CN104104303B - 电动马达频率调制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电动马达频率调制系统。公开了用于控制电动马达的方法和设备。从关于电动马达的运行的信息中识别达到期望的运行条件的转换频率。用已识别的转换频率控制供应到电动马达的电流的转换。

Description

电动马达频率调制系统
技术领域
本发明大体涉及电动马达系统，并且特别地涉及控制电动马达系统。进一步更特别地，本发明涉及用于控制转换频率的方法和设备，马达控制器以此转换频率供应电流到电动马达。
背景技术
电动马达是转换电功率为机械功率的装置。电动马达被使用于各种应用。这些应用包括风扇、泵、工具、磁盘驱动器、钻头和可以在这些和其他类型的平台中被发现的其他类型的装置。
无刷电动马达是通常使用的电动马达类型。对于无刷电动马达，控制器被配置为改变电动马达中的绕组中的电流。特别的，电流以某频率转换，该频率是以引起马达转动的形式改变施加到绕组的各相位中的电流的幅度的频率。通过使用具有晶体管形式的开关来执行电流的转换。
至于无刷电动马达的性能和持久性，热量是一个限制。热量可以使磁体减弱，引起绕组安装中不期望的不一致性和其他不期望的结果。进一步，运行环境也可以使电动马达经受高于期望的热量。
因此，电动马达可能具有比期望更少的使用期限。此外，电动马达可能不按期望地执行。这个情况可能导致维修和/或更换比预期更早或更频繁地出现。
此外，由电动马达产生的热量也可能在临近电动马达的其他装置上产生不期望的结果。例如，由电动马达产生的热量可引起这些其他装置不按期望地执行。
目前，可以通过冷却系统管理由电动马达产生的热量。冷却系统可以包括风扇、液体冷却装置和可以耗散来自电动马达的热量的其他合适的系统。
然而，冷却系统的使用增加了电动马达的开销。进一步，冷却系统也使用空间并且增加电动马达系统的重量。进一步，有源冷却系统的使用可降低电动马达系统的效率。此外，在一些情况下，可供增加的重量使用的空间数量可能使得冷却系统的使用是不期望的或不可行的。
因此，期望具有考虑至少一些上述问题和其他可能问题的方法和设备。
发明内容
本发明的实施例提供了包含控制器的设备。控制器被配置为从关于电动马达运行的信息中识别达到期望的运行条件的转换频率。控制器进一步被配置为用已识别的转换频率控制供应到电动马达的电流的转换。
本发明的另一个说明性实施例提供了包含电动马达和控制器的电动马达系统。控制器被配置为接收关于由电动马达的运行而产生的热量的信息。控制器也被配置为从关于由电动马达的运行产生的热量的信息中识别达到期望运行温度的转换频率。控制器进一步配置为用已识别的转换频率控制被供应到电动马达的电流的转换。
另一个说明性实施例还提供了用于控制电动马达的方法。达到期望运行条件的转换频率被从关于电动马达运行的信息中识别。用已识别的转换频率控制供应到电动马达的电流的转换。
进一步，本发明包含根据下列条款的实施例：
条款1.一种设备，包含：
控制器，该控制器被配置为从关于电动马达的运行的信息中识别达到期望的运行条件的转换频率，并且用已识别的转换频率控制被供应到电动马达的电流的转换。
条款2.根据条款1所述的设备，其中控制器被配置为在电动马达的运行期间动态改变转换频率。
条款3.根据条款2所述的设备，其中转换频率响应于电动马达的运行条件的改变而改变。
条款4.根据条款1所述的设备，其中控制器包含：
频率识别器，其被配置为接收关于电动马达运行的信息并且从接收到的信息中识别达到期望的运行条件的转换频率；和
频率控制器，其被配置为用已识别的转换频率控制被供应到电动马达的电流的转换。
条款5.根据权利要求4所述的设备，其中控制器进一步包含：
连接到频率控制器的一组开关，其中所述一组开关配置为当发送电流到电动马达时以转换频率进行转换。
条款6.根据权利要求1所述的设备，进一步包含：
配置为产生所述信息的传感器系统。
条款7.根据条款4所述的设备，其中所述信息包含从下列至少一个中选择的一组运行条件：马达负载、一组开关的温度的改变速率、电动马达的温度或电动马达中的定子温度。
条款8.根据条款1所述的设备，其中所述控制器被配置为响应于事件而识别关于电动马达运行的信息并且从信息中识别达到电动马达的期望的运行条件的转换频率。
条款9.根据权利要求8所述的设备，其中所述事件是从下列中的一个选择的：周期性事件、非周期性事件、温度改变、电动马达上的负载的改变、或操作者起动的事件。
条款10.根据权利要求1所述的设备，其中期望的运行条件选自效率或功率中的至少一个。
条款11.根据权利要求1所述的设备，其中控制器被配置为基于电动马达如下所示的效率的识别而从接收的信息中识别达到电动马达的期望的运行条件的转换频率：
Figure BDA0000489108370000031
其中e是效率，τ是电动马达的扭矩，ω是每分钟的转数，Vin是输入到电动马达的电压，以及iin是输入到电动马达的电流。
条款12.根据条款1所述的设备，其中所述电动马达是无刷电动马达。
条款13.一种电动马达系统，其包含：
电动马达；和
控制器，其被配置为接收关于由电动马达运行产生的热量的信息；从关于由电动马达运行产生的热量的信息中识别达到期望运行温度的转换频率；和用已识别的转换频率控制被应用到电动马达的电流的转换。
条款14.一种用于控制电动马达的方法，包含：
从关于电动马达运行的信息中识别达到期望的运行条件的转换频率；和
用已识别转换频率控制被供应到电动马达的电流的转换。
条款15.根据条款14所述的方法，其中识别步骤和控制步骤在电动马达的运行期间被动态地执行。
条款16.根据条款15所述的方法，其中转换频率响应于电动马达的运行条件的改变而改变。
条款17.根据条款14所述的方法，其中识别步骤和控制步骤通过电动马达的控制器执行。
条款18.根据条款14所述的方法，其中所述信息从下列中的至少一个中选择：马达负载、一组开关的温度的改变速率、电动马达的温度、电动马达中定子的温度、电动马达的最大温度或该组开关的期望的温度。
条款19.根据条款14所述的设备，其中识别步骤包含：
基于如下所示的电动马达的效率的识别而从接收的信息中识别达到电动马达的期望的运行条件的转换频率：
Figure BDA0000489108370000041
其中e是效率，τ是电动马达的扭矩，ω是每分钟的转数，Vin是输入到电动马达的电压，以及iin是输入到电动马达的电流。
条款20.根据条款14所述的方法，其中识别步骤包含：
识别一组转换频率的一组平均效率；和
从经历违反运行参数的规则的一组平均效率中的最高平均效率中识别转换频率。
所述特征和功能可以在本发明的各种实施例中被独立实现或者可以在其他实施例中被组合，其中进一步的细节可以参考下列说明和附图而理解。
附图说明
说明性实施例的被确信具有新颖性特性的特征在所附权利要求中提出。然而，说明性实施例以及优选的使用模式、其进一步的目的以及特性将通过在与所述附图一起阅读时参考以下本发明的说明性实施例的具体实施方式而被最好地理解，其中：
图1是根据说明性实施例的电动马达环境的框图的说明。
图2是根据说明性实施例的转换频率的识别的说明。
图3是根据说明性实施例的用于控制电动马达的处理的流程图的说明。
图4是根据说明性实施例的用于识别转换频率的处理的流程图的说明。
图5是根据说明性实施例的用于处理运行参数的规则的表格的说明。
图6是可以被用于重启转换频率的识别的事件的表格的说明。
图7是根据说明性实施例的对于不同的马达负载的系统效率的图示的说明。
图8是根据说明性实施例的对于不同数量的扭矩的电动马达的定子温度的图示的说明。
图9是根据说明性实施例的具有框图形式的飞行器制造和维护方法的说明。
图10是其中可以实施说明性实施例的具有框图形式的飞行器的说明。
具体实施方式
说明性实施例意识到并且顾及一个或多个不同的考虑。例如，说明性实施例意识到并且考虑到由电动马达产生的热量可取决于电流被转换到电动马达的频率。说明性实施例意识到并且考虑到当前使用的电动马达具有使用固定转换频率的控制器。换句话说，晶体管运行或转换的频率被保持恒定并且典型地由控制器的运行限制定义。
说明性实施例意识到并且考虑到响应于电动马达的运行条件或电动马达周围环境而改变转换频率可能被用以增加电动马达系统的效率，所述电动马达位于所述电动马达系统中。例如，说明性实施例意识到并且考虑到响应于马达的运行条件或电动马达周围环境而改变频率可减少由电动马达产生的热量。
进一步，说明性实施例意识到并且考虑到转换频率可被改变以增加电动马达系统作为一个整体的效率。说明性实施例也意识到并且考虑到转换频率可被改变以减少由电动马达系统中的不同组件产生的热量。这些组件可包括例如控制器、电动马达和其他合适的组件。
说明性实施例意识到并且考虑到用于增加电动马达系统的总效率的转换频率和用于减少由电动马达系统中的一个或多个组件产生的热量的转换频率在一些情况下可以是相同的频率。在其他情况下，不同的转换频率可基于目的而选择。
因此，说明性实施例提供了用于控制电动马达的方法和设备。达到期望运行条件的转换频率从关于电动马达的运行的信息中被识别。被供应到电动马达的电流的转换用已识别的转换频率控制。转换频率的这类改变可在马达运行期间被动态执行。
现在参考附图并且特别地参考图1，根据说明性实施例描述了电动马达环境的框图的说明。电动马达环境100是环境的示例，其中说明性实施例可被实施。
电动马达环境100中的电动马达系统102包括若干不同的组件。如所述，电动马达系统102包括电动马达104、电源106和控制器108。
电动马达104被配置为产生旋转或线性扭矩或力。在这些说明性示例中，电动马达104采用无刷电动马达110的形式。
电源106通过控制器108供应电流112到电动马达104。电源106可采用各种形式。例如，电源106可从电池、将交流转换到直流的电源单元、电动发电机或一些其他合适的组件中的至少一个中选择。
如在本文中所用，当用于一列项目时，短语“至少一个”意味着所列项目中的一个或多个的不同组合可以被使用并且可能仅需要所列项目中的每个项目中的一个。例如“项目A、项目B或项目C中的至少一个”可以包括但不限于，项目A、项目A和项目B、或项目B。这个示例也可以包括项目A、项目B、以及项目C或项目B和项目C。当然，这些项目的任意组合可以被呈现。在其他的示例中，例如，“至少一个”可以但不限于两个项目A、一个项目B和十个项目C；四个项目B和七个项目C；以及其他合适的组合。所述项目可以是特定的对象、事物或类别。换句话说，至少一个意味着项目的任何组合，并且可以使用来自所列项目的多个项目，但是并不要求所列项目中的所有项目。
控制器108是这些说明性实施例中的硬件装置。控制器108可包括软件。所述硬件可包括运转以执行控制器108中的操作的电路。
在说明性示例中，所述硬件可以采用以下形式：电路系统、集成电路、专用集成电路（ASIC）、可编程逻辑器件、或被配置为执行若干操作的一些其他合适类型的硬件。对于可编程逻辑器件，所述器件被配置为执行若干操作。所述器件可在随后被重新配置或可以被永久配置为执行若干操作。可编程逻辑器件的示例包括，例如可编程逻辑阵列、可编程阵列逻辑、现场可编程逻辑阵列、现场可编程门阵列和其他合适的硬件装置。此外，所述处理可以被实施在与无机组件集成的有机组件中和/或可以完全由除了人类以外的有机组件构成。例如，所述处理可被实施为有机半导体中的电路。
在这个说明性实施例中，控制器108可以被配置为识别达到一组期望的运行条件116的转换频率114。本文中关于项目使用的“一组”意为一个或多个项目。例如，一组期望的运行条件116是一个或多个期望的运行条件。在说明性示例中，一组期望的运行条件116可选自效率、功率或其他期望的运行条件中的至少一个。在这些说明性实施例中，所述效率可以是电动马达系统102的效率。这个效率可以基于减少由电动马达104或控制器108中的至少一个产生的热量。所述功率可以是由电动马达系统102产生的功率或扭矩。
转换频率114从关于电动马达104的运行的信息118中识别。控制器108用转换频率114控制电流112转换到电动马达104。
在这个说明性示例中，控制器108可以包含若干不同的组件。例如，控制器108可包括频率识别器120、频率控制器122和开关124。
如所述，频率识别器120可以接收信息118。关于电动马达104的运行的信息118包括各种类型的信息。信息118可以包括关于电动马达104、控制器108、电源106、和电动马达环境100中的其他条件的运行的任何信息。例如，可以考虑关于电动马达环境100中围绕电动马达104的其他装置或组件的信息。
在这些说明性示例中，信息118可包括一组运行条件128。在这个说明性示例中，一组运行条件128是在电动马达环境100中被检测到或感测到的运行条件，而不是一组期望的运行条件116中的期望的条件。此外，信息118也可包括一组运行参数130。在这些说明性示例中，一组运行参数130可选自一组期望的运行条件116中的一个或多个。一组运行参数130中的运行参数可以是阈值、范围或一些其他类型的参数。所述运行参数可以定义约束或期望的运行范围或条件。
一组运行条件128可以采用各种形式。例如，一组运行条件128可以包括马达负载、一组开关的温度的改变速率、马达的温度、马达中定子的温度或关于电动马达104运行的其他合适的运行条件中的至少一个。一组运行条件128中的其他运行条件的示例可以是湿度、气流速率、冷却剂流率和其他合适的条件。
如所示，频率识别器120也可以使用信息118中的一组运行参数130。一组运行参数130可包括，例如电动马达的最大温度、或一组开关的期望的温度、或其他合适的参数中的至少一个。
频率识别器120可选择转换频率114。信息118的接收和转换频率114的选择可以在电动马达104的运行中动态发生。此外，通过使用先前从电动马达104的运行中收集的信息118，可以对电动马达104的运行进行转换频率114的选择。
频率控制器122被配置为控制开关124的转换。频率控制器122使用由频率识别器120识别的转换频率114。
如所述，开关124在开和关位置间转换以便控制电流112从电源106流动到电动马达104。特别的，开关124被配置为由控制器108中的频率控制器122控制，从而当发送电流112到电动马达104时以转换频率114转换。特别的，控制器108可以采用调制用于驱动晶体管的形式的开关124的转换频率114的脉冲宽度调制控制器（IWMC）的形式，所述开关124控制发送到电动马达104的电流112。电流112可以被用以控制电动马达104两端的电压。
在说明性示例中，转换频率114不是与那些被用以控制电动马达104的速度的频率相同的频率。转换频率114高于用以控制电动马达104的速度的频率。
例如，转换频率114在一个非限制性示例中可以是大约20kHz。对于转换频率114，每分钟发生12000K的转换。另一方面，电动马达104每分钟的转数可以是例如7000rpm。很明显地，转换频率114典型地高于电动马达104的旋转。因此，由于转换频率114和电动马达104的旋转之间的差异，电动马达104的旋转速度可以不被转换频率114影响。在这个示例中，转换频率114可被选择以使转换频率114不影响电动马达104的旋转。反之，转换频率114可被选择以控制电动马达104内的绕组中的电流。电流的转换可被用以控制通过电动马达104里的不同绕组的电流的幅度，从而引起电动马达104的旋转。
在这些说明性示例中，传感器系统132可以检测并且发送一组运行条件128。一组运行条件128可作为信息118的一部分被发送到控制器108。传感器系统132被配置为检测关于电动马达104的运行的一组运行条件128。
如所示，传感器系统132可包括一组传感器。在用于传感器系统132的一组传感器中的传感器可采用各种形式。例如，传感器可选自热电偶、电流传感器、电压传感器、电热调节器或其他合适的装置中的至少一个。
进一步，在这个说明性示例中，控制器108可接收两部分的信息118。例如，控制器108可在信息118中接收由一组运行条件128中的电动马达104产生的热量。控制器108可在信息118中接收由一组运行条件128中的控制器108产生的热量。通过这两部分信息118，在一些说明性示例中，控制器108可以平衡由控制器108和电动马达104产生的热量的方式选择转换频率114。因此，在减少这些组件中的一个的热量和增加另一组件中的热量之间可以产生平衡。
图1中的电动马达环境100的说明不意味着暗示对可以实施说明性实施例的方式的物理或结构限制。可以使用除了或替换所说明的组件的其他组件。一些组件可能是不必要的。同样，框被提供以说明一些功能性组件。当被实施在说明性实施例中时，这些框中的一个或多个可被组合、划分或组合并且划分为不同的框。
例如，传感器系统132可以是电动马达系统102的部分而不是如所述的分离的组件。在另一个说明性示例中，即使被展示在与电动马达104分离的框中，控制器108也可以被集成为电动马达104的部分。
参考接下来的图2，根据说明性实施例描述了转换频率的识别的说明。在这个说明性实施例中，控制器108中的频率识别器120接收一组运行条件128作为输入以识别转换频率114。如所述，一组运行条件128包括作为输入的马达负载200、控制器温度改变速率202、控制器温度204、定子温度206和定子温度改变速率207以用于识别转换频率114。
如所述，马达负载200是由电动马达104响应于负载而产生的扭矩。控制器温度改变速率202是开关124温度的改变。控制器温度204是开关124的温度。定子温度206是电动马达104中的一个或多个定子的温度。在这些说明性实施例中，一组运行条件128中的这些运行条件可被直接测量或从间接测量中推断。例如，热电耦可被用以测量温度和温度的改变。作为另一个示例，所述温度和温度的改变可以间接从测量被发送到电动马达104的电流或开关124的转换频率114中推断。
对于这四种运行条件，频率识别器120可以在电动马达104运行期间执行计算以识别由于这些计算得到的转换频率114。随着一组运行条件128改变，转换频率114可被改变以改善用于电动马达104或电动马达系统102或电动马达环境100中的其他组件的一组运行条件128。换句话说，转换频率114可被改变以便改变一组运行条件128，从而向前一组期望的运行条件116增大或达到一组期望的运行条件116。在这个说明性示例中，一组运行条件128可以是电动马达104的温度、控制器108或一些其他运行条件中的至少一个。
在这些说明性示例中，一组运行条件128中的改善可以是电动马达104或控制器108中的至少一个的温度的减少。这种减少可引起电动马达系统102运转的效率的提高。效率的提高可以是电动马达104或控制器108中的至少一个的使用周期的增加。
在这个说明性实施例中，控制器温度204和控制器温度改变速率202可被用以识别对转换频率114的限制。例如，一组运行参数130可包括最大控制器温度208。频率识别器120可以识别转换频率114的值。虽然这个值可能是对于转换频率114的最好的值，但如果这个值引起控制器温度204超过最大控制器温度208，则该值可能不被用于转换频率114。
在一些说明性示例中，控制器108可被冷却。可以使用可以是无源或有源的热传递系统进行冷却。因此，所述冷却可允许转换频率114的较高的值以避免最大的控制器温度208。
进一步，在这些说明性示例中，附加的步骤可被用以防止控制器108过热。例如，控制器温度改变速率202可被用以确定控制器108的温度增加是否处于大于期望的速率。最大的控制器温度208和最大的控制器温度改变速率212是一组运行参数130。这些运行参数的使用可以减少控制器温度204可能过冲或超过最大的控制器温度208的可能性。
以这种方式，频率识别器120可以增加电动马达系统102的效率的方式识别转换频率114。这个效率可被用以控制定子温度206和控制器温度204。
例如，转换频率114可以被增加以减少由电动马达104中的定子产生的热量。转换频率114中的这种改变可被暂时执行以减少由定子产生的热量并且提供电动马达104中的冷却。这种增加可被执行，只要控制器108能够承受由转换频率114的增加产生的热量的增加。
进一步，不同的说明性示例可以在电动马达104的运行期间识别转换频率114。转换频率114的这种识别可导致在电动马达104运行期间转换频率114的改变。转换频率114的改变可响应于电动马达环境100的改变而发生。例如，可发生电动马达环境100中的温度改变，导致以电动马达104或控制器108中的至少一个可产生热量并且增加温度的方式的改变。
例如，电动马达系统102可被使用在飞行器上。当飞行器的高度改变时，电动马达环境100中的温度可改变。因此，转换频率114也可改变，从而考虑了当电动马达系统102被用在飞行器中时电动马达环境100中温度的改变。如另一个示例，电动马达环境100中的其他装置的运行也可以改变电动马达104周围的温度。温度的这种改变也可影响转换频率114的识别。
以这种方式，转换频率114可响应于电动马达环境100的改变而动态改变。这些改变可被执行以基于一组期望的运行条件116维持电动马达104的期望水平的性能。
即使已经示出一组运行条件128和一组运行参数130的特定示例，但除了或替代本附图中描述的运行条件和运行参数的其他的运行条件和运行参数仍可被使用。
电动马达环境100的说明和图1和图2中的不同组件不意味着暗示对可以实施说明性实施例的方式的物理或结构限制。除了或替代所说明的组件的其他组件也可以被使用。一些组件可能是不必要的。同样，框被提供以说明一些功能性组件。当在说明性实施例中实施时，这些框中的一个或多个可被组合、划分或被组合并且划分为不同的框。
例如，传感器系统132可以是电动马达系统102的部分而不是如所述的分离的组件。在另一个说明性实施例中，虽然控制器108被展示在与电动马达104分离的框中，但其也可以被集成为电动马达104的一部分。
作为另一个示例，虽然控制器108在说明性示例中被说明为使用脉冲宽度调制控制器（IWMC）实施，但是控制器108也可以其他方式实施。例如，也可以使用脉冲宽度调制（PWM）控制器实施控制器108。
现在参考图3，根据说明性实施例描述了用于控制电动马达的处理的流程图的说明。图3中说明的处理可被实施在图1中的控制器108中。
所述处理开始于从关于电动马达的运行的信息中识别达到期望的运行条件的转换频率（操作300）。在这些说明性示例中，运行条件可以是最大的马达温度。在一些说明性示例中，附加的运行条件可被考虑。例如当超过一个运行条件被考虑时，最大的控制器温度也可被认为是一组期望的运行条件中的一部分。
此外，操作300可以在根据先前针对电动马达识别的信息运行电动马达之前执行。在其他的说明性示例中，当马达正在运行时，操作300也可被执行。以这种方式，可发生转换频率的指示以使得转换频率可以随着关于电动马达运行的信息的改变而改变。
所述处理之后用已识别的转换频率控制到电动马达的电流的转换（操作302），这之后处理终止。
转到接下来的图4，根据说明性实施例描述了用于识别转换频率的处理的流程图的说明。图4中说明的处理是可以实施操作300的一种方式的示例。
在本说明性示例中的处理可被用以识别期望的转换频率。本示例中说明的处理使用频率扫描，其中一组转换频率被用以识别选择的一组转换频率中的不同转换频率的电动马达的效率。特别的，图3中说明的不同的操作提供经验性处理，此处理之后识别效率与可被用以识别期望的转换频率的转换频率。
所述处理开始于从一组转换频率中选择转换频率（操作400）。一组转换频率可以是频率的范围，所述处理在这些说明性示例中可能扫描通过所述频率的范围。例如，一组频率可从约20kHz到约80kHz，其中步进尺寸约为10kHz。这个频率的范围形成用在频率扫描中的一组转换频率。在这个说明性实施例中，转换频率可以所述范围的下端开始，例如20kHz。
所述处理之后识别电动马达信息（操作402）。在这些说明性示例中，所述电动马达信息可以是，例如输入电压、输入电流、每分钟的转数、以及电动马达的扭矩。
通过使用电动马达信息，所述处理之后识别效率值（操作404）。在说明性实施例中，电动马达的效率值可被如下表示：
Figure BDA0000489108370000121
其中，e是效率，τ是电动马达的扭矩，ω是电动马达每分钟的转数，Vin是输入到电动马达的电压，以及iin是输入到电动马达的电流
在操作404中识别的效率是瞬时效率。换句话说，所述效率是针对特定的时间点的。
作出关于是否针对不同的时间识别了期望数量的效率值的判断（操作406）。在这个说明性实施例中，样本被获取并被求平均的时间周期可以是例如大约1秒。当然，也可以使用其他时间周期，例如约0.5秒，约3.0秒，或一些其他合适的时间周期。如果未识别期望数量的效率值，则处理返回到操作404。
否则，处理之后对已识别的效率值求平均以获得针对转换频率的平均效率值（操作408）。所述转换频率和针对转换频率的平均效率值被存储（操作410）。
作出关于在一组转换频率中是否存在未处理的转换频率的判断（操作412）。如果存在另一个未被处理的转换频率，那么处理返回到操作400。
当一组转换频率中的所有转换频率均已经被处理时，识别针对一组转换频率的一组平均效率。所述处理之后从针对一组转换频率识别的一组平均效率中选择最大的平均效率（操作414）。在操作414的这个点处，提供针对一组频率的平均效率的剖面。这个剖面针对大致接近于当前时间的时间周期，电动马达在所述当前时间中运行。所述最大的平均效率从操作414中的这个剖面中选择。
根据一组平均效率中的最高的平均效率选择的转换频率可经受运行参数的违反。作出关于运行参数是否被最大的平均效率违反的判断（操作416）。所述运行参数可以是一组运行参数130中的运行参数。
在操作416中，关联于最大的平均效率的转换频率可被用以确定当使用该转换频率时以下运转参数是否被超过：例如最大的马达温度、最大的控制器温度、或由运行参数指定的一些其他的条件。
例如，较高的转换频率可引起电动马达的控制器以较低转换频率相比更快地加热。进一步，较大的转换频率可允许电动马达中的定子比在较低的转换频率情况下更快地冷却。所述运行参数可指定可以限制转换频率可以有多高的阈值或数值范围。
如果运行参数未被违反，则所述处理选择关联于最大的平均效率的转换频率作为所述转换频率（操作418）。所述处理之后从一组转换频率中选择另一个转换频率作为用于控制到电动马达的电流的转换的转换频率（操作420）。再一次参考操作416，如果运行参数被违反，则所述处理也前进到如上所述的操作420。在操作420中，转换频率可以是针对不违反运行参数的下一个最高平均效率的转换频率。针对该下一个最高平均效率的转换频率可被使用，直到运行参数的违反不再出现。这个判断可在转换频率的下一次扫描中作出。
所述处理之后等待事件发生（操作422）。在事件发生之后，所述处理返回到操作400。在这些说明性实施例中，事件可采用不同的形式。例如，事件可以是周期性事件或非周期性事件。
周期性事件可以是一段选择的时间量。时间周期可以是例如2分钟、5分钟、7分钟或一些其他的时间周期。通过这一段时间，之前选择的转换频率可能期满或不再被使用。此时，新的转换频率可被识别。以这种方式，针对一组转换频率的平均效率可被更新以具有可以反映马达系统当前遇到的运行条件的当前剖面。
非周期性事件可以是例如温度的改变、电动马达上的负载的改变、操作者启动的事件、大于阈值的运行条件的改变或一些其他合适类型的事件。例如，非周期性事件可以是超过阈值或降到所述范围之外的运行条件的改变。
当然，其他的技术可被用以识别转换频率。取代进行测量的是，模型和仿真也可以被用以识别针对不同运行条件的最佳的转换频率。此外，即使在这个特定的示例中示出了从大约20kHz到大约80kHz的范围，但其他频率范围也可以被用以通过控制器中的开关控制到电动马达的电流的转换。特定的频率或频率范围可取决于特定的组件。例如，不同的频率可能更适合一些类型的马达及其应用，而不适合于其他类型的马达及其应用。此外，其他的因素也可影响使用的频率。例如，控制器中使用的开关或其他组件的类型也可被用作为选择特定频率或频率范围的因素。
在说明的不同实施例中的流程图和框图说明了在说明性实施例中的设备和方法的一些可行的实施方式的结构、功能和操作。在这方面，流程图或框图中的每个框可表示模块、区段、功能和/或操作或步骤的一部分。例如，一个或多个框可被实施为程序代码、硬件或程序代码和硬件的组合。当被实施在硬件中时，所述硬件可以例如采用被制造或配置以执行流程图或框图中的一个或多个操作的集成电路的形式。当被实施为程序代码和硬件的组合时，所述实施方式可以采用固件的形式。
在一些说明性实施例的可替换的实施方式中，在框中注明的一个或多个功能可不以图中注释的顺序发生。例如，在一些情况下，连续示出的两个框可大致同时执行，或所述框有时可以反转的顺序执行，这取决于所涉及的功能。同样，除了在流程图或框图中说明的框以外，还可以添加其他框。
现在参考图5，根据说明性实施例描述了处理运行参数的规则的表格的说明。在这个说明性示例中，表格500是具有用于管理运行参数的违反的规则的形式的策略。特别的，转换频率可以从经历运行参数的规则的违反的一组平均效率中的最高平均效率中识别。
在这个说明性示例中，表格500包括规则502、规则504、规则506和规则508。在这个说明性实施例中，表格500包括针对规则的运行参数列513、约束列514和动作列516。在这个说明性示例中，规则502、规则504、规则506和规则508可被应用到从大约20kHz到大约80kHz的转换频率的范围。
在规则502中，运行参数是最大定子温度。当最大定子温度已经被超过时，在这个示例中针对规则502的约束被违反。当最大定子温度已经被超过时，在这个说明性示例中，动作是设置转换频率到大约40kHz。
在表格500中，规则504是对于包含最大定子温度增加速率和最大定子温度的运行参数。当最大定子温度增加速率已经被超过并且最大定子温度是至少90%时，这些参数的约束被违反。当规则504被调用时，所述动作是设置转换频率为大约40kHz。
下一步，在规则506中，运行参数是最大控制器温度。当最大控制器温度已经被超过时，对于这个运行参数的约束被违反。当进行这个规则中的动作时，所述转换频率被设置为大约20kHz。
在说明性示例中，在规则508中，运行参数是最大控制器温度增加速率和最大控制器温度。当最大控制器温度增加速率已经被超过并且最大控制器温度是至少90%时，这些参数的约束被违反。在这个示例中，所述动作是设置转换频率为大约20kHz。
图5中的表格500中的规则的说明不意味着限制可以实施其他规则的方式。进一步，虽然特定的值被示出为转换频率的值的示例，但与本图中所示的那些值不同的其他的值也可以被用于转换频率。在不同的实施方式中，当一些运行参数的约束被违反时，为转换频率选择的值可被选择为提供期望运行条件的值。在其他的说明性示例中，规则可仅关于电动马达的运行条件而使用。在其他的说明性示例中，规则也可包括关于可能受由控制器或电动马达中的至少一个产生的热量影响的其他装置的规则。当然，规则可考虑任何条件、约束、参数或管理电动马达系统的运行可能感兴趣的其他因素。
下面参考接下来的图6，根据说明性实施例描述了可以用以重启转换频率的识别的事件的表格的说明。在这个说明性示例中，表格600识别可导致重新启动图4中的处理的事件的示例。
在这个说明性示例中，表格600包括条目602和条目604。当事件是自最后一次识别转换频率起每分钟转数增加或减少10%的约束时，条目602指示执行识别转换频率的频率的扫描。当事件是自转换频率的最后的识别起扭矩增加或减少至少10%时，条目604指示应该通过执行如上所述的频率扫描而再次识别所述频率。
当然，条目602和条目604中的事件的说明是可用于重启识别转换频率的过程的一些事件的示例。当然，其他类型的事件可基于特定的实施方式被使用。例如，如果在电动马达的选择的距离内的其他装置的温度是大于一定阈值的温度，则事件可被使用。作为另一个示例，所述事件可以是时间周期的期满，这引起通过上述扫描处理再次识别转换频率。
下面转到图7，根据说明性实施例说明了针对不同的马达负载的系统效率的图示的说明。在图700中，X轴702是单位为N-cm的马达负载。如所示，y轴704是用百分比表示的电动马达系统的系统效率。
在这个说明性示例中，系统效率可被定义为在控制器和电动马达中的至少一个中发生的加热。随着控制器和电动马达中的至少一个的温度的增加，系统效率下降。在这个特定的示例中，使用输出功率除以输入功率来计算马达系统的效率。在这个特定的示例中，所述效率直接受热量影响。随着更多加热的发生，更多的功率以热量的形式耗散而不是被用来执行任务。
在这个说明性实施例中，线706表示针对大约20kHz的转换频率的系统效率。线708表示针对大约40kHz的转换频率的系统效率。线710表示针对大约80kHz的转换频率的系统效率。在说明性示例中，使用2hp的环形马达生成由这些线表示的数据。
如所述，较低的转换频率导致比较高的转换频率更高的系统效率。在这个示例中，系统效率的这种差异可出现在大约200N-cm处。例如，线710中较快的转换频率可导致比较低的转换频率更低的系统效率，这取决于置于电动马达上的负载。因此，随着马达负载的改变，所述转换频率可降低到较低的转换频率，例如20kHz，从而提供比较高的转换频率例如80kHz更高的系统效率。
通过扫描不同的频率，可以进行比较低的转换频率更有效的转换频率的识别。例如在图7中的图700中，如可从线706看到的，在较高负载处，例如在超过300N-cm的负载处，大约20kHz是最有效的转换频率。如可从线710看到的，中间的范围，例如从大约200N-cm到大约300N-cm，80kHz可能是转换频率的较好的选择。
通过随着负载改变而改变转换频率，马达系统的效率可被维持在较高水平，这与使用静态转换频率不同。以这种方式，根据说明性实施例实施的电动马达系统的效率比当前使用的电动马达系统相比可以增大。
转到接下来的图8，根据说明性实施例描述了针对不同的扭矩量的电动马达的定子温度的图示的说明。在图800中，X轴802是单位为N-cm的扭矩。如所述，y轴704是以C为单位的定子温度。
在这个说明性实施例中，线806表示针对大约20kHz的转换频率的定子温度。线808表示针对大约40kHz的转换频率的定子温度。线810表示针对大约80kHz的转换频率的定子温度。在说明性示例中，使用2hp的环形马达生成由这些线表示的数据。
从这个示例中可以看出，较高的转换频率导致对于不同的扭矩水平的较低的定子温度。例如，对于大约500N-cm的扭矩，大约80kHz下的定子温度低于大约20kHz下或大约40kHz下的定子温度。
在这些说明性示例中，较低的热量产生可因为定子的铁柱中的涡电流耗散的减少而出现。转换频率的增加导致电动马达中涡电流的减少。因此，所述温度也可以在电动马达中降低。
对于较高的转换频率，控制器中的热量生成增加。热量生成的这种增加因为更多的热量从增加的转换损耗中生成而发生。因此，在由控制器和电动发动机产生的热量之间可以产生平衡。以这种方式，已产生和显示的热量的分布可以在不同的说明性示例中的控制器和电动马达之间分配。
本发明的说明性实施例可在图9所示的飞行器制造和维护方法900以及图10所示的飞行器1000的背景中加以说明。首先转向图9，根据说明性实施例按照框图的形式描述了飞行器制造和维护方法的说明。在预生产期间，飞行器制造和维护方法900可包括图10中的飞行器1000的规格和设计902以及材料采购904。
在生产过程中，进行图10中的飞行器1000的组件和子配件制造906以及系统整合908。此后，图10中的飞行器1000可经历检验和交付910，以便投入使用912。在由顾客使用912时，图10中的飞行器1000定期进行日常维修和维护914，其可以包括改进、重新配置、翻新、以及其他维修或维护。
飞行器制造和维护方法900中的每一个过程可由系统集成商、第三方和/或操作者来执行或完成。在这些示例中，操作者可以是消费者。为了说明本说明书的目的，系统集成商可以包含但不限于任意数量的飞行器制造商和主系统承包商；第三方可以包含但不限于任何数量的销售商、转包商、和供应商；并且操作者可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织等。
现在参考图10，按照框图的形式描述了飞行器的说明，示意性的实施例可以被实施在其中。在这个示例中，飞行器1000由图9中的飞行器制造和维护方法900生产并且可包括机身1002，该机身1002具有系统1004和内部1006。系统1004的示例包括推进系统1008、电气系统1010、液压系统1012和环境系统1014中的一个或更多个。还可以包括任何数量的其他系统。虽然显示的是航空示例，但不同的说明性实施例还可以应用于其他产业，例如汽车工业。
本文呈现的设备和方法可在图9中的飞行器制造和维护方法900中的至少一个阶段中使用。
在一个说明性示例中，在图9的组件和子配件制造906中制造的组件或子配件可以类似于当飞行器1000处在图9中的使用912中时所制造的组件或子配件的方式被制造或加工。还如另一个示例，一个或多个设备实施例、方法实施例或其组合可在生产阶段中被使用，例如图9中的组件和子配件制造906和系统集成908。当飞行器1000处在使用912中和/或在图9的维修和维护914期间时，一个或多个设备实施例、方法实施例或其组合可被使用。多个不同的说明性实施例的使用可充分加速飞行器1000的组装和/或减少飞行器1000的成本。
在一个说明性示例中，图9中的组件和子配件制造906中生产的组件或子配件可以按照与飞行器1000在图9的使用912中时生产的组件或子配件类似的方式被生产或制造。例如，电动马达系统可以被制造以在这些不同的阶段中的一个或多个期间用于飞行器。
作为又一个示例，一个或多个设备实施例、方法实施例、或其组合可在生产阶段中利用，比如图9中的组件和子配件制造906和系统整合908。作为另一个示例，在使用912中期间，一个或多个说明性实施例可以被应用以按照增加电动马达的效率的方式来控制电动马达的运行。当飞行器1000处于图9中的使用912中时和/或在维修和维护914期间，一个或多个设备实施例、方法实施例、或其组合可以被利用。多个不同的说明性实施例的使用可以显著加快飞行器1000的装配和/或减少飞行器1000的成本。
因此，说明性实施例提供了控制电动马达系统的方法和设备。在不同的说明性实施例中，电动马达的转换频率可以降低电动马达运行的运行温度的方式被控制。进一步，不同的说明性示例考虑到运行条件（例如电动马达周围的环境温度）的改变也可在转换频率的选择中被考虑。
以这个方式，电动马达的运行效率可针对各种运行条件而增加。例如，转换频率可被控制从而以减少各种运行条件中的过热的方式管理热量耗散。
在说明性示例中，控制器被配置为依据各种运行条件改变转换频率，所述运行条件例如负载、控制器温度、控制器温度改变速率、定子温度和其他运行条件。通过这种信息，转换频率可被选择以增加马达系统的效率。此外，控制器的加热也可被考虑以减少使用较高的转换频率的增加的控制器的过热。
进一步，通过改变电动马达104的转换频率114，电动马达系统102中的控制器108也可提供其他的特征。例如，改变转换频率114可减少可能由电动马达104产生的电子签名。这在减少电子签名对任务是重要的飞行器中是特别有用的。
在一个说明性示例中，飞行器可以是无人驾驶的飞行器（UAV）。减少马达和执行器的电子签名可使无人驾驶的飞行器难以检测和跟踪。
另一个应用可包括为了冷却而选择尽可能低的频率。然而，这些频率可能被临近电动马达的人听到。例如，在飞行器上，当这些转换频率较低时，执行器可能被听到。这种较低的转换频率可被选择以维持马达控制器的较低的温度。当其他的噪声可能掩盖由转换频率产生的声音时，在飞行阶段期间可以使用所述转换频率。当较少的噪声出现在飞行器中时，可以为其他的飞行阶段选择较高的转换频率。进一步，转换频率的选择也可取决于乘客或机组成员可能或不可能处于的位置。
仍然如另一个示例，说明性实施例可被实施以减少由船例如潜水艇产生的声音。转换频率114可被选择以减少总计的签名。所述签名可包括电磁签名和潜水艇听得见的签名。
此外，虽然说明性示例已经关于为了效率而根据一组期望的运行条件116选择转换频率114而加以说明，然而转换频率114也可针对任何其它的原因而被选择。例如，转换频率114可被选择以增加由电动马达104产生的功率或扭矩而不是增大最大效率。
转换频率114的这类选择在交通工具如具有电动马达的汽车中特别有效。当与效率相比更需要功率时，转换频率114可基于期望的运行条件被选择。因此，转换频率114可被选择并且基于改变期望的运行条件而被转换。例如，当效率被巡航需要时，功率可被加速度需要。
不同说明性实施例的描述已经被提出以用于说明和描述的目的，而不意图被穷举或被限制为所公开形式的实施例。许多修改和改变对本领域的普通技术人员将是显然的。
例如，虽然说明性示例已经关于飞行器中的电动马达的使用而被说明，然而不同的说明性示例可被实施在其他的平台中。例如，说明性示例可被应用到其他类型的平台。所述平台可以是，例如，移动平台、固定平台、陆基结构、水基结构和天基结构。更具体地，所述平台可以是水面舰艇、坦克、人员运载工具、火车、航天器、空间站、卫星、潜水艇、汽车、电动车辆、混合动力车辆、电动飞行器、混合动力飞行器、发电站、桥、水坝、房屋、制造设施、建筑物和其他合适的平台。
进一步，不同的说明性实施例可提供与其他说明性实施例相比不同的特征。被选择的一个或多个实施例被选定并且被描述从而最好地解释实施例的原理、实际应用，并且使本领域的其他普通技术人员能够理解具有适合于预期的特定用途的各种改进的各种实施例的公开。

Claims (10)

1.一种用于控制电动马达(104)的设备，包括：
控制器(108)，其被配置为从关于所述电动马达(104)的运行的信息中识别达到期望的运行条件的转换频率(114)并且用已识别的所述转换频率(114)控制被供应到所述电动马达(104)的电流的转换，其中所述信息包括一组运行条件，所述运行条件包括马达负载、控制器温度、控制器温度改变速率、定子温度以及定子温度改变速率。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器(108)包括：
频率识别器(120)，其被配置为接收关于所述电动马达(104)的运行的信息并且从接收到的所述信息中识别达到所述期望的运行条件的所述转换频率(114)；和
频率控制器(122)，其被配置为用已识别的所述转换频率(114)控制被供应到所述电动马达(104)的电流的转换。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其进一步包括：
传感器系统(132)，其被配置为生成所述信息。
4.根据权利要求1所述的设备，
其中所述电动马达(104)包括控制器(108)，该控制器(108)被配置为：接收关于由所述电动马达(104)的运行产生的热量的信息；从关于由所述电动马达(104)的运行产生的热量的信息中识别达到期望的运行温度的转换频率(114)；和用已识别的所述转换频率(114)控制被供应到所述电动马达(104)的电流的转换。
5.一种用于控制电动马达(104)的方法，该方法包含：
从关于所述电动马达(104)的运行的信息中识别(300)达到期望的运行条件的转换频率(114)；和
用已识别的所述转换频率(114)控制被供应到所述电动马达(104)的电流的转换(302)，其中所述信息包括一组运行条件，所述运行条件包括马达负载、控制器温度、控制器温度改变速率、定子温度以及定子温度改变速率。
6.根据权利要求5所述的方法，其中识别步骤(300)和控制步骤(302)在所述电动马达(104)的运行期间被动态执行。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中所述转换频率(114)响应于所述电动马达(104)的运行条件(128)的改变而改变。
8.根据权利要求5所述的方法，其中所述信息选自以下项目中的至少一个：马达负载(200)、一组开关(124)的温度改变速率(202)、电动马达(104)的温度、电动马达(104)中的定子温度(206)、电动马达(104)的最大温度、或该组开关(124)的期望温度(204)。
9.根据权利要求5、6和8中任一项所述的方法，其中识别步骤(300)包括：
基于如下描述的所述电动马达(104)的效率的识别而从接收到的所述信息中识别达到所述电动马达(104)的期望的运行条件的所述转换频率(114)：
Figure FDA0002182126790000021
其中，e是效率，τ是所述电动马达(104)的扭矩，ω是每分钟的转数，Vin是输入到所述电动马达(104)的电压，以及iin是输入到所述电动马达(104)的电流。
10.根据权利要求5、6和8中任一项所述的方法，其中识别步骤(300)包括：
识别一组转换频率的一组平均效率；和
从经历违反运行参数的规则的所述一组平均效率中的最高平均效率中识别所述转换频率(114)。
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