC供给范围的下端，第二DC电压对应于AC供给范围的上端。

4.根据权利要求3的方法，其中，AC供给范围的下端为90VAC，AC供给范围的上端为132VAC。

5.根据权利要求2的方法，其还包含：

在用于将第一与第二恒定DC电流施加到电动机绕组的数字信号处理器(DSP)的存储器中存储第一变换器损耗因子，第一变换器损耗因子与第一AC供给电压相关联地被存储；以及

将第二变换器损耗因子存储在DSP的存储器中，第二变换器损耗因子与第二AC供给电压相关联地被存储。

6.根据权利要求2的方法，其还包含：

在计算第一比值之前，用DC电压误差校正因子校正第一DC电压；以及

在计算第二因子之前，用DC电压误差校正因子校正第二DC电压。

7.根据权利要求2的方法，其还包含：

在计算第一比值之前，用电动机电流检测校正因子校正在电动机电流检测电阻器上测得的第一电压；以及

在计算第二因子之前，用电动机电流检测校正因子校正在电动机电流检测电阻器上测得的第二电压。

8.一种电路，其使得家用电器中的电动机运行过程中发生的变换器损耗的计算成为可能，该电路包含：

变换器，其具有多个半桥，用于有选择地将电动机的绕组耦合到电力供给母线；

电动机，其被配置为有选择地耦合到变换器；

电流检测电路，其耦合在变换器与电气地之间以及电动机绕组与电气地之间；以及

数字信号处理器(DSP)，其耦合到变换器、电力供给母线、电流检测电路，DSP被配置为对于电力供给母线在至少两个不同电压中的每一个上识别经过变换器的漏电流。

9.根据权利要求8的电路，其中，电动机为基准电动机，所述基准电动机的至少一个绕组已被测量。

10.根据权利要求8的电路，其中，所述至少两个电压中的一个为电力供给母线的运行电压范围的低电压，运行电压范围的至少一个另一电压为运行电压范围的高电压。

11.根据权利要求10的电路，其中，低电压为90VAC，高电压为132VAC。

12.根据权利要求8的电路，其中，DSP被配置为参照PWM占空比和校正后的PWM占空比识别漏电流。

13.根据权利要求8的电路，DSP被进一步配置为对于由电流检测电路获得的电压识别校正因子。

14.根据权利要求8的电路，DSP被进一步配置为对于由电力供给母线获得的电压识别校正因子。

15.一种方法，其用于调节电流检测电压，从而使得电动机运行温度的准确测量成为可能，该方法包含：

识别到电动机绕组的DC输入电压；

识别与DC输入电压对应的占空比，占空比参照在DC输入电压的电压范围内对不同DC输入电压建立的两个变换器损耗因子之间的线性关系来识别；

参照所识别的占空比识别电动机绕组两端的电压，所识别的电压不包含用于将DC输入电压施加到电动机绕组所用的变换器两端降落的电压；以及

参照所识别的电动机绕组两端的电压识别电动机绕组的电阻变化。

16.根据权利要求15的方法，其还包含：

对DC输入电压测量进行校正，以获得DC输入电压。

17.根据权利要求15的方法，其中，不同的DC输入电压为两个DC电压，每个在到电动机绕组的DC电压源的电压范围的一端。

18.根据权利要求15的方法，其还包含：

由所识别的电阻变化识别温度。