CN104107012A - 具有机载诊断系统的空气运输器具 - Google Patents

Abstract

一种空气运输器具，该空气运输器具包括联接到风扇的马达，用于控制马达的控制系统，该控制系统包括监测器件，存储器件，补偿器件和比较器件，该监测器件被配置为监测马达负载参数，该存储器件被配置为储存预定的参考马达负载参数值，该补偿器件基于预定参考马达负载参数值和一组周围环境输入状态确定经补偿的参考马达负载参数值，该比较器件被配置为比较马达负载参数和经补偿的参考马达负载参数值且基于比较结果触发操作事件。本发明还涉及一种控制空气运输器具的方法。

Description

具有机载诊断系统的空气运输器具

技术领域

本发明涉及一种空气运输器具，特别地，虽然不是排他的，涉及一种真空吸尘器。更具体地说，本发明涉及一种诊断空气运输器具的空气流通道内的故障状态的方法和装置。

背景技术

众所周知，真空吸尘器使用电马达驱动风扇单元以产生抽吸，该抽吸吸引带脏物的空气进入真空吸尘器的体部。脏空气穿过分离装置(为袋的形式或旋风分离器的形式中任一种)以便从空气流中分离尘埃颗粒。

无论分离装置为有袋或‘无袋’系统，当它满了的时候该真空吸尘器必须倒空。当它是满的状态时，真空吸尘器的继续操作可损害它的性能或可导致真空吸尘器的其他部分的堵塞，所以从速处理是期望的。在一些设备中，留给用户来确定是否袋或容器是满的，尽管一些设备包含适当的机构以当真空吸尘器需要被倒空时指示用户。相同的问题可出现在过滤器中，该过滤器变得堵塞。过负载的过滤器呈现对空气流的不期望的阻力且最终导致空气流功率的损失。因此，期望的是迅速地确定过滤器的故障状态以便促进过滤器的及时维护。

在已知的系统中，在WO01/28401中记录，真空吸尘器堵塞的指示是基于监测风扇马达的速度来确定的。在这里，控制单元监测风扇马达的速度和能耗参数且当参数超过用于预定值预定时间周期时触发警示器。除了触发警示器以外，作为对超速状态的进一步响应抽吸风扇还可被禁用。这样的系统的益处在于它能够仅仅通过利用现有硬件监测抽吸风扇马达的速度来确定真空吸尘器是否堵塞。由此不需要要求额外的电子或机械器件来监测设备的堵塞状态，所以它是成本有效的系统。然而，实际上这样的诊断方法缺乏贯穿真空吸尘器的操作状态的范围的鲁棒性，所以它的有用性是被限制的。

需要一种用于监测真空吸尘器（更普遍地用于空气运输器具）的故障状态的更实用的系统。

发明内容

针对这个背景，本发明提供了一种空气运输器具，该空气运输器具包括被联接到风扇的电马达，用于控制电马达的控制系统，该控制系统包括监测器件，存储器件，补偿器件和比较器件，该监测器件被配置为监测马达负载参数，该存储器件被配置为储存预定参考马达负载参数值，该补偿器件基于预定参考马达负载参数值和一组周围环境输入状态确定经补偿的参考马达负载参数值，该比较器件被配置为比较马达负载参数和经补偿的参考马达负载参数值，且基于比较结果触发操作事件。

在第二方面，本发明还存在于一种用于控制空气运输器具的方法，该空气运输器具具有联接到风扇的电马达，该方法包括监测马达的马达负载参数，存储预定参考马达负载参数值，基于预定参考马达速度值和一组周围环境输入状态计算经补偿的参考马达负载参数值，比较监测到的马达的马达负载参数值和经补偿的参考马达负载参数值，且基于比较的结果执行操作事件。

本发明提供的益处在于监测指示马达上的负载的参数的过程不受器具的周围环境状态的影响。所以，实际上，监测到的马达负载参数在效果上被针对周围空气密度对马达的影响校正，以便精确地且可靠地诊断器具的空气流系统内的故障状态。

优选地，该经补偿的参考马达负载参数值表示马达运行状态，该运行状态指示器具的空气流通道内的堵塞。

该周围环境状态优选为空气密度，为此，该器具可被提供具有压力传感器和温度传感器。这些可为专用传感器，被定位于器具上的适当点处，或它们可为被放置在器具内的一个或多个电路部件上的集成传感器。优选地，该压力传感器将被放置在器具的空气流通道内，测量风扇上游的压力，尽管这不是系统的可接受精确度所必须的。

补偿器件可在器具的操作期间以重复间隔计算经补偿的参考马达负载参数。然而，为了减少计算消耗，设想足够的是补偿器件可仅在器具启动时执行其计算。

作为进一步地提高系统的精确度的措施，预定参考马达负载参数值针对安装在器具内的马达校准，其将校正由于制造公差导致的不精确。

优选地，当监测到的马达的马达负载参数值超过经补偿的参考马达负载参数值时该比较器件触发操作事件，且该操作事件可包括关闭器具。

尽管本发明应用到空气运输器件的宽广的范围(比如干手机，电吹风和环境控制装置)，在一个实施例中，该器具是真空吸尘器，且优选为具有驱动器件的机器人真空吸尘器，该驱动器件用于在中央控制系统的作用下推动机器人真空吸尘器跨过地板表面。在这种情况下，试图清洁堵塞，该操作事件包括关闭风扇马达一预设时间周期，同时该驱动器件能够驱动真空吸尘器。

除了监测故障状态（其通过减少穿过马达的质量空气流量而减少马达的负载）以外，本发明可包括比较马达负载参数值和第二参考马达负载参数值(其表示没有把关联过滤器或分离系统安装在器具的空气流通道内的情况下器具被激活)。例如，如果真空吸尘器在它的分离系统没有在位置中或马达前过滤器没有在位置中的情况下被激活，这将增加穿过器具的空气质量流量，从而赋予马达增大的负载。该马达将由此在马达系统中抽取更多功率，该马达系统被控制以在大体恒定速度操作，或将在马达系统中以较低速度运行，该马达系统被控制以在大体恒定输出功率操作。

本发明还存在于一种计算机程序产品中，该计算机程序产品被储存在计算机可读介质中，且包含程序代码指令，当在适当的计算设备上执行时，该程序代码指令被配置为执行本发明的方法。

附图说明

为了本发明更容易被理解，现在将仅通过举例的方式参考附图描述实施例，在附图中：

图1是真空吸尘器的透视图，更具体地说自主的或‘机器人’真空吸尘器的透视图，其中本发明被实现；

图2是图1中的真空吸尘器的下侧视图；

图3是图1中的真空吸尘器的分解视图以便示出它的主要组件；

图4是图1中的真空吸尘器的控制系统的方框图；

图5是图4中所示的真空吸尘器的真空马达子系统的方框图；

图6是真空马达子系统的示意图；

图7是真空马达子系统的电流控制器的示意图；

图8示出了在电流控制周期内的真空马达子系统的波形；

图9是流程图，示出了真空吸尘器的堵塞状态监测功能；以及

图10是与堵塞状态监测功能有关的校准算法。

具体实施方式

参考图1、2、3和4，器具，为移动式机器人真空吸尘器2的形式（下文中称为‘机器人’)，包括主体，该主体具有四个主要组件：底座(或底板)4，本体6，大致圆形外罩8和分离装置10，该本体6被承载在底座4上，该大致圆形外罩8可安装在底座4上且为机器人2提供大致圆形轮廓，该分离装置10被承载在本体6的前部上且其突出穿过外罩8的互补形状的切口12。

为了用于本说明书，机器人的情景中的术语“前”和“后”将按操作期间它的前进和倒退方向的意思来使用，其中分离装置10被定位在机器人的前部。同样地，术语“左”和“右”将被关于机器人向前运动的方向使用。

该底座4支撑机器人的几个部件且优选由高强度的注射模制塑料材料制造，如ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)，虽然它也可由适当的金属制造，如铝或钢，或如碳纤维复合材料这样的复合材料制造（举几个例子）。如将说明的，底座4的主要功能是用作驱动平台和承载清洁装置，该清洁装置用于清洁机器人行驶过的表面。

特别参考图3，底座4的前部部分14是相对平坦的且为盘状形式，且限定弯曲的机头15，该弯曲的机头15形成机器人2的前部。前部部分14的每个侧面具有安装到它的相应的牵引单元。

一对牵引单元20定位于底座4的相对侧上，且可独立地操作使机器人能根据牵引单元20的旋转的速度和方向被沿前进和倒退方向驱动，以随着弯曲的路径朝向左或右行进，或当场沿任一方向转动。这样的配置往往被称为差速驱动。

底座4的相对狭窄的前部部分14向后部部分22变宽，该后部部分22包括表面处理组件24或‘清洁头’，其具有大致圆柱形形式且相对于底座的纵向轴线‘L’横向地跨底座4的大致整个宽度延伸。还参考图2，其示出了机器人2的底面，清洁头24限定矩形抽吸开口26，该开口26面向支撑表面且当机器人2运行时污垢和碎屑被抽吸进入该开口26。细长的刷棒26被容纳在清洁头24内且以传统的方式通过减速齿轮和传动带配置32由电马达30驱动，虽然其他驱动配置如完全齿轮传动或直接驱动也被设想。此外，尽管基于轮子的驱动配置被示出，其他驱动系统也可接受，比如基于腿部的系统。

底座4的底面包括细长的底板区段25在抽吸开口26前方延伸，该底板区段25包括多个通道33(为了简洁起见仅仅两个通道被标识出)，该通道提供了将脏空气抽向抽吸开口26的路径。底座4的底面还带有多个(在所示实施例中为四个)从动轮或滚子31，当它停靠在地面表面上或运动越过地面表面时，该从动轮或滚子31进一步提供了用于底座4的支撑点。

清洁头24具有第一和第二端部表面27、29，该第一和第二端部表面27、29延伸到底座4的边缘且其与机器人的罩8对齐。在如图2中的水平或平面轮廓考虑，可以发现清洁头24的端部表面27、29是平坦的且在沿机器人2的横向轴线‘X’直径相对的点处相对于罩8以切线（标记为‘T’）延伸。这样的益处在于当机器人以‘随壁’模式横向运动时，清洁头24能够非常地接近房间的壁运行，因此能够一直清洁到壁。

在清洁操作期间被抽吸进入抽吸开口26的污垢通过管道34离开清洁头24，该管道34从清洁头24向上延伸且通过约90°的弧度朝向底座4的前方弯曲直到它面朝前进方向。管道34以矩形嘴部36结束，该嘴部36具有柔性波纹管结构38，该波纹管结构38成形以接合设置在本体6上的互补形状的导管42。导管42被设置在本体6的前部部分46上且通向面向前方的大致半圆柱形的凹处50，该凹处50具有大致圆形的基座平台48。该凹处50和平台48提供了对接部，分离装置10在使用中被安装入该对接部，且分离装置10可从对接部脱离接合用于排空的目的。

应当指出的是在这个实施例中，分离装置10包括旋风分离器，例如WO2008/009886中公开的类型，其内容通过引用并入。这样的分离装置的配置是已知的，且在这里将不再进一步描述，只要说明分离装置10可通过适当的机构(如快速释放固定装置)可移除地连接到本体6以当它已满时允许装置10倒空。分离装置10的性质不是本发明的重点且旋风分离装置可被在本领域中所知的其他装置(例如过滤膜，多孔箱式过滤器或一些其他形式的分离装置)代替以从空气流分离污垢。

当分离装置10接合对接部50时，分离装置10的脏空气进口52被导管42接收且导管42的另一端部可连接到刷棒管道34的嘴部36，从而导管42传输来自清洁头24的脏空气到分离装置10。

脏空气通过空气流产生器(在这个实施例中是电动马达和风扇单元(未显示))被抽吸穿过分离装置10，该空气流产生器位于本体6的左手侧的马达外壳60中。该马达外壳60包括弯曲的进口嘴部62，该嘴部62在对接部50的圆柱形壁处敞开从而匹配分离装置10的圆柱形曲率。虽然没有显示在图4中，分离装置10包括清洁空气出口，当分离装置10接合对接部50时该清洁空气出口对准进口嘴部62。在使用中，抽吸马达可操作以在马达进口嘴部62的区域建立低压，从而沿空气流路径抽吸脏空气，从清洁头24的抽吸开口26，穿过管道34和导管42，然后从脏空气进口52到清洁空气出口穿过分离装置10。然后清洁空气穿过马达外壳60且穿过经过虑清洁空气出口61从机器人2的后部排出。尽管没有在附图中示出，马达前过滤器可被容纳在马达入口嘴部62中以在空气流进入抽吸产生器之前提供对由分离装置处理的空气的一定程度的预过滤

在图4中罩8显示为独立于本体6，且由于底座4和本体6承载机器人2的大多数功能部件，罩8提供了外皮，该外皮主要用作保护壳体和用于承载用户控制界面70。

该罩8包括大致圆柱形侧壁71和平坦的上表面72，该上表面72提供了与本体6的平面轮廓一致的大致圆形轮廓，除了部分圆形切口12成形为与对接部50和圆柱形分离装置10的形状互补。

如图1和图3中特别清晰地显示，罩8的部分圆形切口12和体部6中的半圆柱形凹处50为对接部提供限定两个突出叶或臂73的马蹄形凹室，该两个突出叶或臂73侧翼包围分离装置10的每一侧，且使得分离装置10的约5%和40%之间(优选20%)从对接部50的前部突出。因此，即使当罩8在机器人2的主体上就位时，分离装置10的一部分保持暴露，这样使用户能容易地接近分离装置10用于排空目的。

在侧壁71的上部边缘上，罩8包括半圆形手提手柄76，该手柄76绕两个直径上相对的凸起78在第一、贮藏或缩回位置(在贮藏或缩回位置中手柄76安装入在罩8的上部外周边缘上的互补形状的凹处80中)和展开或延伸位置(在展开或延伸位置中手柄76向上延伸)之间枢转。

在操作中，机器人2能够关于其环境自主地推动它自身。为了实现该目的，机器人2承载适当的控制系统82，其在图4中示意性地示出。

该控制系统包括控制器84，该控制器84具有适当的控制电路和处理功能，以处理接收自它的各种传感器的信号且以适当的方式驱动机器人4。

该控制器90被连接到机器人4的传感器组84，机器人4通过该装置收集关于它的环境的信息，以便映射出它的环境和执行的清洁路线。应该注意的是，传感器组84还被描述在图3中，其被定位于主体部的两个前部叶73上以便提供对前方以及侧向路线的清晰视界。撞击检测系统86也被提供。应该注意的是导航传感器，接近传感器和撞击检测传感器是移动式机器人，特别是家用机器人上的通用组件。因此，出于完备性机器人4上的这样的传感器的存在在此处被提供但他们不形成本发明的一部分。

该控制器90还被配置以供应驱动信号到与牵引单元20关联的牵引马达88，且还从那里接收量距数据。为了这个目的，适当的旋转传感器件90(比如旋转编码器)被提供在牵引马达88上。因此该控制系统可操作控制牵引单元20以便于在需要清洁的房间周围为机器人2导航。应当指出的是，运行和导航机器人真空吸尘器的详细方法不是本发明的重点，而且一些这样的控制方法在技术领域中是已知的。例如，一种详细的操作方法在WO00/38025中更加详细地描述，其中导航系统中使用了光检测装置。这允许清洁器通过识别何时由光检测装置检测到的光水平和由光检测装置先前检测到的光水平相同或大致相同，来允许清洁器在房子中定位自身。

此外，该控制器84被连接到抽吸马达子系统92和刷棒马达94以便适当地驱动和控制这些部件。

该控制器还被提供来自空气密度评估器件(其为环境空气气压传感器87和周围空气温度传感器87的形式)的数据输入，这些传感器的目的将在后面描述。该压力传感器87和温度传感器87可与真空吸尘器上的控制电子设备集成，但优选地，该传感器将被定位以便给出真空吸尘器的环境空气状态的尽可能精确的测量。

用户接口70被提供以便用于用户例如指挥机器人4启动/停止清洁过程。该用户接口96还被示出在图1中。该用户接口96可采取各种形式，比如一个或多个机械按钮或甚至为具有接触式屏幕技术的图形用户接口。

最终，适当的功率输入被从电池组100提供到控制器84。

这样的电池组通常是本领域已知的，且可由多个各种电池化学成份的电池单元组成。由于它的大功率密度，低电荷损耗和没有记忆效应，锂离子成员中的电池化学成份是目前优选地，尽管其他电池化学成份(比如镍氢和镍镉)也可接受。优选地，该电池组包括六个单元，该六个单元被布置为供应约24.6V的直流电压。

已描述真空吸尘器的电气控制系统的普通配置，关注现在将转向真空马达子系统，其被供应来自主控制器84的电源。现在参考图5至8，真空马达子系统92包括电马达112和马达控制系统114。适当的马达系统被描述在GB2469138A且现在将在下面描述。

马达112包括二极永磁转子116，其相对于定子118旋转，单向绕组119缠绕该定子。该定子118是c形状的，其使得能对绕组119实现高填充因数，从而减少铜损且提高马达112的效能。

控制系统114包括过滤器模块120、逆变器（inverter）121、门驱动器模块122、位置传感器123、电流传感器124、电流控制器125、和驱动控制器126。

过滤器模块120经由控制器84链接电池组100的电源102至逆变器121，且包括并联布置的一对电容器C1、C2。过滤器模块120用于减少链接至逆变器121的电压中的波纹。

逆变器121包括四个功率开关Q1-Q4的全桥（full-bridge），其链接电源102至马达112的绕组119。每个功率开关Q1-Q4是MOSFET，其提供电源102的电压范围上的高速切换和良好的效率。但是其它类型的功率开关可能被使用，例如IGBT或者BJT，特别如果电源102的电压超过MOSFET的额定电压时。每一开关Q1-Q4包括反激式二极管（flyback diode），其在切换期间保护开关不受来自于马达112的反电动势的电压尖峰损害。

绕组119的整流通过交替地激活第一对开关Q1，Q4和第二对开关Q2，Q3而实现。

除了励磁绕组119，逆变器121可被控制以使得绕组119续流（freewheel）。续流发生在绕组119被从电源102提供的励磁电压断开时。这可通过断开逆变器121的所有开关Q1-Q4而发生。然而，如果在续流期间高压侧开关Q1，Q3或低压侧开关Q2，Q4被关闭，由于绕组119中的电流能够穿过开关而不是较没有效率的反激式二极管再循环，马达系统110的效率被提高。用于本说明的目的，续流通过闭合低压侧开关Q2、Q4二者实现。但是，应理解续流可以同样地通过闭合高压侧开关Q1、Q3或者断开所有开关Q1-Q4实现。

门驱动器模块122响应从驱动控制器126接收的控制信号S1-S4驱动逆变器121的开关Q1-Q4的断开和闭合。门驱动器模块122包括四个门驱动器122a-d，每个门驱动器响应来自于驱动控制器126的控制信号S1-S4驱动各自的开关Q1-Q4。负责高压侧开关Q1、Q3的门驱动器122a、c还附加地响应从电流控制器125接收的过流信号而被驱动。响应该过流信号，门驱动器122a、c断开高压侧开关Q1、Q3。过流信号优先于驱动控制器126的控制信号Sl、S3，从而高压侧开关Q1、Q3响应该过流信号被断开而不管控制信号Sl、S3的状态。该水平的控制可通过在高压侧门驱动器20、22处设置NOR门被实现。

位置传感器123是霍尔效应传感器，其输出代表永磁转子116的角位置的信号。该信号是数字方波，其每个边缘表示转子116的极性改变的角度位置。由位置传感器123输出的信号被传送至驱动控制器126，其响应地产生控制逆变器121和由此控制传送至马达112的电力的控制信号S1-S4。

当旋转时，永磁转子116在绕组119中感生反电动势，其极性随着转子116的极性改变。结果，位置传感器信号不仅提供转子116的电位置的测量，而且提供绕组119中的反电动势的测量。理想地，位置传感器123被相对于转子116对准使得位置传感器信号的边缘与反电动势的过零是同步的，或者具有预定相差。

电流传感器124包括位于逆变器121的负汇流条（negative rail）上的单个检测电阻R1。当连接至电源102时跨电流传感器124的电压由此提供绕组119中的电流的测量值。跨电流传感器124的电压被输出至电流控制器125。

现在参考图7，电流控制器125包括输入端、输出端、阈值发生器127、比较器128和SR锁存器129。

电流控制器125的输入端被联接至电流传感器124的输出端，且电流控制器125的输出端被联接至每个高压侧门驱动器122a、c的输入端。

阈值发生器127包括参考电压输入端、PWM模块130、非易失性储存装置131、和过滤器132。PWM模块130使用固定频率和根据存储在存储装置131中的比例因数设置的可变占空比。PWM模块130在参考输入端处的电压上操作以提供脉冲电压信号，该信号然后被过滤器132平滑以提供成比例的阈值电压到比较器128。

该比较器128比较电流控制器15(出现在比较器128的反相输入端中)的输入端处的电压与由阈值发生器127输出的阈值电压。如果反相输入端处的电压超过阈值电压，比较器128输出信号，该信号设置SR锁存器129。响应于此，SR锁存器129在电流控制器125的输出端处产生过流信号。

当过流信号被电流控制器15输出时（即，当过流信号逻辑地高时），高压侧门驱动器122a、c断开高压侧开关Q1、Q3。因此，当绕组119中的电流超过阈值时，电流控制器125将绕组119从电源102提供的励磁电压断开。

电流控制器125还输出过流中断给驱动控制器126。在图5中所示的实施例中，比较器128的输出被传送至驱动控制器126作为过流中断。但是，由锁存器129输出的过流信号可同样被传送至驱动控制器126作为过流中断。响应过流中断，驱动控制器16执行过流程序。驱动控制器126产生控制信号S2或S4，其导致其余低压侧开关Q2或Q4闭合从而绕组119续流。续流持续预定时间，例如100μs，在该期间绕组119中的电流衰减。在预定时间已经过去后，驱动控制器16切换控制信号S2或S4以断开当前闭合的低压侧开关Q2或Q4且输出锁存器复位信号至电流控制器125。锁存器复位信号导致电流控制器125的锁存器129复位，由此驱使过流信号为低。逆变器121由此被返回至过流事件发生之前存在的状态。

图8示出了在典型半周期上的绕组电流，位置传感器信号，开关Q1-Q4，控制信号S1-S4，过流信号，以及锁存器复位信号的波形。如可观察到的，开关Q1-Q4的状态在每个过流事件之前和之后是相同的。

在电半周期内，绕组119中的电流可被电流控制器125斩波多次，如图8中所示。随着马达112的速度增加，绕组119中感生的反电动势增加。因此，过流事件的数量随马达速度而降低。最终，马达112的速度和由此反电动势的幅度使得绕组119中的电流在每个半周期内不再达到阈值。该电流控制器125由此确保绕组119内的电流不超过阈值，因此阻止在绕组119产生过量电流，其否则可能损害逆变器121的开关Q1-Q4或使转子116退磁。

现在转到驱动控制器126，且特别参考图6，该驱动控制器126包括处理器133，非易失性存储装置134，三个信号输入端和六个信号输出端。

该非易失性存储装置134存储用于通过处理器133执行的软件指令，其执行该指令以便控制马达系统92的操作。特别地，处理器133产生控制信号S1-S4，该信号控制逆变器121的开关Q1-Q4且由此驱动马达112。驱动控制器126的具体操作将在下面进一步详述。储存装置134还被配置为储存多个功率表、多个速度校正表，和多个位置传感器偏移量。然而，这些不是本发明思路的中心且所以将不在这里进一步地描述。

如上所述，处理器具有电压水平信号，该电压水平信号来自于电源线，且由分压器R2、R3比例缩放且被电容器C3过滤以去除切换噪音。该六个信号输出端是四个控制信号S1-S4，锁存器复位信号和马达速度信号135。四个控制信号S1-S4被输出至门驱动器模块122，其响应地控制逆变器121的开关Q1-Q4的断开和闭合。更具体地说，每个控制信号S1-S4输出到相应的门驱动器122a-d。该锁存器复位信号输出到电流控制器125。由于驱动控制器126接收指示马达的位置的信号，该控制器126能够确定马达的速度。该驱动控制器126由此被配置为输出马达速度信号125到主控制器84，其重要性将稍后变得清晰。

驱动控制器126响应在输入端处接收的信号产生控制信号S1-S4。在本发明的这个实施例中，控制信号S1-S4的定时被控制，从而马达112在一速度范围内被以恒定输出功率驱动。而且，恒定输出功率被保持而不管电源输入102的电压中的变化。因此，当在电池放电期间电池输出电压减少时马达112被以恒定输出功率驱动以致空气流量的大体恒定的速率通过真空马达子系统实现。在真空马达子系统的替代操作模式中，该马达可被控制以便它以大体恒定的速度运行，其可在一些情况下是期望的。在这样的操作模式中，驱动控制器126将产生控制信号以便当马达上的机械负载改变时改变被供应到马达的电力以便保持马达速度在大体恒定的值。

电流控制器125和驱动控制器126可形成单部件微控制器的一部分。适当的候选是由Microchip Technology Inc提供的PIC16F690微处理器。

通过响应励磁电压和速度二者中的变化来控制绕组的通电时间和续流时间段，马达控制系统114能在一范围的励磁电压和马达速度上以恒定的输出功率驱动马达112。在本文中，恒定的输出功率应被理解为表示马达8的输出功率中的变化不大于±5%。

该马达控制系统114不仅仅以恒定输出功率驱动马达112，且还以相对高效率(也就是输出功率和输入功率的比值)驱动马达112，且特别地至少75%的效率可在一范围的励磁电压和马达速度上实现。恒定的输出功率和/或高效率被实现的励磁电压的范围是相对宽的，且对于典型的六单元电池组，该励磁电压范围是16.8-23.0V。这代表相对大的范围，在该范围上恒定的输出功率和/或高效率被实现。因此，马达控制系统114被理想地用于驱动电池供电产品的马达，其中励磁电压随电池放电而改变。

通过被描述在这里的马达控制系统114，单向永磁马达112可被以相对较高速度驱动，且特别是以超过60krpm的速度。而且，高速度被以相对高的效率实现。甚至，对于小于200W的输入功率，可达到超过100krpm的速度。因此，高速度可以相对高的效率获得，而不需要附加相绕组，附加相绕组将增加马达的成本和尺寸。

在真空吸尘器的背景下，由于马达子系统92在操作速度范围上保持恒定输出功率，真空吸尘器(无论它是移动式真空吸尘器，手持式真空吸尘器或其他)能够在一负载范围上且响应于电源2的电压的改变而保持穿过机器的恒定空气质量流量。所以，当电源是电池组时该马达系统是特别有用的，因为真空吸尘器能随着电池组放电保持恒定吸力。然而，尽管特别适合于电池供电设备，在交流电源的情况下该马达系统也具有效用，该马达系统具有整流器和过滤器以提供直流电压。

已描述真空马达子系统的操作，将理解为马达112可操作以在各种电压下输出大体恒定的功率。由此，当马达上的负载由于穿过真空吸尘器的空气流的改变而改变时，马达的速度也将改变。在所述操作的替代模式中，其中马达被控制以便以大体恒定的速度运行，马达上的负载的改变将导致马达的电源汲取(且更确切地马达电流)相应地改变。

作为进一步说明，如果抽吸出口26变得堵塞，例如被一片松散的地面覆盖物闭塞，通过马达112抽吸的空气流将严重地中断，由于将有减少质量的空气流穿过马达112，这将减小马达122的负载。由于马达112被控制使得它的输出功率是大体恒定的，马达112的负载的减小将导致它的速度在相对短的时间周期内增加。

在另一堵塞情景中，如果马达112上游的马达前过滤器没有定期清洁，该马达前过滤器将被微粒堵塞。过负载的过滤器将减少穿过马达112的空气流且所以将同样减少马达上的负载。作为结果，该马达112的速度将逐渐地升高以符合过滤器负载的范围。在还有一堵塞情景下，如果分离装置变得堵塞，例如如果用户疏忽而未能定期地倒空分离装置，这也将减少穿过马达的空气流。再次地，由此马达上的负载被减少，其具有增加马达速度的效果。在这些情景的任何一个中，下文称为‘故障状态’，期望的是真空吸尘器能够检测故障状态且采取适当的行动，无论是警高用户该状况或简单地关闭真空马达子系统。为了这个目的，本发明包括精确且鲁棒地诊断穿过真空吸尘器的空气流堵塞条件的设施，其现在将更详细地描述。

简单地回到图4，控制器84被提供具有诊断模块140，该诊断模块140可操作以监测马达的速度或替代地，马达电流/负载，以及该真空吸尘器周围情况，以便识别且应对故障状态。

这里示出的诊断模块140是主控器84的集成模块部分，其功能由控制器84的机载软件提供。然而，本领域阅读者将理解该诊断模块140可替代地实现为独立于主控制器84的专用处理模块中。

诊断模块140的主要功能是识别马达何时在相对低的负载下运行（其由过高的速度指示），以便确定真空吸尘器的故障状态，特别当存在不能接受的空气流的堵塞或阻力。为了这个目的，诊断模块140可操作地运行马达速度监测程序141，同时真空吸尘器在操作中。重要地，该马达速度监测程序141响应真空吸尘器的环境空气密度状态的改变，以便确保它可以精确地和可靠地察觉故障状态。

该诊断模块140还可操作以运行第二程序，该第二程序在说明书中将被称为阀值速度计算程序142。该阀值速度计算程序142补偿环境空气状态而计算和存储适当的阈值速度值，其可被马达速度监测程序141使用以确定是否存在故障状态。第一和第二程序的每个现在将参考图9详细地说明。

首先参考阀值速度计算程序142，其示出在图9中，被虚线包围，该程序142优选被规划为在每次真空吸尘器被供电时运行。该程序还可被配置为在真空吸尘器运行时周期性地运行，例如每5秒钟，以便以重复间隔计算新的阀值速度值。然而，设想为每次真空吸尘器被启动时运行是适合的以便计算考虑到环境变化状态而被充分精确补偿的阀值速度值。

随着在开始步骤144处启动，该程序142首先在步骤146处从温度传感器89读取环境温度，且随后在步骤148处从压力传感器87读取环境压力。在步骤150处，程序142继续以计算密度比(DR)。

该密度比DR被计算以提供真空吸尘器的当下环境状态中的空气密度与参考或‘标准’空气密度相比的比率。在这个实施例中，参考空气密度将被认为由由国际电工委员会(IEC)标准60312-1规定-用于家用使用的真空吸尘器规定的标准压力和温度状态而确定：

温度：20℃

压力：101.3kPa

R：287.058(特定气体常数)

然而，应该理解如果需要其他参考环境参数状态可被使用。

该密度比DR使用以下方程式(1)计算，该方程从理想气体定律P=ρRT导出，其中P是以帕斯卡为单位的压力，T是以K为单位的温度，ρ是空气密度且R是特定气体常数，对于干燥空气(278.058)，单位Jkg-1K-1。

1)   $\mathrm{DR}=\frac{P_{\mathrm{CURREBT}}{T}_{\mathrm{STANDARD}}}{P_{\mathrm{STANDARD}}{T}_{\mathrm{CURRENT}}}$

在方程(1)中，后缀‘standard’是指参考参数且后缀‘current’是指步骤146、148中即时测量的参数。

随着密度比DR的计算，在步骤152中，该程序从数据存储器154阅读参考速度值，该数据存储器154可为任何适当的非易失性记忆体。该参考速度值代表马达的速度，该马达的速度指示真空吸尘器在‘标准’环境状态下的预定堵塞状态。例如，该真空马达子系统92在正常情况下可以以70krpm运行，但当堵塞时，该真空马达速度可上升到78krpm。

该参考速度值可为理论或经验确定，例如在真空吸尘器的联机测试期间，如将在后面描述的。该参考速度值将在下文中被称为N_max_ref。

已在步骤152中获得N_max_ref的值，该程序142于是在步骤158中计算在目前环境状态下的最大马达速度阀值且将其存储在数据存储器156中。在目前环境状态中的最大马达速度值将在下文中被称为N_max。

更详细地参考计算步骤158，该N_max的计算方法包含来自风扇相似定律的推导。该风扇相似定律是描绘风扇，涡轮机和相似设备中的速度，流量，功率和电源的互连关系的一组规则且本领域技术人员将理解。该第三相似定律涉及风扇的叶轮功率‘W’，到它的旋转速度‘N’，叶轮直径‘D’和空气密度‘ρ’，且可表达为下列方程式(2)：

2)   $\frac{W_1}{W_2}={\left(\frac{D_1}{D_2}\right)}^5{\left(\frac{N_1}{N_2}\right)}^3\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_2}\right)$

从上文对真空马达系统的描述应该理解马达的输出功率被控制以便大体恒定，且叶轮的直径也是恒定的。基于这些点，方程式(2)可被重组以在下面的方程式(3)中提供值N_max：

3)   $N\_\max =N\_\max \_\mathrm{ref}{\left(\mathrm{DR}\right)}^{-\frac{1}{3}}$

该阈值速度计算程序142由此计算阀值速度(N_max)，该阀值速度表示堵塞状态且其补偿了真空吸尘器操作所处的主导环境状态。实际上，由此，计算步骤将最大参考速度值N_max_ref，该最大速度值设置在‘标准’环境状态，转换为以给定主导环境状态的实际最大速度值。由于环境空气密度随着地理位置改变，且还在任何给出的地理位置逐日地改变，，这样的补偿过程对基于真空吸尘器的速度来精确和可靠的诊断真空吸尘器的故障状态是非常重要的。

在‘补偿’空气密度阀值速度值N_max的计算之后，这个值于是由马达速度监测程序141使用，如现在将描述的。在真空吸尘器操作时，该马达速度监测程序141反复地运行以便迅速确定真空吸尘器的堵塞状态。可设想马达速度监测程序141将以约10Hz频率运行，尽管这不是本发明思路所必须的。一般而言，需要在足够快的频率执行该程序以迅速地获得堵塞状态和不会过快而导致控制电子器件的大处理负载之间求得平衡。

当真空吸尘器被通电时随着马达速度监测计算程序141的启动160，在步骤162处程序141从由真空马达子系统92输出的马达速度信号135接收当前马达速度数据(下文中Ni)。在步骤164中，先前由阈值速度计算程序142计算的N_max的值被从数据存储器156读取。

在步骤166中，Ni和N_max的值被比较，且在决策步骤168中确定当前马达速度Ni的值是否大于N_max。如果Ni小于N_max，该过程循环回到步骤162至168以便连续地监测真空马达速度。在某些情况下，其中确定马达速度Ni超过N_max，过程流进入步骤170，其中在终止于步骤172之前事件响应马达超速状态而被触发。

在上述实施例中，最大允许马达速度阀值N_max被设置以便指示在机器人真空吸尘器的抽吸开口26中的堵塞。例如，该机器人真空吸尘器可具有行进越过一片松散的地板或片盒，其‘夹在’抽吸开口26之上导致真空马达112上游压力的大幅度减少。响应堵塞状态，事件触发步骤170可配置为简单地关闭真空马达。

然而，在替代实施例中，事件触发启动控制器84中的恢复程序。

在恢复程序中，依照本发明的实施例，控制器84指令真空马达子系统断电，但牵引驱动单元被允许继续操作从而沿向前方向驱动真空吸尘器。在上述堵塞状态下，在关闭真空马达子系统92之后真空吸尘器的继续驱动运动可帮助清洁堵塞真空吸尘器的抽吸出口的任何材料。在预定周期（一段时间或预定距离）后，该控制器84指令真空马达子系统重新启动，且在此点处，该马达速度监测程序141再次在步骤166中开始。如果堵塞状态仍然存在，那么恢复程序可再次通过临时地关闭马达子系统清洁堵塞。在预定数量的尝试清洁堵塞之后，恢复程序可简单地触发机器的完全关闭且经由用户接口提供适当的信号给用户。

在上述恢复程序中，代替完全地关闭真空马达，控制器84可反而指令真空马达子系统减速运行真空马达。

作为对上述马达速度监测程序141的增强，多个最大马达速度阀值可被监测且不同的恢复程序可根据哪个最大马达速度阀值被超过而被触发。

附加地，本发明可被用于检测何时过滤器或分离系统不被安装在系统中，例如，在当用户在移除过滤器以清洗之后不重新放置马达前过滤器在真空吸尘器中或如果用户错误地安装分离系统的情况。在这样情况下，另一预定马达速度阀值可被限定，其表示‘最小’马达速度阀值，如果超过该最小马达速度阀值将指示穿过系统的太高的空气流量，所以可采取动作来向用户发送存在问题的信号。

作为对先前描述的马达速度监测程序141的进一步增强，设想程序141可被配置为监测马达速度的改变率，且将这个改变值与一个或多个预定度量比较以便确定实施多个恢复程序中的一个。例如如果马达速度超过最大马达速度阀值且它的改变率‘高’，例如上述的抽吸出口堵塞中的经受的情况，

该事件触发170可如上所述指示仅临时关闭真空马达子系统，以尝试清洁堵塞。

替代地，如果马达速度超过最大阀值且它的改变率‘低’，从而指示过滤器在相对长的时间范围中已达到最大负载，于是时间触发可被配置为简单地关闭真空吸尘器且提供适当的指示给用户，以检查脏物收集腔的状态。总之，由此，多个改变率阀值可被建立以识别相应的多个不同的堵塞状态。

再次参考图9，已描述了参考马达速度值存储在数据存储154中且在步骤152中由阀值速度监测程序142获取。如已经说明的，该参考速度值N_max_ref代表马达的速度，该马达的速度指示在受控或‘标准’环境状态下的堵塞状态。尽管这个值可在理论上断定，当前设想如果在制造期间在测试程序被应用到真空吸尘器期间它被计算，更精确的度量将被确定。这样的测试程序的实例现在将参考图10说明。

图10示出了程序180，该程序180被配置为在真空吸尘器上运行或在一个专用电子测试设备上运行以便确定参考速度，当在一组标准环境状态下操作时该参考速度指示真空吸尘器的堵塞状态。该组标准操作环境状态与上文在阀值速度监测程序142中提及的那些是相同的，也就是空气温度T，空气压力P和特定气体常数R，如IEC标准60312-1-家用真空吸尘器中规定的。

在运行参考速度监测程序180之前，该真空吸尘器适当准备以便模仿堵塞状态。例如，这个可包含配置或矫正真空吸尘器的抽吸开口26具有预定的孔尺寸，该孔尺寸相当于随着大体堵塞抽吸出口或替代地超载过滤器或堵塞的分离装置而发生的限制。

一旦真空吸尘器以这种方式被准备或‘校准’，该程序180在步骤182处开始且真空吸尘器在步骤184处达到稳定状态。该真空马达将由此以指示堵塞状态的速度运行，下文中被称为‘N_max_Calibrated’。该进程于是转到步骤184和186，在这期间程序180分别从压力传感器87和温度传感器89获取环境压力和温度的读数。

一旦程序180已经读取环境压力和温度的值，该进程转到步骤190，在步骤190处，密度比DR使用如上述的方程式(1)计算。

在密度比值DR确定之后，程序180在步骤192中从马达速度传感器135读取马达速度N_max_calibrated，然后在步骤194中计算参考马达速度值N_max_ref且存储这个值在数据存储器154中以便它可用于随后的计算，例如由上述的阈值速度监测程序142使用。

N_max_ref的计算方法相似于关于方程式(3)所述的N_max的计算。在参考速度监测程序180中，该环境状态是已知的，指示堵塞状态的马达速度是已知的(N_max_calibrated)且希望计算马达速度的参考值，其指示堵塞状态且用于标准环境状态下。方程式(2)可由此再次被使用，且可被重组以提供方程式(4)，给出如下：

4)   $N\_\max \_\mathrm{ref}=N\_\mathrm{calibrated}{\left(\mathrm{DR}\right)}^{\frac{1}{3}}$

因此，由于真空吸尘器上的堵塞状态的校准，该马达以‘校准’最大速度(指示堵塞状态)运行，且方程式(4)使校准最大速度能够参考标准环境状态，从而提供N_max_ref的值。有益地，由于在马达部件的公差积累，实施这个计算还移除了马达-马达速度变化的任何不利影响。

本发明的上述实施例已在机器人真空吸尘器的背景下解释，因为当自主运行而没有用户在附近来救助的情况下，这样的机器经受抽吸出口由松散的地板覆盖物等迅速地且大体完全地堵塞的潜在问题。然而，其他堵塞状态(比如过载的过滤器和充满灰尘的集尘器)也影响这样的机器且这样的情景同样发生到非机器人真空吸尘器，例如立式，桶式/筒式和棒式类型真空吸尘器。附加地，应该理解本发明不受真空吸尘器的领域限制，一般而言还将适用于任何易受堵塞的空气运输器具。例如电吹风，干手机，某些类型的冷却风扇以及加热器，空气加湿器和空气灭菌器。这样的设备可使用马达和风扇单元操作以抽吸空气穿过出口且迫使增压空气穿过喷嘴。它们具有入口，该入口可变得堵塞且一些包括空气过滤器，有时HEPA标准空气过滤器，当它们的维护被忽视时其易受超负载的伤害。本发明适用于诊断在这样的设备中的堵塞的过滤器。

上文已描述本发明的特殊实施例，技术人员将理解在没有脱离由权利要求及其等价物的特征限定的本发明构思的情况下可进行各种修改。

在这点处，应该理解为，在上述已描述的真空马达子系统的情况下，真空吸尘器的马达速度是马达参数，该马达参数指示马达的负载。这是因为当马达被控制为恒定输出功率方案时，如上述，马达的速度与马达负载直接地且可量化地相关。相反地，如果真空马达被控制为恒定速度方案，那么马达的功率/电流消耗是参数，该参数指示马达上的机械负载。因此，在这个说明书中，其中马达是在恒定输出功率方案下操作的，当马达在恒定速度方案下或至少在非恒定功率方案下操作时，关于参数‘马达速度’的引用将被认为是与参数‘马达电气输入电流/功率’同义。在每种情况下，参数‘马达速度’和‘马达电气输入功率/电流’两者都是指示马达的机械旋转负载(扭矩)的参数或在在权利要求中被提及的‘马达负载参数值’。

本发明的处理系统和程序参考一系列的方框图或流程图描述，且将明白流程图的每块可由计算机程序指令执行。这样的指令可通过通用或特定目的计算机的处理器或其他可编程的数据处理设备或装置执行，以致当在这样的设备或装置上执行时该指令执行流程图中所表达的功能。

该指令还可存储在计算机可读的存储器中，该存储器可指导适当的数据处理设备以某种方式运行，以致被存储在存储器中的指令产生制造物品，该制造物品包括实施流程图中指定的功能的指令。

还应该注意流程图的每个块代表一项功能，且每个块由此可实现为适当的模块，或软件/固件编码的部分，其包括一个或多个可执行的指令用于执行功能。尽管上述程序已被描述具有某一次序，还应该注意根据所关注的功能，各块提及的功能可不按上述次序而发生。例如，在图10中在程序180中在步骤186、188、192处读取压力，温度和马达速度的步骤不需要以上述具体次序发生，而是替代地，可实际上大体同时执行或以不同次序执行。

Claims (29)

1.一种空气运输器具，包括：

电马达，联接到风扇；

控制系统，用于控制电马达；

该控制系统包括：

监测器件，配置为监测马达负载参数；

存储器件，配置为储存预定参考马达负载参数值；

补偿器件，基于所述预定参考马达负载参数值和一组周围环境输入状态确定经补偿的参考马达负载参数值；

比较器件，配置为比较马达负载参数和经补偿的参考马达负载参数值，且基于比较结果触发操作事件。

2.如权利要求1所述的器具，其中所述补偿器件包括压力传感器，以测量器具的环境的外界压力。

3.如权利要求2所述的器具，其中所述压力传感器集成在器具内的电子模块上。

4.如权利要求1所述的器具，其中所述补偿器件包括压力传感器，所述压力传感器被定位于器具的空气流通道内。

5.如权利要求4所述的器具，其中所述压力传感器定位于风扇的紧上游。

6.如上述任一权利要求所述的器具，其中所述补偿器件包括温度传感器。

7.如上述任一权利要求所述的器具，其中所述补偿器件计算经补偿的参考马达负载参数值，以针对器具环境中的空气密度更正它。

8.如权利要求7所述的器具，其中当所述器具被通电时，所述补偿器件计算经补偿的参考马达负载参数值。

9.如权利要求7所述的器具，其中所述补偿器件以重复间隔计算经补偿的参考马达负载参数值。

10.如上述任一权利要求所述的器具，其中所述预定参考马达负载参数值被针对安装在器具中的马达校准。

11.如上述任一权利要求所述的器具，其中所述经补偿的参考马达负载参数值表示马达运行状态，所述马达运行状态指示器具的空气流通道内的堵塞。

12.如权利要求11所述的器具，其中当监测到马达的马达负载参数值超过经补偿的参考马达负载参数值时所述比较器件触发操作事件。

13.如权利要求12所述的器具，其中所述操作事件包括关闭马达。

14.如上述任一权利要求所述的器具，其中所述器具是真空吸尘器。

15.如权利要求14所述的器具，其中所述真空吸尘器为具有驱动器件的机器人真空吸尘器，其中所述操作事件包括关闭驱动器件和关闭抽吸风扇马达。

16.如权利要求14所述的器具，其中所述真空吸尘器为具有驱动器件的机器人真空吸尘器，其中所述操作事件包括关闭抽吸风扇马达一预设时间周期，同时驱动器件继续驱动机器人真空吸尘器。

17.如权利要求1至14中任一项所述的器具，其中所述存储器件存储第二参考马达负载参数值。

18.如权利要求17所述的器具，其中所述第二参考马达负载参数值表示一状态，所述状态指示器具在相关的过滤器或分离系统没有安装到器具的空气流通道内的情况下被启动。

19.如权利要求17或18所述的器具，其中所述第二参考速度值针对真空吸尘器的环境状态而被补偿。

20.一种用于控制空气运输器具的方法，所述空气运输器具包括被联接到风扇的电马达，所述方法包括：

监测马达的马达负载参数；

存储预定参考马达负载参数值；

基于预定参考马达负载参数值和一组周围环境输入状态计算经补偿的参考马达负载参数值；

将监测到的马达的马达负载参数值和经补偿的参考马达负载参数值比较；

基于比较结果执行操作事件。

21.如权利要求20所述的方法，其中所述经补偿的参考马达负载参数值被计算以针对器具周围环境中的空气密度更正。

22.如权利要求20或21所述的方法，其中所述经补偿的参考马达负载参数值在器具被启动的时刻处被计算。

23.如权利要求20至22中任一项所述的方法，其中所述经补偿的参考马达负载参数值以重复间隔被计算。

24.如权利要求20至23中任一项所述的方法，其中所述预定参考马达负载参数值被针对安装在器具内的特定马达进行校准。

25.如权利要求20至24中任一项所述的方法，其中所述经补偿的参考马达负载参数值表示马达运行状态，所述运行状态指示器具的空气流通道内的堵塞。

26.如权利要求25所述的方法，其中当监测到的马达负载参数值超过经补偿的参考马达负载参数值时所述比较器件触发操作事件。

27.如权利要求20至26中任一项所述的方法，其中所述操作事件包括关闭马达。

28.如权利要求27所述的方法，其中所述操作事件包括在预设时间周期后重新启动马达。

29.一种计算机程序产品，被储存在计算机可读介质上，包括程序代码指令，当在计算设备上执行时其实施权利要求20-28中的方法。