CN105099299A - 提高dc电动机冷却风扇效率的方法和系统 - Google Patents

Abstract

提供提高DC电动机冷却风扇效率的方法和系统以及车辆。方法提供基于电动机的速度和传递函数通过晶体管来控制脉冲宽度调制。系统包括：存储传递函数的存储器；调制输出电流的晶体管；通过晶体管将调制的输出电流提供给电动机的直流电源；配置成从晶体管吸收热量并且反映晶体管温度的散热器；以及计算设备，该计算设备被配置成接收表示所需的电动机速度的电子信号并且被配置成控制调制输入电压，其中晶体管基于晶体管温度在切换频率下从直流电源产生调制的输出电流，并且具有基于作为对传递函数的输入的电子信号的占空比。

Description

提高DC电动机冷却风扇效率的方法和系统

技术领域

技术领域一般涉及通过低频脉冲宽度调制（PWM）进行的直流（DC）电动机速度控制，并且更具体来说，涉及通过根据PWM切换设备和DC电动机速度条件调整PWM切换频率和其占空比来提高车辆冷却风扇DC电动机的效率。

背景技术

低频脉冲宽度调制（PWM）切换是用来改变控制驱动冷却风扇的DC电动机的速度的电压的重要技术。这是因为驱动PWM的场效应晶体管（FET）的低频切换比高频切换产生较少热量。较低的热量产生允许较小的散热器，散热器重且相对高成本。“高”或“低”频率的定义是根据具有特定DC电动机特征的电动机的确定的，所述特征诸如：额定速度、电极数量、电感特征和指定的温度考虑。作为非限制性实例，本文中将“低频率”定义为低于1kHz。

脉冲宽度调制（PWM）或脉冲持续时间调制（PDM）是基于调制器信号信息来符合电压脉冲的宽度（即，脉冲持续时间）的调制技术。尽管此调制技术可以用来编码信息用于传输，但是其主要用途是允许控制供应给电气设备的功率，特别是供应给诸如电动机的惯性负载的功率。在使用中，通过将电源与负载之间的开关（即，晶体管）以快节奏“接通”和“断开”来控制馈送到负载的电压（和电流）的平均值。开关“接通”相对于“断开”时间越长，则供应到负载的功率越高。

“周期”是信号完成接通和断开周期所花费的时间。作为公式，占空比可以表达为：

其中D是占空比，T是信号有效的时间，并且P是信号的总周期。因此，60%占空比意味着信号在60%的时间接通并且在40%的时间断开。取决于周期的长度，用于60%占空比的“接通时间”可以是一秒、一天或者甚至一周的一小部分。

对于实践的目的，PWM切换频率（或1/P）必须比将会影响负载（也就是说，使用功率的设备）的频率快得多。通常，PWM切换用于诸如灯调光器、电动机驱动器、电炉、音频放大器和计算机电源的设备中，其中切换频率从几Hz变化到几百kHz。

术语“占空比”描述“接通”时间与有规律间隔或时间的“周期”的比例；低占空比对应于低功率，因为功率在大部分时间断开。占空比以百分比表达，其中100%是完全接通。图5是不同占空比对电压的影响的图。周期P₁的脉冲提供电压V₁。随着脉冲的周期增加（例如，P₂），V₂增加，其中T_sysclk是时钟增量。

通常，通过与电动机串联的电阻卡来控制DC电动机的速度，然而存在由于电阻中的热量而耗散的功率损耗，能量浪费。因此，PWM由于设备中的较低功率损耗而在控制DC电动机速度方面具有较高效率，并且提供较精细的速度控制。切换设备功率损耗是电阻R _ds 和切换频率的函数，由以下提供：

方程1

其中：

Ediss是由FET耗散的能量，

VFEToff是处于断开状态下的晶体管电压降，

IFEToff是通过处于断开状态下的晶体管的电流，

Rds是指处于接通状态下的晶体管电阻，

IFETon是通过处于接通状态下的晶体管的电流，

Vturnon是处于接通状态下的晶体管电压降，

Iturnon是通过处于接通状态下的晶体管的电流，

Vturnoff是处于断开状态下的晶体管电压降，

Iturnoff是通过处于断开状态下的晶体管的电流，

t是在某个周期T期间累计的时间。

参照方程1，图9描绘其中耗散相应的功率的场效应晶体管（FET）内的电流和电压的说明性波形。图9包括具有关于x轴的时间（t）和关于y轴的电流、电压（I,V）的第一曲线图902和具有关于x轴的时间（t）和关于y轴的功率（P）的第二曲线图904。第一曲线图包括其中场效应晶体管（FET）被断开的第一区域906、其中FET被接通的第二区域908和其中FET被断开的第三区域910。第二曲线图904包括其中传导损耗被接通的第一区域912、其中传导损耗发生的第二区域914和其中传导损耗被断开的第三区域916。

将某个时间周期考虑为参考，由于饱和（切换设备接通）与切断（切换设备断开）区域之间的较高转变量，所耗散的能量（）趋向于在高频下操作时较高。因此，使用低频切换PWM来驱动电动机减少FET变热，从而使得可以减小散热器尺寸和系统成本。

然而，低频PWM控制就每单位的电功率输入的机械扭矩输出而言对效率具有不利影响。这是因为在每个PWM周期中对电动机不输入功率的时间量在低频下大于在高频下。这减少该周期期间的速度和扭矩。因此，由于在“断开”时间期间损失的速度，使得在“接通”时间期间传递到电动机的电流将较高，这导致较低的效率。此效应还不利地影响电动机起动，并且在达到所需速度和较高峰值电流的较长时间内明显，这导致对系统的压力。

因此，需要提供改进控制系统以有效地控制车辆的冷却风扇的方法和系统。此外，需要根据DC电动机操作条件（诸如电动机起动、占空比和FET温度）来动态地改变PWM切换频率。此外，本发明的其他所需特征和特性将从结合附图和以上技术领域和背景进行的以下详细描述和随附权利要求变得显而易见。

发明内容

提供一种用于基于电动机的速度和传递函数通过晶体管来控制脉冲宽度调制电流的方法。方法包括接收指示所需电动机速度增加的电子信号并且将电子信号与传递函数相比较以确定实现电动机速度增加所需的电动机电流的占空比。当速度增加高于预定值时，则将用于脉冲宽度调制的切换频率增加到指定的高水平，但是处于或低于指定的最大频率，并且基于将占空比与占空比输出值相关联的占空比改变函数来改变占空比。

提供一种用于基于电动机的速度通过晶体管来控制脉冲宽度调制的系统。在一个实施例中，系统包括：存储传递函数的存储器；具有调制输入电压和调制的输出电流的晶体管；通过晶体管将电流提供给电动机的直流电源；配置成从晶体管吸收由于电流产生的热量的散热器；以及计算设备。计算设备被配置成接收表示所需的电动机速度的电子信号并且被配置成控制调制输入电压，其中晶体管基于晶体管温度在切换频率下从直流电源产生调制的输出电流，并且具有占空比是基于作为对传递函数的输入的电子信号。

提供一种车辆，该车辆包括：电动机；具有调制输入电压和调制的输出电流的晶体管；通过晶体管将直流电流提供给电动机的电源；以及计算设备。

本发明包括以下技术方案：

1.一种用于基于具有最大切换频率的电动机速度和传递函数通过晶体管来控制脉冲宽度调制电流的方法，包括：

接收指示所需电动机速度增加的电子信号；

将所述电子信号与所述传递函数相比较以确定实现电动机速度所需的电动机电流的占空比；

当所述速度增加高于预定值时，则将用于所述脉冲宽度调制的切换频率增加到指定的高水平，但是处于或低于指定的最大频率，并且基于将新的所需占空比值与当前占空比值相关联的占空比改变函数来改变所述占空比。

2.如技术方案1所述的方法，其进一步包括：

当所述速度增加低于所述预定值时，则根据输出传递函数保持所述占空比并且基于晶体管温度调整所述切换频率，目标在于处于给定温度极限内的最大可能频率，以增加与用于给定输入功率的电动冷却风扇直流电动机工作有关的能量效率。

3.如技术方案2所述的方法，其进一步包括在存储器中建立晶体管温度极限、第一预定频率值、数字计数器（N）、第一预定计数器值（N1）以及第二预定计数器值（N2）；其中所述第一预定计数器值（N1）小于所述第二预定计数器值（N2）。

4.如技术方案3所述的方法，其中当所述晶体管温度小于所述晶体管温度极限时，则将所述计数器（N）减量1并且将所述切换频率设置为所述最大切换频率。

5.如技术方案3所述的方法，其中当所述晶体管温度大于或等于所述晶体管温度极限时，则将所述数字计数器（N）与所述第二预定计数器值（N2）相比较，其中进一步当所述数字计数器（N）小于所述第二预定计数器值（N2）时，将所述切换频率设置为零。

6.如技术方案5所述的方法，其中当所述晶体管温度小于所述晶体管温度极限时，则将所述数字计数器（N）重置为所述第一预定计数器值（N1）。

7.如技术方案5所述的方法，其中当所述数字计数器（N）小于所述第二预定计数器值（N2）时，则确定所述数字计数器（N）是否大于或等于所述第一预定计数器值（N1），其中当所述数字计数器（N）大于或等于所述第一预定计数器值（N1）时，则将所述切换频率减少到等于所述最大切换频率减去第一预定频率减少值的值。

8.如技术方案7所述的方法，其进一步包括在将所述切换频率减少到等于所述最大切换频率减去所述第一预定频率减少值的值之后，则将所述数字计数器增量一。

9.如技术方案5所述的方法，其中当所述数字计数器（N）大于或等于第三预定计数器值（N0）时，其中所述第三预定计数器值（N0）小于所述第一预定计数器值（N1），则将所述切换频率减少到等于所述最大切换频率减去第二预定频率减少值的值。

10.如技术方案9所述的方法，其进一步包括在将所述切换频率减少到等于所述最大切换频率减去所述第二预定频率减少值的值之后，则将所述数字计数器增量一。

11.一种用于基于电动机的速度和传递函数通过晶体管来控制脉冲宽度调制的系统，包括：

存储所述传递函数的存储器；

具有调制输入电压和调制的输出电流的晶体管；

通过所述晶体管将所述调制的输出电流提供给所述电动机的直流电源；

配置成从所述晶体管吸收由于所述调制的输出电流产生的热量并且反映晶体管温度的散热器；以及

计算设备，所述计算设备被配置成接收表示电动机的所需速度的电子信号并且被配置成控制所述调制输入电压，其中所述晶体管基于所述晶体管温度在切换频率下从直流电源产生调制的输出电流，并且具有基于作为对所述传递函数的输入的电子信号的占空比。

12.如技术方案11所述的系统，其中所述脉冲宽度调制的输出电流的占空比被连续地线性地增加。

13.如技术方案11所述的系统，其中当所述散热器或者更好表示所述晶体管温度的任何其他位置的温度超出预定极限时，将所述切换频率驱动至较低频率。

14.如技术方案11所述的系统，其中当所述晶体管的温度超出高于预定极限的最大极限时，将所述脉冲宽度调制的输出电流驱动至零。

15.一种车辆，包括：

电动机；

接收调制输入电压并在切换频率下产生调制的输出电流的晶体管；

通过所述晶体管将直流电流提供给所述电动机的电源；以及

计算设备，所述计算设备被配置成接收表示所述电动机的所需速度的电子信号并且被配置成控制所述调制输入电压，其中所述晶体管基于晶体管温度在切换频率下从所述直流电源产生所述调制的输出电流，并且具有基于作为对所述传递函数的输入的电子信号的占空比。

16.如技术方案15所述的系统，其中所述脉冲宽度调制的输出电流的占空比被连续地线性地增加。

17.如技术方案10所述的方法，其中当所述晶体管的温度超出预定极限时，将所述切换频率驱动至较低的切换频率。

附图说明

下文将结合以下附图来描述示例性实施例，其中相同数字指示相同元件，并且其中：

图1是根据一个实施例的用于DC电动机40的简化控制系统；

图2是根据一个实施例的适合的控制电路的系统图；以及

图3是根据一个实施例的晶体管的输出的占空比和平均电压对时间的说明曲线图；

图4是占空比改变函数的示例性曲线图，其中占空比随时间朝向最大值增加；

图5是晶体管输出电压的脉冲宽度与电压之间的关系的说明图；

图6是用于在命令的速度增加期间控制晶体管输出的占空比的方法的示例性流程图；

图7是示例性占空比输出传递函数；

图8是基于晶体管温度控制晶体管输出的切换频率的方法的示例性流程图；以及

图9描述其中耗散相应的功率的场效应晶体管（FET）中的电流和电压的说明性波形。

具体实施方式

以下详细描述实质上仅是示例性的，而并不意欲限制应用和使用。此外，并不意欲受以上技术领域、背景、简要概述或以下详细描述中提出的任何明确或暗示的理论限制。

本领域技术人员将了解，结合本文披露的实施例描述的各种说明性逻辑方框、模块、电路和算法步骤可以实施为电子硬件、在处理器上执行的计算机软件或二者的组合。上文就功能和/或逻辑方框部件（或模块）以及各种处理步骤描述实施例和实施中的一些。然而，应了解，这些方框部件（或模块）可以通过配置成执行指定功能的任何数量的硬件和/或固件部件来实现。为了清除地说明硬件与软件的此可互换性，上文已经大体上就其功能性描述了各种说明性部件、方框、模块、电路和步骤。此功能性是实施为硬件还是执行在处理器上的软件取决于特定应用和对整体系统施加的设计限制。技术人员可以针对每个特定应用以不同的方式实施所描述的功能性，但是这些实施决策不应解释为导致脱离本发明的范围。例如，系统或部件的实施例可以使用各种集成电路部件，例如存储器元件、数字信号处理元件、逻辑元件、查找表等，这些部件可以在一个或多个微处理器或其他控制设备的控制下执行多种功能。此外，本领域技术人员将了解，本文描述的实施例仅是示例性实施。

结合本文披露的实施例描述的各种说明性逻辑方框、模块和电路和可以通过通用处理器、数字信号处理器（DSP）、特定应用集成电路（ASIC）、场可编程门阵列（FPGA）或其他可编程逻辑设备、分立门或晶体管逻辑、分立硬件部件或者设计成执行本文描述的功能的其任何组合来实施或执行。通用处理器可以是微处理器，但是替代地，处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可以实施为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器结合DSP芯或者任何其他此类配置。词“示例性”在本文专门用来意味着“用作实例、示例或说明”。本文中描述为“示例性”的任何实施例并不必解释为比其他实施例优选或有利。

结合本文披露的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中或者在二者的组合中实施。软件模块可以常驻于RAM存储器、闪速存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移除磁盘、CD-ROM或本领域中已知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质联接到处理器，使得处理器可以从存储介质读取信息并且将信息写入到存储介质。替代地，存储介质可以与处理器是整体形成的。处理器和存储介质可以常驻于ASIC中。ASIC可以常驻于用户终端中。替代地，处理器和存储介质可以作为用户终端中的分立部件常驻。

在此文件中，诸如第一、第二等的关系术语可以仅用来将一个实体或动作与另一个实体或动作区分开，而不必要求或暗示这些实体或动作之间的任何实际的这类关系或次序。诸如“第一”、“第二”、“第三”等的数字顺序仅指示多个中的不同个体，而并不暗示任何次序或顺序，除非由权利要求语言明确定义。任何权利要求中的文字的顺序并不暗示必须根据此顺序以临时或逻辑次序执行过程步骤，除非由权利要求的语言明确定义。在不脱离本发明的范围的情况下，过程步骤可以任何次序来互换，只要此互换不与权利要求语言矛盾并且并非在逻辑上无意义。

此外，取决于上下文，用于描述不同元件之间的关系的诸如“连接”或“联接到”的词并不暗示在这些元件之间必须进行直接物理连接。例如，两个元件可以通过一个或多个额外的元件彼此物理地、电子地、逻辑地或者以任何其他方式连接。

图1是用于DC电动机40的简化控制系统10，该DC电动机可以驱动诸如汽车的车辆中的冷却风扇（未示出）。电动机40从DC电源50接收功率。DC电源可以是本领域中当前已知或者可能在未来开发出的任何适合的DC电源。适合的电源的示例性非限制实例包括电池、AC/DC转换器、发电机以及晶体管门驱动器。

来自DC电源50的DC功率由晶体管20控制，该晶体管可以是本领域中当前已知或者可能在未来开发出的任何适合的晶体管。作为非限制性实例，晶体管20是场效应晶体管（FET）。由晶体管控制的DC功率的周期性由控制电路100控制，该控制电路进一步包括存储器101。晶体管所产生的废热被释放到环境中，其中一些或所有通过热耗散器或散热器30引导。散热器30可以是本领域中当前已知或者可能在未来开发出的任何适合的散热器，并且可以由本领域中已知的任何适合的材料构成。散热器30可以与晶体管20物理接触、可以围绕晶体管、可以离开晶体管一段距离定位但是通过传导、对流和/或辐射与晶体管热接触。需要散热器30将FET（或其他类型的晶体管20）的温度维持在低于其最大操作结温。对于FET而言，该温度是约150℃。因此，所产生的热量越低，所需的散热器越小。

图2是控制电路100的展开的系统图。控制电路100包括由电源80（也可以是电池50）供电的微控制器60。微控制器60可以是本领域中已知或者可能在未来开发出的任何适合的计算设备或处理器。

微控制器60从发动机管理系统（EMS）（未示出）接收信号90，该信号指示请求的发动机冷却风扇速度。发动机冷却风扇速度由发动机管理系统（EMS）根据（但不限于）发动机冷却液温度和油温、车辆速度、空气调节负载、变速器油温以及其他车辆条件来选择。微控制器还从温度传感器75接收温度输入，该温度传感器感测散热器30的温度或较好地代表晶体管20的温度的最靠近的表面的温度，该最靠近的表面的温度始终比晶体管20冷。温度传感器75可以是本领域中已知或者可能在未来开发出的任何适合的温度传感器。微控制器60还从电流传感器70接收电流输入，该电流传感器感测通过晶体管20来自电池50的电流。电流传感器70可以是本领域中已知或者可能在未来开发出的任何适合的电流传感器。

微控制器60产生对晶体管门55的电子信号，其控制穿过晶体管20的电流量，如本领域中所熟知。电子信号可以直接提供给晶体管20，或者其可以被发送到中间的门驱动器55，门驱动器55随后产生对晶体管20的门信号。门驱动器是本领域中熟知的，并且为了清晰和简洁在本文将不再进一步详细描述。门驱动器可以是与晶体管和其操作相当的任何适合的门驱动器。

微控制器60基于来自EMS的信号90、晶体管20的输出电流和晶体管20的温度来控制晶体管20的启动。监控输出电流以避免由于过电流导致的部件损坏从而由于过电流、短路和开路而产生警报。

图3是晶体管20的输出的占空比和平均电压对时间的说明曲线图并且示出本文披露的一个概念。在图3中，x轴代表占空比（以秒为单位），并且y轴代表平均电压。在此，微控制器60操纵晶体管20以通过高频信号平滑地起动电动机DC40，该高频信号随时间增加晶体管结温。当电动机40达到所需速度时并且在晶体管达到其最大结温之前，微控制器60将操作频率降低到低值以减小晶体管结温。将PWM切换频率设置为高以提高系统效率。“高”或“低”频率的定义是根据具有特定DC电动机特征的电动机的确定的，所述特征诸如：额定速度、电极数量、电感特征和指定的温度考虑。作为非限制性实例，本文中将“高频率”定义为大于1kHz。

本文在图3中披露的平滑改变是基本上线性的。然而，也可以使用其他平滑地改变函数。关系还可以被选择成以指数方式、以抛物线方式、以渐近线地方式以及以半球形地方式变化。其他的曲线关系也是可能的。使用平滑改变策略（即，在此为占空比改变函数）来避免可能损坏系统的电动机峰值电流，并且也可以在速度改变条件期间使用平滑改变，如下文将描述。图4是线性的占空比改变函数的示例性曲线图，其中D_{OUT_I}是命令给晶体管20的当前占空比，D_{OUT_F}（图4中展示为402）是最终所需的占空比，t₀（图4中展示为406）是当前（最初）时间并且t₁（图4中展示为408）是实现D_{OUT_F}值（图4中展示为404）所花费的时间。在图4中，x轴代表时间（以秒为单位），并且y轴代表占空比百分比。在一个实施例中，占空比改变函数将当信号90（所需的速度）存在改变时占空比输出值（对电动机40的输出）的值如何从当前值改变为新值相关联。

图5是对电动机40的晶体管输出电压的脉冲宽度与电压之间的关系的说明图。在晶体管输出的占空比增加在增量时间周期（T_sysclock）中发生的增量数量（例如，P₃-P₂）时，对电动机的电压以阶梯方式增加V2到V3的量。脉冲宽度调制分辨率的量值（以比特来测量）与脉冲的周期（P）相关并且增量时间（T_sysclock）由以下关系提供：

PWM分辨率=Log₂(P/T_sysclock)，

或者替代地

PWM分辨率=Log₂(f_sysclk/f_PWM)，

其中，f_sysclk是系统时钟的频率并且f_PWM是由电动机40所见的晶体管输出的频率。在图5中，第一图式502具有在x轴上的温度和在y轴上的脉冲宽度调制（PWM）。图5的第二图式504具有在x轴上的时间和在y轴上的电压，并且还描绘电压阶跃506。

图6是用于由微控制器60执行的方法300的示例性流程图，该方法用于基于输入信号90、温度传感器75、电流传感器70和先前的电动机状态（停止、运行）来控制晶体管输出的占空比和频率。应注意，在不脱离本公开的范围的情况下，本文在以下描述的步骤可以被组合成较少步骤、划分成子步骤和/或重新排列。还应注意，示例性方法300适于与图7中呈现的传递函数的各个区域一起操作。本领域技术人员将清楚的是，改变传递函数或在图7的相同传递函数中分配不同的区域将促使对方法300的相应调整。

为了进行解释，在开始点306，假定电动机40停止。在决定点312，确定指示所需速度的速度信号90，该信号是否是大于零伏。当速度信号90大于零时，控制电路100参考存储在存储器中的传递函数，诸如图7中所示的示例性传递函数，并且确定信号90指示传递函数的哪个区域。

例如，当信号90指示图7的区域1时，馈送到电动机40的电流的占空比在过程324被保持在零并且电动机保持停止。当速度信号90指示示例性图7的区域3时，方法300进行到决定点330，其中控制电路100确定信号是否指示100%，在这种情况下指示故障并且在过程336鉴于安全原因断开电动机（即，当前占空比被设置为零）。当在决定点330确定速度信号90指示区域3中的小于100%的占空比输入，则方法300进行到决定点374。

在决定点374，控制电路100确定电动机40停止还是正在以一定速度移动（例如由转速表指示）。当电动机40正在移动时，在确定点380确定当前速度与由速度信号90指示的所需速度之间的差是否大于制造商预定的值（V）。然而，当电动机40停止时，方法300进行到过程386（以下论述）。

制造商预定的值（V）是不会产生大于在新的所需速度下引起的稳态电流的浪涌电流的最大电动机速度增加。“浪涌电流”或起动电流是电气设备在首次被接通时引起的最大瞬时电流，“浪涌电流”还可以是由于电动机速度变化导致的峰值电流。V的值是取决于电动机的，并且将取决于诸如速度、电动机电极数量以及电感的因素，并且可以通过实验或计算机模拟来建立。

当在确定点380的速度差小于预定值（V）时，则认为速度改变最低并且方法300移动到过程392，其中切换频率被设置为零，输出占空比被设置为100%并且电动机状态标志被设置为“运行”。应注意，过程392是此实例中的示例性传递函数的区域3专用的，这是占空比被设置为100%的原因。

当速度差在确定点380被确定为大于预定值（V）时，则速度改变被认为是实质性的并且方法移动到过程386。在此状况下，根据图8的方法400（以下论述）将切换频率设置为高，并且占空比在过程386根据占空比改变函数（如先前所描述）增加到在区域3中规定的100%。在此过程，将切换频率设置为“高”提高在起动期间电动机的效率。当已经证实占空比基于输入占空比（基于确定点398）而达到100%时，方法300进行到过程392（以上先前论述）。

返回到确定点318，当确定速度信号90指示传递函数的区域2时，在确定点342确定电动机状态。当确定电动机40停止时，方法进行到过程356，其中切换频率被设置为高（例如大于1kHz）以更有效地起动电动机40同时根据占空比改变函数来调整占空比。

当在过程342确定电动机正在运行时，在确定点348确定速度增加是否大于制造商预定的值（V），在确定点348，根据方法400将切换频率设置为高（例如，1kHz），并且根据先前以上论述的占空比改变函数来调整占空比，直到在确定点362确定达到所需占空比。当占空比达到所需占空比时，方法300移动到过程368，其中根据以下论述的方法400来控制切换频率。

图7是将对控制电路100的输入占空比与传递到晶体管20的输出占空比相关联的输出传递函数（区域2）。本文将传递函数披露为基本上线性的。然而，也可以使用其他函数。关系还可以被选择成以指数方式、以抛物线方式、以渐近线方式以及以半球形方式变化。其他的曲线关系也是可能的。在此，示例性的线性传递函数由以下方程给出：

（方程2）

其中：

D_{H_OUT}=输出最终高点值。（示例性默认值为90%）

D_{H_IN}=输入最终高点值。（示例性默认值为87%）

D_{L_OUT}=输出最终低点值。（示例性默认值为30%）

D_{L_IN}=输入最终低点值。（示例性默认值为5%）

D_{MAX_IN}=具有100%效率输出的最大输入效率（示例性默认值为99%）。

因此，对于低输入占空比（<5%；区域1），促使输出占空比为零，并且在高输入占空比（>87%；区域3），促使输出占空比为100%。在图7中，输入占空比（作为百分比）用于x轴上，并且输出占空比（作为百分比）用于y轴上。在一个实施例中，输出传递函数将信号90（所需速度）中的占空比的值与占空比输出值（对电动机40的输出）相关联。

图8是基于晶体管温度控制晶体管输出的切换频率的方法的示例性流程图。因为热量与切换频率（f）直接相关，所以使用变频方法来提高晶体管20的效率。在最大切换频率（f_max）下获得电动机40的最佳效率。然而，较高周围温度的实例可能导致晶体管20的过热。因此，使用较低频率。此较低频率是最大频率减去预定频率调整f0、f1或f2，其中f2>f1>f0。图8在x轴上使用输入占空比（作为百分比）并且在y轴上使用输出占空比（作为百分比）。

在过程405，起动发动机并且将计数器（N）设置为零。计数器N对晶体管温度超出预定上限温度（T_lim）的次数进行计数。T_lim是取决于部件的。在过程410，将脉冲宽度调制功率的切换频率（f）增加（即，减少周期性）到最大值。为了本文通过实例描述的冷却风扇控制目的，最大切换频率（f_max）将是2kHz。

在确定点420，控制电路100确定晶体管温度（T_tr）是否大于或等于最大温度（T_max）。当晶体管温度（T_tr）大于或等于最大温度（T_max）时，则在过程425设置诊断指示符（D）并且在过程430关闭风扇电动机40。随后在过程435清除诊断指示符（D）。

当晶体管温度（T_tr）小于最大温度（T_max）时，则在过程440确定晶体管温度（T_tr）是否大于或等于上限温度（T_lim）。为了本文解释的目的，T_lim可以是例如135°。当晶体管温度（T_tr）小于上限温度（T_lim）时，则在过程495将计数器（N）减少1。

当晶体管温度（T_tr）大于或等于上限温度（T_lim）时，则在过程445将计数器（N）与预定值N2相比较，其中N2不等于零。当N等于值N2时，则在过程450将切换频率设置为零，并且在确定点455再次确定晶体管温度（T_tr）是否大于或等于上限温度（T_lim）。当在切换频率被设置为零之后晶体管温度（T_tr）大于或等于上限温度（T_lim）时，方法400返回到确定点420。当在切换频率被设置为零之后晶体管温度（T_tr）小于上限温度（T_lim）时，将计数器（N）设置为N1并且方法400返回到确定点420。N1小于N2。

当N不等于值N2时，则方法400进行到确定点460，其中将计数器（N）与预定值N1相比较。N1小于N2。当N等于或大于值N1时，则将PWM功率的切换频率设置为（f_max-f2），其中f2是可调值。在过程485将计数器（N）增量1，并且方法400返回到确定点420。当在确定460，N不等于值N1时，则方法400返回到确定点465。

在确定点465，将计数器（N）与预定值N0相比较，其中N0小于N1。当N等于或大于值N0时，则将PWM功率的切换频率设置为（f_max-f1），其中f1是可调值并且小于f2。在过程485将计数器（N）增量1，并且方法400返回到确定点420。

当在确定465，N不等于值N0时，则将切换频率设置为（f_max-f0），其中f0是可调值并且小于f1。在过程485将计数器（N）增量1，并且方法400返回到确定点420。

虽然在以上详细描述中已呈现至少一个示例性实施例，但是应了解，存在大量变体。还应了解，示例性实施例或多个示例性实施例仅是实例，而并不意欲以任何方式限制本公开的范围、适用性或配置。相反，以上详细描述将为本领域技术人员提供用于实施示例性实施例或多个示例性实施例的方便的指导说明。应理解，在不脱离如随附权利要求和其法律等效物中阐述的本公开的范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

Claims (10)

1.一种用于基于具有最大切换频率的电动机速度和传递函数通过晶体管来控制脉冲宽度调制电流的方法，包括：

接收指示所需电动机速度增加的电子信号；

将所述电子信号与所述传递函数相比较以确定实现电动机速度所需的电动机电流的占空比；

当所述速度增加高于预定值时，则将用于所述脉冲宽度调制的切换频率增加到指定的高水平，但是处于或低于指定的最大频率，并且基于将新的所需占空比值与当前占空比值相关联的占空比改变函数来改变所述占空比。

2.如权利要求1所述的方法，其进一步包括：

当所述速度增加低于所述预定值时，则根据输出传递函数保持所述占空比并且基于晶体管温度调整所述切换频率，目标在于处于给定温度极限内的最大可能频率，以增加与用于给定输入功率的电动冷却风扇直流电动机工作有关的能量效率。

3.如权利要求2所述的方法，其进一步包括在存储器中建立晶体管温度极限、第一预定频率值、数字计数器（N）、第一预定计数器值（N1）以及第二预定计数器值（N2）；其中所述第一预定计数器值（N1）小于所述第二预定计数器值（N2）。

4.如权利要求3所述的方法，其中当所述晶体管温度小于所述晶体管温度极限时，则将所述计数器（N）减量1并且将所述切换频率设置为所述最大切换频率。

5.如权利要求3所述的方法，其中当所述晶体管温度大于或等于所述晶体管温度极限时，则将所述数字计数器（N）与所述第二预定计数器值（N2）相比较，其中进一步当所述数字计数器（N）小于所述第二预定计数器值（N2）时，将所述切换频率设置为零。

6.如权利要求5所述的方法，其中当所述晶体管温度小于所述晶体管温度极限时，则将所述数字计数器（N）重置为所述第一预定计数器值（N1）。

7.如权利要求5所述的方法，其中当所述数字计数器（N）小于所述第二预定计数器值（N2）时，则确定所述数字计数器（N）是否大于或等于所述第一预定计数器值（N1），其中当所述数字计数器（N）大于或等于所述第一预定计数器值（N1）时，则将所述切换频率减少到等于所述最大切换频率减去第一预定频率减少值的值。

8.如权利要求7所述的方法，其进一步包括在将所述切换频率减少到等于所述最大切换频率减去所述第一预定频率减少值的值之后，则将所述数字计数器增量一。

9.一种用于基于电动机的速度和传递函数通过晶体管来控制脉冲宽度调制的系统，包括：

存储所述传递函数的存储器；

具有调制输入电压和调制的输出电流的晶体管；

通过所述晶体管将所述调制的输出电流提供给所述电动机的直流电源；

配置成从所述晶体管吸收由于所述调制的输出电流产生的热量并且反映晶体管温度的散热器；以及

计算设备，所述计算设备被配置成接收表示电动机的所需速度的电子信号并且被配置成控制所述调制输入电压，其中所述晶体管基于所述晶体管温度在切换频率下从直流电源产生调制的输出电流，并且具有基于作为对所述传递函数的输入的电子信号的占空比。

10.一种车辆，包括：

电动机；

接收调制输入电压并在切换频率下产生调制的输出电流的晶体管；

通过所述晶体管将直流电流提供给所述电动机的电源；以及

计算设备，所述计算设备被配置成接收表示所述电动机的所需速度的电子信号并且被配置成控制所述调制输入电压，其中所述晶体管基于晶体管温度在切换频率下从所述直流电源产生所述调制的输出电流，并且具有基于作为对所述传递函数的输入的电子信号的占空比。