CN102536867A - 用于控制散热风扇的转速的控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于控制散热风扇的转速的控制系统，该散热风扇包括叶轮及驱动该叶轮的直流马达，并且与至少一个安装在一机动车辆的散热器配合。该控制系统包括用于驱动该直流马达的驱动电路以及用于控制该驱动电路的控制单元，该控制单元被配置为在该直流马达的实际转速大于预定的转速阈值时，通过该驱动电路对该直流马达进行电气制动，进而降低噪音和振动。

Description

用于控制散热风扇的转速的控制系统
技术领域
本发明涉及用于控制散热风扇的转速的控制系统，尤其涉及一种用于控制与机动车辆的热交换组件配合的散热风扇的转速的控制系统。
背景技术
机动车辆现有的散热系统通常如图1所示。热交换器组件EP通常安装在位于机动车辆引擎盖下方的隔室的前端，并且与一个散热风扇EF配合。散热风扇EF包括一个刀片式叶轮BI及一个驱动叶轮BI的直流马达EM。直流马达EM由一个驱动电路MDC驱动。驱动电路MDC连接到该机动车辆的电气系统并且由一个电池B供电。控制单元ECU控制驱动电路MDC并且接收来自多个传感器的信号S，控制单元ECU可以是该机动车辆的内燃机的控制单元。
控制单元ECU用于根据马达控制参数与马达期望转速的对应关系来控制驱动电路MDC，进而使直流马达EM达到期望转速。具体地，该对应关系如图2所示，横轴表示马达控制参数的大小，其可以是一个具有固定频率的方波的占空比值(d.c.)，纵轴表示直流马达EM的期望转速n，控制单元ECU通过控制占空比值(d.c.)的大小来使直流马达EM达到一个的期望转速n。
当机动车辆向前移动时，会产生一个流经热交换器组件EP的气流，该气流撞击叶轮BI并导致其朝与直流马达EM的驱动方向相同的方向转动。该气流对叶轮BI的驱动使得直流马达EM变成一个风力发电机(wind-milling)。当机动车辆以较慢的速度前进时，气流对叶轮BI的撞击使得直流马达EM在维持叶轮BI的期望转速n不变的情况下能减少输出扭矩。如此，直流马达EM所需的平均电流减小，电池B的消耗也较小。当机动车辆以较快的速度前进时，气流对叶轮BI的撞击对叶轮BI所产生的扭矩可使叶轮BI的转速高于期望转速n。
在上述机动车辆以较快的速度前进的情况下，现有控制散热风扇EF的转速的控制系统允许叶轮BI无限制地旋转。但这种方法存在以下缺陷：噪音和振动较大；散热器组件EP会被过度散热。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种可以在气流对叶轮BI的撞击的条件下克服上述缺陷的用于控制散热风扇的转速的控制系统。
本发明提供一种用于控制散热风扇(EF)的转速的控制系统，该散热风扇(EF)包括叶轮(BI)及驱动的该叶轮(BI)的直流马达(EM)，并且与至少一个安装在一个机动车辆的散热器(EP)配合，其中，该机动车辆向前移动会产生撞击该叶轮(BI)并导致其旋转的气流，并且该旋转的方向与该直流马达(EM)驱动其旋转的方向相同。该控制系统包括用于驱动该直流马达(EM)的驱动电路(MDC)以及用于控制该驱动电路(MDC)的控制单元(ECU)。驱动电路(MDC)耦合至该机动车辆的电池(B)。控制单元(ECU)按照预定的至少一个马达控制参数与马达期望转速的对应关系，通过该驱动电路(MDC)控制该直流马达(EM)的转速(n)。该控制单元(ECU)阈被配置为在该直流马达(EM)的实际转速大于预定的转速阈值(tn)时，通过该驱动电路(MDC)对该直流马达(EM)进行电气制动
本发明中由于驱动电路(MDC)在直流马达(EM)的转速大于该转速阈值(tn)时对其进行电气制动，进而降低了噪音和振动。
为了能更进一步了解本发明的特征以及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1为机动车辆现有的散热系统的结构示意图。
图2示出了在一种现有的马达控制参数与马达期望转速的对应关系的示意图表。
图3为在本发明的控制系统的一种实施方式下，转速上限与在现有的马达控制参数与马达期望转速的对应关系的关系图表，用于解释本发明的控制系统的一种操作方式。
图4为在本发明的控制系统的另一种实施方式下，转速上限与在现有一个马达控制参数与马达期望转速的对应关系的关系图表，用于解释本发明的控制系统另一种操作方式。
图5是本发明的控制系统的驱动电路一个实施方式的电路图。
图6是本发明的控制系统的驱动电路另一个实施方式的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述，从而凸显本发明的技术方案及有益效果。
本发明实施方式的控制系统在结构上与图1所示的控制系统相同，包括一个驱动电路MDC及一个控制驱动电路MDC的控制单元ECU。本发明实施例中，控制单元ECU存储有一个转速阈值tn，其与一个预定的马达控制参数，如占空比值(d.c.)，与马达期望转速n的对应关系如图3所示，马达EM的期望转速n随着横轴的占空比值(d.c.)的增加而在一个最小值及一个最大值之间(以非单调的形式)增加。控制单元ECU通过与其配合的驱动电路MDC来控制散热风扇EF的马达EM，并使得马达EM的实际转速大于转速阈值tn时，驱动电路MDC对马达EM进行电气制动。
在与图3关联的第一实施方式中，转速阈值tn为一个大于预定的最高期望转速ηM的恒定值。然而可以理解，在其它实施方式中，转速阈值tn可以是一个等于预定的最高期望转速ηM的恒定值。可选地，当图3中横轴上的占空比值(d.c.)大于一个预定值X时，控制单元ECU可以不对马达EM进行电气制动，此时，叶轮BI可以以大于转速阈值tn的转速自由旋转，以产生最大的散热效果。
在与图4关联的第二实施方式中，转速阈值tn不是一个恒定值，而是一个随着横轴上的占空比值(d.c.)的增加而增加的数值。具体地，对于每个占空比值(d.c.)，与其对应的转速阈值tn大于与该占空比值对应的马达EM期望转速n。在与图4关联的实施方式中，转速阈值tn自横轴上占空比值为零所对应的最小值线性递增至一个最大值tηM。然而可以理解，对于每个占空比值，与其对应的转速阈值tn也可以等于与该占空比值对应的马达EM期望转速n，即是说，转速阈值tn的变化曲线可以与图4中关联马达EM期望转速n与横轴表示的占空比值的预定关系的曲线重叠。可选地，控制单元ECU也可在占空比值大于一个预定值X时不对马达EM进行电气制动。
图5示出一个用于控制一个无刷的马达EM的驱动电路MDC。驱动电路MDC包括三个MOSFET晶体管M1，M2及M3，每个晶体管都具有一个固有二极管(或叫寄生二极管、衬底二极管)。晶体管M1、M2分别作为半桥电路的上桥臂开关及下桥臂开关串联在电池B的两端之间。马达EM一端连接至晶体管M1、M2之间的结点，另一端通过晶体管M3接地GND。晶体管M1，M2及M3的栅极连接至控制单元ECU并受其控制。
工作过程中，控制单元ECU向晶体管M1及M2发送不同的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)信号，并且加载到晶体管M2与M1的栅极的PWM信号的相位相差180度，加载到晶体管M1及M2的PWM信号之间具有适当的“死区”，以防止该两个晶体管同时导通。控制单元ECU控制晶体管M3始终保持导通。当晶体管M1导通，晶体管M2截止时，电流从电池B的正极经晶体管M1、马达EM以及晶体管M3流至地GND。马达EM产生由流经自身的电流的平均值所决定的扭矩而带动叶轮BI旋转，并且该流经马达EM的电流的平均值由驱动晶体管M1的PWM信号的占空比值决定。当由于气流对叶轮BI的撞击作用使得马达EM的实际转速高于由流经自身的电流的平均值所决定的转速时(具体地，例如通过现有的方式检测到马达的转速大于转速阈值tn时)，控制单元ECU降低加载到晶体管M1的PWM信号的占空比值(此时加载到晶体管M2的PWM信号的占空比会相应增加)，以使流经马达EM的电流的平均值下降。如此，马达EM的转速便会下降，从而达到制动的目的。马达EM中的最大电流以及电气制动过程中的扭矩由加载在晶体管M1的栅极的PWM信号的最小值决定。其中，加载到晶体管M1的PWM信号的占空比值即可作为前述的马达控制参数。
与此同时，马达EM与晶体管M1连接的节点A的平均电压下降。此时若气流对叶轮BI的驱动使得马达EM中的反电动势高于节点A的平均电压(约等于电池B的电压)，那么该压差产生将产生回流到电池B的电流，以对电池B进行充电。因此，利用图5所示的驱动电路MDC，可以以能量可回收的方式对马达EM进行电气制动。
可以理解，驱动电路MDC中晶体管M3也可省略。
图6示出了一种全桥式的驱动电路MDC。图6与图5的驱动电路的不同之处在于多了一个晶体管M4，晶体管M4连接在晶体管M3与电池B的正极之间。通过图6的驱动电路MDC，马达EM正常的转动同样是通过互补的方式驱动晶体管M1与M2来实现控制。具体地，与图5的驱动电路相似，加载到晶体管M1与M2的PWM信号的相位相差180度且两者间有“死区”，而且使晶体管M3保持导通，晶体管M4保持截止。电流从电池B的正极经晶体管M1、马达EM以及晶体管M3流至地GND，从而驱动马达EM旋转。控制单元ECU同样通过降低加载到晶体管M1的PWM信号的占空比值来达到制动的目的。在这种情况下，当气流对叶轮BI的撞击作用使得马达EM的转速高于由流经自身的电流的平均值所决定的转速时，马达EM中的反电动势也可对电池B进行充电。
图6的驱动电路MDC还可切换至另一种电气制动方式：在控制单元ECU的控制下，加载到晶体管M3与M4的PWM信号的相位相差180度且两者间有“死区”，而且使晶体管M2保持导通，晶体管M1保持截止，电流从电池B的正极经晶体管M4、马达EM以及晶体管M2流至地GND，由于此电流的方向跟正常驱动的电流的方向相反，因此，马达EM将被制动且转速下降得比较快。在这种情况下，当气流对叶轮BI的撞击作用使得马达EM的转速高于由流经自身的电流的平均值所决定的转速时，马达EM中的反电动势所产生的电流将直接通过晶体管M2流至地GND从而被耗散。因此，利用图6所示的驱动电路MDC，可以选择性地以能量可回收或者不可回收的方式对马达EM进行电气制动。
上述关于图6的描述显然也适用于一个应用于三相马达并且具有6个电子开关的逆变器(inverter)。通过上述结合附图对用于控制驱动无刷马达的控制电路的描述，熟悉本领域的技术人员可轻易得对上述控制电路进行修改，以得到可用于驱动直流有刷马达的控制电路。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的适当改变及等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种用于控制散热风扇(EF)的转速的控制系统，该散热风扇(EF)包括叶轮(BI)及驱动该叶轮(BI)的直流马达(EM)，所述叶轮(BI)与至少一安装在机动车辆上的散热器(EP)配合以对其进行冷却，其中，该机动车辆向前移动时可产生撞击该叶轮(BI)并导致其旋转的气流，并且该气流驱动叶轮旋转的方向与该直流马达(EM)驱动叶轮旋转的方向相同；该控制系统包括：
用于驱动该直流马达(EM)的驱动电路(MDC)，其连接至该机动车辆的电池(B)；以及
用于控制该驱动电路(MDC)的控制单元(ECU)，其按照预定的至少一个马达控制参数(d.c.)与马达期望转速(n)的对应关系，通过该驱动电路(MDC)控制该直流马达(EM)的转速；
其特征在于，该控制单元(ECU)被配置为在该直流马达(EM)的转速大于预定的转速阈值(tn)时，通过该驱动电路(MDC)对该直流马达(EM)进行电气制动。
2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，该预定的转速阈值(tn)是一个不小于一个预定的最高期望转速(ηM)的恒定值。
3.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述预定的转速阈值(tn)是随所述马达控制参数(d.c.)的变化而变化、且不小于与所述马达控制参数(d.c.)对应的期望转速的变化值。
4.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述预定的转速阈值(tn)随所述马达控制参数(d.c.)的增加线性递增至一个预定的最大值。
5.如权利要求2至4任一项所述的控制系统，其特征在于，该控制单元(ECU)被配置为在该马达控制的参数值(d.c.)大于一个预定值(X)时不对该直流马达(EM)进行电气制动。
6.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统被配置为该驱动电路(MDC)对该直流马达(EM)进行电气制动时，使该直流马达(EM)向该电池(B)充电以进行能量回收的第一模式或使该直流马达(EM)的电流被耗散的第二模式。
7.如权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述直流电机为三相直流电机，该驱动电路(MDC)包括由六个电子开关组成的逆变器。
8.如权利要求6所述的控制系统，其特征在于，该驱动电路(MDC)包括受该控制单元(ECU)控制的一个全桥电路(M1-M4)，所述全桥电路包括第一半桥电路和第二半桥电路。
9.如权利要求8所述的控制系统，其特征在于，所述控制单元(ECU)被配置为使所述第一半桥电路的上桥臂开关和下桥壁开关分别始终截止和导通，使所述第二半桥电路的上下桥臂开关交替导通，从而使所述控制系统在该驱动电路(MDC)对该直流马达(EM)进行电气制动时工作于所述第一模式和第二模式其中之一；或
所述控制单元(ECU)被配置为使所述第二半桥电路的上桥臂开关和下桥壁开关分别始终截止和导通，使所述第一半桥电路的上下桥臂开关交替导通，从而使所述控制系统在该驱动电路(MDC)对该直流马达(EM)进行电气制动时工作于所述第一模式和第二模式其中之另一。
10.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，该驱动电路(MDC)包括至少一个半桥电路，该半桥电路包括一个上桥臂开关(M1)和一个下桥臂开关(M2)，所述两开关在该控制单元(ECU)输出的脉宽调制信号的控制下交替导通。
11.如权利要求10所述的控制系统，其特征在于，该控制单元(ECU)通过降低加载到所述上桥臂开关(M1)的脉冲宽度调制信号的占空比而对该直流马达(EM)进行电气制动。
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