CN103201945A - 可编程电机和方法 - Google Patents

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Abstract

一种电子整流电机通过下述被编程:应用低频市电电源(303)以将电机触发到编程模式(304)，并且随后通过再另外频率改变将配置数据(306)应用到电机。在编程结束(314)时电机转子的特定旋转作出编程操作的成功与否的指示。

Description

可编程电机和方法
技术领域
本发明总体上涉及就其操作特性而言是可编程的电机。
更具体而言，本发明涉及就旋转方向、速度、加速度以及其它操作特性或设置而言可以被编程的电机。
背景技术
电子整流电机(ECM)通常被用作制冷系统以及其它电器中单相感应电机的替代品，从而提高效率。各种感应电机典型地在这种系统中使用，这些电机可能具有不同速度、方向或其它操作参数。为了得到最佳系统性能，期望ECM匹配被替换的电机的参数。
为了使安装者或系统制造者持有的ECM型号的数目最小化，因此期望能够在安装时设置非标准ECM的操作参数。由于若干电机必须频繁地被设置到相同的参数，特别是在大量安装中或者在生产线上，还期望在多个电机上应同时实现参数设置。
已知用于进行这种设置的若干方法。
一种方法是在每个电机上提供跨接器或跨接器线缆，其可以在安装时被永久连接或断开从而给出不同行为-例如ECM可以配置成在特定跨接器被连接时顺时针旋转，以及在特定跨接器被断开时逆时针旋转。这种系统具有的缺点为在电机中需要附加布线以及其它硬件，并且除非跨接器数目大，否则可用的调节范围小。
另一种方法是提供实现相同功能的外部可访问的开关，诸如DIP开关。这允许更大数目的实际调节，但是增加了成本和体积，并且使可靠性折中，特别是如果开关必须针对恶劣环境而被密封。
一种可替换方法是提供外部可访问的编程端口，其允许控制微处理器被重新编程以提供期望的性能。这提供了宽范围的调节选项，但是遭受与DIP开关相同的复杂性和保护问题，因为编程连接必须被保护。在多个电机同时被编程的场合，需要复杂通信协议以寻址每个分离的电机，潜在地在电机中需要更复杂的微处理器。
本领域中还存在美国专利7054696，其从监视设备接收不同市电频率并且通过改变速度控制电子器件而下载数据；以及美国专利6668571，其涉及使用温度和负载刺激改变对制冷压缩机电机的供电频率的制冷控制器。这两者都不涉及编程电机的设置或配置。
因此存在对在安装时间设置宽范围ECM参数的方法的需求，该方法不需要附加硬件或外部连接并且理想地可以在多个电机上同时使用。
发明内容
在一个方面，本发明涉及一种可编程交流供电电机，该电机具有：
编程器，其能够编程电机特性
传感器，其检测所应用的交变电流的频率
第一探测器模式，当所应用的交变电流频率在正常供电频率的范围之外的频率范围内时，该第一探测器模式被激活，
开关，其响应于探测器的激活，将电机切换到编程模式，
第二探测器模式，通过将电机切换到编程模式并且探测交变电流供电频率中的变化作为编程数据，该第二探测器模式被激活。
优选地，第一探测器模式由显著低于正常供电频率的频率激活。
优选地，第一探测器模式由基本上为36Hz的频率激活。
优选地，第二探测器模式由显著高于正常供电频率的频率改变激活。
优选地，第二探测器由以190Hz为中心在160Hz和210Hz之间变化的频率激活。
在另一方面，本发明存在于一种电机编程电源，其具有：用于固定频率电源的输入功率接收器；功率转换器，将来自功率接收器的功率在功率输出处转换成可控制输出频率；频率控制器，控制功率转换器的输出频率，该频率控制器由配置数据控制，从而在功率输出处提供对应于配置数据的改变的频率。
优选地，配置数据可以远离电机编程电源被改变。
优选地，来自该电机编程电源的输出同时对超过一个电机供电。
本发明还涵盖一种供应功率输出到具有可控变化输出频率的电子整流电机的方法，该方法包括：提供可控制频率电源，该电源频率被可控制到可辨别地不同于所设计的电机供电频率的第一频率以及显著不同于第一频率的至少第二频率，第一频率和至少第二频率被输出的相对时段在电源的功率输出处提供可控制频率功率输出，该可控制频率功率输出承载有编程数据。
在另一方面，本发明提供一种编程具有可编程电机控制器的AC供电电子整流电机的方法，该方法包括：探测所供应的电机功率的频率，探测所供应的电机功率的频率何时指示所供应的电机功率中编程序列的初始化，在探测到该频率时将电机控制器切换到第二探测编程模式，接收所供应的电机功率的后续频率改变作为电机控制器编程指令，以及在成功接收到编程序列时将指令编程到电机控制器。
优选地，指示初始化的频率显著低于电机的设计操作频率。
优选地，后续频率改变显著高于电机的设计操作频率。
优选地，后续频率改变在两个频率之间改变。
优选地，后续频率改变在三个频率之间改变。
优选地，当编程被可编程电机控制器成功地接收时，控制器初始化化特定转子运动。
附图说明
图1为用于编程的电机的连接的图示。
图2为典型编程波形曲线的波形图。
图3为典型电机控制器编程例程的流程图。
图4为本发明的典型电机的俯视透视图。
图5为同一电机的仰视透视图。
图6为覆盖件被移除以示出可编程电子器件的仰视透视图。
具体实施方式
图1示出计算机101，其经由USB连接将编程信息传输到接口模块102，该接口模块102为电机编程电源。接口模块由市电AC电源103供电，并且将改变的输出频率的AC电源供应到具有可编程电机控制器的AC电子整流电机104，该改变承载编程信息或者该程序的设置或配置。响应于该信息，以及特别是任何编程的成功与否，电机可以在方向105旋转或振荡。
编程电机设置的通常操作的一种方法是通过诸如USB的串行数据通信，将这些传输到形成市电电源模块的一部分的接口模块102，并且因此使用频移键控上的改变在市电布线上传输到电机104，其中所应用的交变电流的频率整体改变。
与电机104中的电机控制器的通信优选地是单向的，因为这减少在控制器所需要的资源，关于数据传输以及重新编程的成功或失败的反馈直接通过电机104的致动而通过视觉或听觉手段被呈现给用户：例如电机可以被编程从而摇动以指示成功编程以及旋转以指示失败。
接口模块本身可能纯粹是提供AC-DC-AC转换的典型电机控制器的可编程变型，其中固定频率输入AC电压在功率接收器中被接收，被转换为DC并且在程序控制下被电子整流以提供功率转换器，该功率转换器在功率输出处在可控制输出频率提供所需要的输出功率。用于提供整流的方法为通常用于从AC电源控制电子整流DC电机的整流的那些方法，差别在于所提供的波形为指定的频率并且优选地具有相等的正和负周期。输出不比为纯正弦波，因为输出波形仅仅需要接收ECM控制器将其接受为电机编程电源的某些内容。在大多数情况下，方波是可接受的。
接口模块就频率而言可以由连接计算机直接控制，或者所需要的编程序列可以被加载到接口模块中并且通过按下按钮而调用。在许多电机必须被编程的情况下，后面这种方法是优选的。
图2示出就所供应的市电频率与时间的关系，与电机的一个可能编程会话，其中在时间线202上在201具有零供电频率。标准市电频率由点线在203示出。
在编程开始时，在较低频率204的初始化AC电压被供应到交变电流电机作为电机功率。此供电频率可以在显著低于标准频率的36Hz，并且电机控制器具有作为控制系统的一部分的过零点识别，该电机控制器具有第一探测器模式，该第一探测器模式识别各过零点之间与标准市电频率相比增加的时间，并且被激活从而切换到可编程模式。在足够长使得电机已识别到初始化频率的时间之后，编程数据在190Hz的基本频率205开始，在用于数字″1″的210Hz206以及用于数字″0″的160Hz207之间进行频率偏移。接收的收据在第二探测器模式中由电机控制器识别，并且被读取到装载在控制器上存储器中的适当存储器中，典型地作为配置数据或设置。初始化频率和编程数据频率均在电源频率的正常范围之外，电源频率的正常范围典型地为50Hz或60Hz加或减5％。
在数据序列末尾，频率下降到标准市电频率208以指示编程序列结束。在此阶段期间，电机控制器可以通过指示编程是否被有效应用到控制器而对编程作出响应。这可以是通过使电机转子开始或停止振荡，或者通过在恒定速率旋转或者某种其它可探测的变化。
供应到电机的频率可以显著低于电机的所设计的操作频率，这是因为电机不受负载，所以由此产生的效率低下并不重要。
接口模块含有AC-DC-AC转换器，其能够将固定频率AC市电转换为在市电电压或更低的任意频率的单相输出：未受调整或者轻微调整的ECM控制器(尽管有充当频率控制器的定制软件)适合于此目的。输出波形不需要是正弦的，方波或具有清楚限定的过零点的其它形状是可接受的并且合成更简单。转换器必须能够供应足够电流以满足将被同时编程的这么多电机的涌入和电机启动电流提取。AC-DC-AC转换器含有或连接到用于与PC通信的隔离的通信接口。在多个电机连接点被提供的情况下，这些被并联连接。
电机必须具有控制器，该控制器具有能够探测市电输入上的过零点的硬件并且具有内嵌软件，该内嵌软件允许解码在这些过零点的计时中被编码在改变中的数据以及基于此数据重新编程非易失性存储器。这些要求的硬件方面通常存在于ECM控制器中，因此通常不需要附加硬件，纯粹是最小的软件编程接口。
在该过程开始时，从接口模块到电机的输出被切断。为了初始化该过程，接口模块在市电电压但是在大概非市电频率(在当前实施方式中36Hz)接通该输出。可以选择不是市电频率的次谐波的低于市电的频率，从而最小化高频噪声或错过的过零点在运行中偶然初始化此模式的可能性。
此频率被输出足够长的时间以允许电机控制器加电，自检，并且探测足够的过零点从而即使在存在噪声时获得输入频率的良好估计(典型地1.5秒是足够的)。
在初始化阶段之后，接口模块将输出波形偏移到载波频率-在当前实施方式中190Hz。高于市电的频率被选择以增大波特率：这是有可能的，因为不同于初始化步骤，错误解释的影响不是灾难性的，纯粹是编程将无效的不方便而已。
通过将此频率偏移达固定数目的周期，典型地通过允许该频率在固定频率之间改变，由此传输数据。在当前实施方式中，″1″由偏移到210Hz到第一频率达10个周期表示，并且″0″由偏移到160Hz的第二频率达10个周期表示。每个位由在载波频率的10个周期分隔开，产生30个周期的波特率或者平均6.3位/秒。
数据是在固定长度的块(在当前实施方式中，3个字节)中被传输，每个块之后是CRC校验。
一旦所有数据已经被传输-无论成功与否，这对于接口模块是不知晓的-接口模块将输出频率偏移到与输入市电相同的频率-50或60Hz。这被输出达一个阶段(在当前实施方式中，1.5秒)，此后该输出被切断，从而将电机关机。
作为被供应来自接口模块的编程序列的结果：
当电机探测到初始化频率时(在所示实施方式中通过观察在预期频率的16个顺序的过零点，这足以确保偶然探测)，它进入编程模式。如果减小的频率不被探测到，电机将循着其正常加电行为，该正常加电行为是开始旋转。这提供了编程不成功并且必须重新启动的视觉/听觉指示符。
在接收编程信息期间，为了准确接收每一位，电机必须探测在准确频率的4个顺序的过零点，接着是(不一定紧接着)在载波频率的4个顺序的过零点。这种准确地被探测的序列连同尾随的CRC位构成了固定长度的块。此三元码提供了对干扰的更大免疫性。
如果块被成功地接收，电机或者等待下一个块或者如下所述″确认″命令。如果块未被成功地接收-或者是由于超时或者是坏的CRC校验-电机将自己重置并且重复双面的加电行为。由于初始化频率在该过程中在此阶段将不被探测到，数据传输失败的净效应是致使电机复原到其正常操作状态。
当普通市电频率被探测到时，电机按照下述三种方式其中之一来应答：
-如果电机处于编程模式并且所有预期数据被成功地接收(即如果所有上面的步骤被成功地完成)，电机将新设置编程到其非易失性存储器中。它随后短暂地对其绕组通电从而给出独特的噪声和振荡运动，由此提供成功的视觉/听觉指示符。最后，它进入空闲状态，该空闲状态只能通过关机并再次开机而被退出。
-如果电机处于编程模式，并且所有预期数据未被接收-例如如果4个数据包被预期并且仅仅3个被看到-电机将自己重置。由于这仅仅花上几分之一秒，它随后移动到下面的下一个状态。
-如果电机不处于编程模式，或者是因为它从未进入编程模式或者是因为由上面的错误的其中之一造成的重置，它执行正常启动行为，并且开始旋转直至接口模块关闭电源。旋转的电机因此是重新编程失败的视觉指示符。
由于接口模块不依赖于从任何连接的电机接收双向数据，它能够编程多达它可以供电的电机。每个电机的编程的成功可以被观察者视觉上探测到，或者可以同样通过一种观察光-光学探测器而在光学上被探测到，或者通过观察器或麦克风在听觉上被探测到。
电机本身典型地由DC电机以及集成的电机控制器构成；电机控制器从经整流的所应用的AC电源被供电，并且包括具有最小闪速RAM的常见微处理器，该RAM可以存储所需的操作参数。微处理器从经整流的AC电源驱动受控转换器，从而驱动ECM。由于目的是在负载下提供与感应电机同样的速度，转换器的特性通常由微处理器RAM设置，使得电机在满负载下接近感应电机同步速度。电机因此需要输入AC电源的频率的测量，这是从AC电源波形的过零点之间的时间导出。
允许对电机的编程则仅仅需要微处理器编程中的变化，从而允许从过零时间识别编程频率以及配置数据的后续改动。
图3示出在电机控制器接收编程序列的流程图，其中当功率在301被应用时，电机控制器在302探测过零点之间的时间并且在303确定这是否为标准市电频率功率。如果是，该序列转移到304，在那里电机依据任何其当前配置而被控制。
如果所应用的功率不是在市电频率，则在305执行针对程序序列初始化频率的校验。如果这未被发现，则电机复原到当前配置的控制模式。
在所需要的初始化频率被发现的情况下，编程在306被初始化，并且任何后续频率变化或反转在307被探测，以及在308应被转换为数字″1″、″0″、空(非已知频率)或者编程序列的生效的指示。
在309进行针对验证需要的校验，并且如果没有任何需要以及该位为CRC位，则在310针对正确值进行校验。如果该值是错误的，电机在311复原到当前电机控制器配置。
当该位有效时，它在312被存储并且下一个频率变化被探测。当针对有效性校验的频率被接收时，所保持的输入数据在313被写入作为新配置，在314转子被振荡(或者作出某些其它指示)。
初始化频率可以是任何这样的频率，其与标准市电频率具有足够的差异，使得电机控制器上的普通过零点探测器可以可靠地探测该差异，并且它不应是在其出现标准市电频率的谐波或次谐波的任何频率。初始化频率本身可以是两个或更多个不同频率的序列，不过大多数情况下这不被保证。
如上所述的数据频率提供一种形式的频移键控，但是可以使用可以被电机控制器中的过零点探测器可靠地探测的任何形式的调制，并且如果更复杂的控制器是可用的时，可以使用其它的形式。实际数据频率可以是可以被控制器过零点探测器可靠地探测的任何频率，包括标准市电频率，并且码序列可以是二元或三元的。
使用标准市电频率作为该频率其中之一是有可能的，但是对于更快速的编程，更高的频率是更方便的，从而提供更大的波特率和更快的编程。
理论上有可能对数据位使用不同的应用电压来编程ECM电机，但是标准控制器未被特别地调适从而探测将需要的更精细电压水平。
尽管描述了单向通信系统，但是通过在接口模块探测由电机提取的电流，同样有可能使用双向通信系统。这种系统无法与从单个接口模块供电的多个电机一起工作，并且在这些情形下，用于每个单独电机的全双向系统提高复杂性并且降低可能的波特率。
图4和5分别示出需要编程的类型的典型电机俯视和仰视透视图。电机壳体401含有定子和转子，该电机壳体具有风扇可以固定到其的轴安装止档402。电机可以由硬件403安装，该硬件也可以将壳体401紧固到基盖406。具有布线405的电源线可以在市电频率或编程频率将功率传送到电机。
图6示出相同的电机，该电机没有基盖。示出了大部分电子部件安装于其上的印刷电路板407，还一起示出形成电机控制器的核心的市电整流器408、电容器409和微处理器410。微处理器提供波形对电机整流，从而驱动对定子线圈(不可见)供电的晶体管对411。位于定子线圈包围中的恒温控制器412允许探测过温并且在需要时安全关闭电机。如上所述，微处理器监视布线405上电源的过零点，并且正确频率被接收时将模式切换到编程模式。当被正确编程时，微处理器410从电机提供所需要的动作，使得例如止档402来回摇动。
提供到电机用于编程的电压不一定需要是满额定电压，只要该电压足以对电机控制器供电并且在编程不成功时优选地提供某种指示。
变型
应理解，尽管已经在前文说明书中阐述本发明各种实施例的许多特性和优点，以及本发明各种实施例的结构和功能的细节，此公开内容仅仅是说明性的，并且可以在细节中进行改变，只要本发明的功能不受负面影响。例如接口模块的特定元件可以根据其被用于的具体应用而改变，但并不改变本发明的精神和范围。
此外，尽管此处描述的实施例涉及用于在可编程电机系统中使用的电子控制电机，本领域技术人员将理解，在所附权利要求的范围内有可能进行各种改变和调整。
工业应用性
本发明的电机编程器被用于在诸如风扇电机工业的许多工业中采用的电机的编程。本发明因此具有工业应用性。

Claims (10)

1.一种可编程交流供电电机，该电机具有:
编程器，其能够编程电机特性
传感器，其检测所应用的交变电流的频率
第一探测器模式，当所应用的交变电流频率在正常供电频率的范围之外的频率范围内时，该第一探测器模式被激活，
开关，其响应于探测器模式的激活，将电机切换到编程模式，
第二探测器模式，通过将电机切换到编程模式并且探测交变电流供电频率中的变化作为编程数据，该第二探测器模式被激活。
2.如权利要求1所述的可编程交流供电电机，其中第一探测器模式由显著低于正常供电频率的频率激活。
3.如权利要求2所述的可编程交流供电电机，其中第一探测器模式由基本上为36Hz的频率激活。
4.如权利要求1所述的可编程交流供电电机，其中第二探测器模式由显著高于正常供电频率的频率改变激活。
5.如权利要求4所述的可编程交流供电电机，其中第二探测器模式由以190Hz为中心在160Hz和210Hz之间变化的频率激活。
6.一种编程AC供电电子整流电机的方法，该AC供电电子整流电机具有可编程电机控制器，该方法包括:在电机探测所供应的电机功率的频率，在第一探测模式中探测所供应的电机功率的频率何时指示所供应的电机功率中编程序列的初始化，在探测到该频率时将电机控制器切换到第二探测编程模式，接收所供应的电机功率的后续频率改变作为电机控制器编程指令，以及在成功接收到编程序列时将指令编程到电机控制器。
7.如权利要求6所述的编程AC供电电子整流电机的方法，其中指示初始化的频率显著低于电机的设计操作频率。
8.如权利要求6所述的编程AC供电电子整流电机的方法，其中后续频率改变显著高于电机的设计操作频率。
9.如权利要求6所述的编程AC供电电子整流电机的方法，其中后续频率改变在两个频率之间改变。
10.如权利要求6所述的编程AC供电电子整流电机的方法，其中后续频率改变在三个频率之间改变。
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