CN107943130B - 具有电流保护固态继电器的控制装置 - Google Patents

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Abstract

一种控制装置用固态继电器作为开关来启用和停用其控制的系统。监测流过固态继电器中至少一些的电流，确定在固态继电器及其关联的电路和印刷电路板布线中产生的整体热量，并且将该整体热量添加到整体热量的其他确定量，并且将其用于补偿受整体热量影响的控制装置内的温度传感器所提供的读数。通过测量经过电力总线流向控制装置的固态继电器中一个或多个的电流，将会造成损坏的过流状态与允许的瞬时过流状态加以区分，且控制装置可停用会受到损坏的任何固态继电器，同时允许正在经历允许的瞬变的固态继电器保持操作。在严重过流状态情况下，电流监测装置发出故障信号，触发中断情况，导致控制器中的处理器非常快速地关闭受影响的固态继电器。

Description

具有电流保护固态继电器的控制装置
发明领域
本发明涉及控制装置。更具体地，本发明涉及一种控制装置，诸如用于HVAC系统等的环境控制装置，其中控制装置采用固态继电器来启用和停用由该装置控制的子系统。
背景技术
存在用于许多系统的控制装置。大多数人熟悉的常用控制装置是诸如HVAC恒温器的环境控制装置，该环境控制装置可以控制其住宅或其他位置处的多种环境因素(加热、冷却、湿度、通风等)。虽然恒温器已经使用多年，但是这样的控制装置直到最近都是采用诸如双金属片等传感器并与水银倾斜开关相结合的简单的模拟/机械装置，其中，该水银倾斜开关直接启用或停用继电器、接触器或其他HVAC控制装置。
现在已经开发出智能恒温器，其采用数字处理器执行潜在的复杂软件程序来更好地控制环境因素。这些智能恒温器通常配备有多种传感器(固态温度和湿度传感器等)和其他信息(来自提供占用信息和/或远程温度等的遥感器以及/或者来自提供天气情况和预报等的网络连接服务器)，智能恒温器向执行软件提供输入以控制相应的HVAC系统。这样的智能恒温器正在变得越来越受欢迎，因为它们通常允许遥控和监测智能恒温器的操作以及受控环境中的情况(通常经由互联网应用)，而且还因为它们提供增加的用户舒适度和/或降低的HVAC系统能源使用。这样的智能恒温器的示例包括由Ecobee(250University Avenue,Suite 400Toronto,ON,Canada,M5H 3E5)制造的Ecobee3控制器。
虽然这样的智能恒温器与现有恒温器相比有显着的改进，但其设计、制造和操作却带来了一些独特的挑战。例如，HVAC控制系统通常需要大量电功率的开关来启用空调压缩机、循环风扇等。尽管现有技术的模拟/机械恒温器通常可以处理显著水平的电功率，包括各种异常情况(故障)，但相比之下，数字控制装置更容易受到峰值、过压等的影响，并仍被期望能长年无故障提供可靠的服务。此外，虽然智能恒温器的优点是显而易见的，但消费者行为仍然要求智能恒温器的价格实惠、尺寸相当小以及最重要的是可靠。满足所有这些标准是一项艰巨的任务。
发明内容
本发明的目的是提供一种消除或减轻现有技术的至少一个缺点的新型控制装置。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于根据控制程序来控制一个或多个电气子系统的控制装置，包括：壳体；储存操作程序的存储器；所述壳体内的至少一个环境传感器，用于确定所述壳体内的温度；至少一个固态继电器，其在被启用时能够操作以将至少一个电气子系统连接到电源，并且当被停用时能够进一步操作以从所述电源断开所述至少一个电气子系统；至少一个电流测量装置，用于确定当所述至少一个固态继电器被启用时从所述电源流向所述至少一个电气子系统的电流量；以及处理器，其能够操作以执行所述操作程序，以便：确定由所确定的电流量和关联的预定电阻产生的整体加热量；将所确定的整体加热量与其他部件在所述壳体中产生的整体加热量相加，以获得所述壳体中的整体加热的确定的总和；以与所述壳体中的整体加热的确定的总和相对应的量来补偿所确定的温度值，以获得经补偿的确定的温度值；以及启用和停用所述至少一个固态继电器以根据需要而启用和停用所述至少一个电气子系统，从而将所述经补偿的确定的温度值保持在预选的期望温度值范围内。
根据本发明的另一方面，提供了一种使用控制装置来控制包括至少两个子系统的HVAC系统的方法：使用位于所述控制装置的壳体内的温度传感器来测量温度；确定由所述壳体内的部件和功率流产生的整体加热的总和，包括以下步骤：(a)测量经过至少一个固态继电器流向所述至少两个HVAC子系统中的至少一个的电流；(b)确定对应于测得的电流的整体加热值；(c)确定对应于由所述壳体内的其他部件产生的整体加热的整体加热值；(d)对所有确定的整体加热值求和以获得总整体加热值；(e)鉴于(to correct for)所述确定的总整体加热值，补偿测得的温度，以获得补偿温度值；将所述补偿温度值与预选温度值范围进行比较；以及启用和停用所述至少一个固态继电器以根据需要来启用和停用所述至少一个HVAC子系统，以将所述补偿温度值保持在所述预选温度值范围内。
根据本发明的另一方面，提供了一种保护连接于负载与控制装置内的电力总线之间的至少一个固态继电器免受潜在会造成损坏的过流情况的方法，包括以下步骤：(a)确定一组至少三个安全阈值，每个阈值包括最大电流水平及其最大允许时间，所述阈值根据所述固态继电器的安全功率消耗能力来限定；(b)测量流过所述固态继电器的电流；(c)将所测得的电流与所述至少三个安全阈值中的每一个进行比较；(d)确定所述测得的电流是否超过所述至少三个安全阈值中的至少一个的最大电流水平；(e)如果所述测得的电流超过所述至少三个安全阈值中的所述至少一个的所述最大电流水平，则确定所述电流是否已经存在超过针对该阈值定义的最大允许时间的时间段，并且如果已经超过所述最大允许时间阈值则关闭所述至少一个固态继电器中的每一个；(f)针对所述至少三个安全阈值中的每一个重复步骤(e)；以及(g)重复步骤(b)至(f)。
附图说明
现将仅通过示例的方式，参照附图来描述本发明的优选实施方式，其中：图1是用于HVAC系统的控制装置的示意图；
图2是图1的控制装置的部件的框图；
图3是图1的控制装置的继电器组件的框图；
图4是流经图1的控制装置的输出的电流的示意图；以及
图5是控制装置20中所使用的固态继电器的电源、关断电路和FET的示意图。
具体实施方式
在图1中的20处总体上标示了根据本发明的控制装置。控制装置20包括具有正面28的外壳24，该正面28至少包括透明的部分32，并且通过透明的部分32可以查看触摸屏36以及与触摸屏36交互。正面28还可以包括运动传感器40，该运动传感器40能够用作占用传感器，检测用户的存在和/或接近控制装置20。印刷电路板(PCB)位于壳体24内，并且控制装置20的大部分或全部硬件安装在PCB上或安装至PCB，这将会在下文更详细讨论。
触摸屏36可以显示多种信息，包括操作消息、图标、控件和菜单等。例如，触摸屏36可以显示：指示出当前操作模式(诸如加热或冷却)的图标44；诸如湿度水平48和温度52等测量值；诸如输入滑块56等用户界面元素，以允许输入诸如温度等期望参数或者参数的期望范围；可以向用户显示相关消息的消息窗口60；以及可以调用附加菜单(64)、诸如户外天气等信息(68)和附加设置菜单(72)的其他用户界面控制图标64、68和72。
对于本领域技术人员显而易见的是，除了上述示例之外，可以按多种方式配置和使用触摸屏36，从而向用户提供相关信息以及/或者允许用户以多种方式与控制装置20交互。
图2示出了控制装置20的硬件的框图，其大部分或全部可以安装在PCB 42上。控制装置20包括至少一个处理器100、非易失性RAM 104和易失性RAM 108，所述处理器100可以是微控制器、微处理器或本领域技术人员想到的任何其他合适的器件。对本领域技术人员显而易见的是，根据需要，RAM 104和RAM 108中的任一个或全部两者可以与处理器100集成，或者可以是单独的分立器件或部件。
通常，非易失性RAM 104将会储存用于由处理器100执行的一个或多个程序以及与程序的执行有关的各种参数，而易失性RAM 108将会储存程序所需的数据和工作值。
触摸屏36与运动传感器40一样可操作地连接到处理器100，并且控制装置20还包括未示出的实时时钟，该实时时钟为处理器100中提供的辅助装置，或者作为单独部件。
控制装置20还包括至少一个环境传感器112，该环境传感器112至少是温度传感器，但还可以包括确定所要控制和/或监测的相应环境情况的其他环境传感器，诸如湿度传感器。通常，控制装置20中的环境传感器112将会至少包括温度传感器和湿度传感器。
无线通信模块116可操作地连接到天线120和处理器100，以允许处理器100经由诸如WiFi、蓝牙、ZigBee、Zwave、蜂窝数据等至少一个无线通信协议而与诸如因特网等通信网络和/或附加的外部传感器(未示出)通信。
具体设想到，无线通信模块116将会允许至少一个远程传感器、并且优选地一个以上的远程传感器来确定和报告控制装置20所安装于的受控场所内的其他位置处的温度和/或湿度，以及优选地这些受控场所的外部环境的温度。
无线通信模块116还允许控制装置20与基于因特网的服务(诸如天气服务器、远程监测系统、数据记录服务器等)通信，以及与控制装置20的用户远程使用的应用通信，以监测和控制受控场所的环境状态。
现在对于本领域技术人员显而易见的是，控制装置20进行操作以执行其编程和以及监测多种环境因素和其他情况和数据，并将这些因素和情况与通常由控制装置20的用户指定的一组期望值或期望值范围进行对比。当监测值从期望值改变多于选定量时，控制装置20将会操作所述场所的HVAC设备的一个或多个合适的子系统以改变一个或多个相应的环境因素以便更接近期望值。
例如，如果受控场所中的温度低于用户选定的目标温度，则控制装置20可以启用加热炉(或其他加热系统)以升高温度，并且继而在达到目标温度时停用HVAC设备。如果受控场所中的温度高于目标温度，则控制装置20可以启用空调系统(或通风系统等)以降低温度等。
因此，控制装置20还包括继电器组件140，以向HVAC子系统或由控制装置20控制的任何其他装置提供合适的控制信号，并且继电器组件140通过信号总线122可操作地连接到处理器100，使得处理器100可以改变继电器组件140的输出状态(在下文更详细描述)。在控制装置20中采用继电器组件140是因为继电器组件140的至少一些输出需要比处理器100可以直接提供的输出更大的功率水平和/或不同的电压。
虽然本文为了说明和清楚起见，将继电器组件140图示为单个子系统，但应当理解，继电器组件140并不仅限于此，并且实际上继电器组件140的功能可以通过安装在PCB42上的各个位置并且根据需要通过合适的PCB布线连接的合适的部件来实现。
如果使用控制装置20来控制HVAC系统的操作，则这样的系统通常包括多个(常常为六个或更多个)控制信号线和电源线。对于电源线而言，一些HVAC系统具有为加热和制冷操作输出24VAC的单个变压器，而其他HVAC系统具有单独的加热变压器和冷却变压器，其中每一个变压器都输出24VAC。在后一种情况下，如图3中所示，电力线“Rh”是HVAC系统的加热相关变压器的连接到控制装置20的“热”侧，并且电力线“Rc”是冷却相关变压器的连接到控制装置20的“热”侧。
在具有单个变压器的HVAC系统的前一种情况下，在本发明中，该变压器的热侧可以通过可选的跨接线142而内部跨接，以在控制装置20内提供Rc电力线和Rh电力线。在许多情况下，如果需要，还可以使用Rc电力线或Rh电力线来向控制装置20供电，或者可以采用单独的电源。在图3中，Rc线用于向控制装置20的其余部分供电。
公共线(未示出)连接于一个变压器(或多个变压器—如果存在两个或更多个变压器)的一个或多个其他侧与控制装置20之间以完成电源电路。
来自控制装置20的典型控制信号线可以包括：用于控制空气循环风扇的“G”线；用于控制热泵换向阀的“O/B”线；用于控制A/C或热泵压缩机的“Y”线(或者Y1线和Y2线)；用于控制热泵的加热炉或辅助加热器的“W”线(或者W1线和W2线)；以及用于控制诸如除湿器、加湿器、通风机等附件的“ACC”线。在图2中，在继电器组件140上示出了五个输出端子(G、O/B、Y、W、ACC)，但还可以根据需要提供不同的端子和/或更多或更少数目的输出端子。
虽然继电器组件140可以采用机电式继电器来使相应的端子通电或断电，但由于多种原因，这并不是优选的，这些原因包括：操作噪声；功耗和发热；可靠性；大小；以及费用。相反，在所示实施方式中，继电器组件140采用诸如基于FET的继电器等固态继电器来响应于来自处理器100的控制信号而向端子提供控制信号或移除该控制信号。
可能影响控制装置20的操作和精度的已知因素之一是由控制装置20的操作产生的自热。例如，处理器100、无线通信模块116、触摸屏36的背光(其优选地配备有背光系统)和继电器组件140都产生废热(通常称为整体加热(bulk heating))作为其操作的不可避免的副产物。这种整体加热发生在控制器20的壳体24内，并且因此环境传感器112(其也位于壳体24内或上)通常将会报告比壳体24外的环境中的环境温度更高的温度，从而导致控制装置20的温度控制不良或错误。
因此，已知对由控制装置的内部传感器测量的温度施加补偿因子，以移除整体加热对这些温度测量值的影响。在转让给本发明的受让人的Metselaar的美国专利9,016,593中描述了一种这样的补偿系统。
在Metselaar专利中，通过动态测量由Metselaar控制装置的电源供应给Metselaar控制装置的电流和电压以确定供应给控制装置和受控硬件(接触器等)的功率的标称值来进行补偿。继而使用该确定的标称功率供应值从这样的温度偏移值的预定表中选择对应的温度偏移值。这些偏移值已被预先确定用以将供应给控制装置的功率与预期对应地发生在控制装置内的整体加热关联起来。继而从控制装置壳体内的温度传感器获得的温度值中减去选定的偏移值，以针对控制装置内的整体加热来补偿测得的温度值。
虽然这些现有技术，特别是Metselaar技术已经提高了智能恒温器的操作精度，但它们仍然产生精度比原本所期望的更低的结果。例如，受控子系统/硬件的实际功耗可能在设施之间显著不同，从而影响用于创建预定偏移值的基本假设(并因此影响准确度)。
此外，当以不同模式和/或不同的活动(active)输出和非活动(inactive)输出进行操作时，控制装置的实际整体加热的差异可能显著变化，并且因此仅测量供应给控制装置的功率不能以期望的准确度提供整体加热温度补偿。
特别地，如本领域技术人员所熟知，诸如固态继电器(诸如基于FET的继电器)等许多装置产生与流过它们的电流的平方成正比的整体热量。因此，虽然由控制装置的一些部件(例如，触摸屏背光)的操作产生的整体热量值将会线性地变化并且可被预先确定和储存以供计算补偿因子，但无法容易地准确预测固态继电器内由其部件和印刷电路板布线的电阻产生的整体热量，原因在于整体热量将会相对于流过每个固态继电器和关联的电路板布线的电流的平方(即，非线性)变化，而这转而取决于连接到由相应的继电器控制的端子的负载。
如上文所述，在HVAC系统中，连接到控制装置的端子的负载通常可能在不同的设施之间显著不同。例如，在一个HVAC系统中，连接到W1端子的负载(接触器)的电流可以是3.5安培，而在另一HVAC系统中，连接到W1端子的负载电流只能是1.5安培。显而易见的是，处理3.5安培负载的固态继电器和电路布线所产生的整体热量比相同的固态继电器和电路布线在处理1.5安培负载时所产生的整体热量大五倍以上。
因此，已经证明难以在现有技术的诸如智能恒温器等控制装置中提供期望准确度水平的整体加热温度补偿，并且虽然不及最佳结果，但在过去已经采用各种假设和/或平均值来针对此类系统做出这样的补偿计算。
相比之下，本发明人已经确定，通过测量提供给继电器组件140的相关端子的实际电流，可以实现多个优点，包括获得对控制装置20中产生的整体热量的更准确的确定，从而允许对由环境传感器112测量的温度的更准确的整体加热量补偿。
现在回到图3，图中更详细地示出了继电器组件140。继电器组件140经由信号总线122连接到处理器100的一个或多个端口，并且可以具有用于连接到相关HVAC装置的多种输出端子。在图中，为了清楚起见，仅示出了W1端子、W2端子、Y端子和G端子，但对于本领域技术人员显而易见的是，可以根据需要而包括多种其他端子。继电器组件140还包括向继电器组件140供电(即，Vcc)并因此向控制装置20供电的Rh电源端子和Rc电源端子或等效端子中的至少一个。
继电器组件140的每个输出端子(W1、W2、Y、G)由相应的开关144、148、152和156控制，所述开关144、148、152和156在本实施方式中是由处理器100控制的、基于FET的固态继电器。每个开关144、148、152和156具有作为信号总线122的一部分的相应的启用信号(W1On、W2On、Y On和G On)。
Vcc经由两个电力总线、特别是Rh总线160和Rc总线164中的一个提供给上述开关144、148、152和156。供应到Rh总线160的电力流过电流监测装置168，并且类似地，供应到Rc总线164的电力流过电流监测装置172。
尽管在图3中示出了各自具有对应的电流监测装置的两个电力总线，但本发明并不仅限于此，并且设想到在可选实施方式中，继电器组件140可以包括单个电力总线和相关联的电流监测装置，或者如果需要，可以采用具有对应的关联电流监测装置的三个或更多个电力总线，包括针对每个输出端子具有单独的电力总线和关联的电流监测装置的实现方式。
还设想到，除了具有关联的电流监测装置的电力总线之外，继电器组件140可以包括一个或多个不包括关联的电流监测装置的电力总线，用于在其中由这些电力总线供电的输出的功率需求是固定的或以其他方式已知的并且因而向这些输出供应的电流是预定的或以其他方式已知的情况。
再次返回到图3，如上所述，Rh总线160通过电流监测装置168连接到Rh电源端子，该电流监测装置可以是本领域技术人员想到的用于监测电流的任何合适的装置。在所示的实施方式中，电流监测装置168经由信号总线122向处理器100提供输出电压信号RhCurrent，并且RhCurrent电压信号与经过电流监测装置168流向Rh电力总线160以及与之相连的开关144和148的电流成比例。电流监测装置168还优选地但不是必需地经由信号总线122向处理器100提供故障逻辑信号RhFault(下文讨论)。
类似地，Rc总线164通过与电流监测装置168类似的电流监测装置172连接到Rc端子，电流监测装置172经由信号总线122向处理器100提供输出电压信号RcCurrent，并且RhCurrent电压信号与经过其流向Rc总线164以及与之相连的开关152和156的电流成比例。电流监测装置172还优选地但不是必需地经由信号总线122向微处理器100提供故障逻辑信号RcFault(下文讨论)。在所示的实施方式中，Rc还向控制装置20的其余部分提供操作电力(Vcc)，并且在电流测量装置172之前供应该电力。
例如，在操作中，处理器100可以通过断言(asserting)“W1On”信号线从而闭合开关144，使W1端子连接到Rh端子，并因此经由Rh总线160通电。类似地，断言“G On”信号线将会闭合开关156，从而使G端子连接到Rc总线164。
通过监测由电流监测装置168和172测量的电流，处理器100可以计算经过相应的电力总线160和164流向开关144、148、152和156等的电流量，并且可以计算由流过相应的开关和对应的PCB布线的电流产生的整体热量的值。
在简单情况下，处理器100可以具有与每个开关144、148、152和156相关联的预定义总电阻值，每个预定义总电阻值是相应的PCB电路布线电阻和相应开关上的电阻之和。
在这样的情况下，处理器100首先确定由相应的电流监测装置报告的流过每个启用的开关的总电流量(如下文进一步描述)。当确定出流过每个启用的开关的相应电流时，处理器100可以针对每个启用的开关通过确定分配给启用的开关的电流的平方乘以相应的启用的开关的预定总电阻值的乘积并将这些确定的值相加，来计算继电器组件140内产生的整体加热。
一旦确定了在继电器组件140内产生的整体加热，则将该值与在控制装置20的其余部分中产生的整体加热相加，以获得壳体中整体加热的确定的和。该后一个值通过确定提供给控制装置20的其余部分的电压和电流(这些值由未示出的其他电流传感器和电压传感器确定)来确定，并且这些确定值的乘积表示在控制装置20中产生的整体加热，而不是在继电器组件140中产生的整体加热。继而使用壳体中的整体加热值的确定的和来选择要向环境传感器112测量和报告的温度施加的补偿因子，以获得经补偿的温度值，所述经补偿的温度值表示控制装置20周围环境的温度，以及当采用控制装置20来管理环境温度和/或相对湿度时由控制装置20使用。
确定经过每个总线流向在总线上启用的相应开关的测得电流的分配通过如下所述来实现。图4示出了流过总线160的理想电流的表示，其在本示例中仅包括两个开关144和148。可以看出，流过的总电流IRhBus是流过开关144的电流(即IW1)(如有)和流过开关148的电流(即IW2)(如有)之和。因此，在理想情况下，由总线160产生的整体加热等于经过开关144的电流的平方(IW1 2)乘以开关144及其关联的PCB布线的总电阻(统称为RW1)加上经过开关148的电流的平方(IW2 2)乘以开关148及其关联的PCB布线的总电阻(统称为RW2)。在这种理想情况下，如果在仅启用单个开关时测量IRhBus，则流过该开关的电流等于IRhBus，并且可被测量和储存用于后续使用，以确定当启用多于一个开关时相应的开关之间的测得电流IRhBus的适当分配。
因此，例如，如果在仅启用开关144时测得IRhBus为2安培，则认为电流IW1为2安培(IW1＝IRhBus)，并且处理器100将会储存该值以备将来使用。当开关148随后也被启用并且电流监测装置168测得电流IRhBus为3.5安培时，处理器100检索电流IW1的存储值(即，2安培)，并从测量值中减去存储值，以确定电流IW2为1.5安培，然后继而用这些值进行上述的整体加热计算。
然而，许多(如果不是大多数)HVAC系统采用具有显著内阻(即，铜损耗等)的廉价变压器，并且其被供应的电压随着从变压器汲取的功率的增加而降低。因此，为了获得对流过每个开关的电流的更准确的确定，在本发明的优选实施方式中，当确定流过每个启用的开关的电流时，还将电源电压的这种变化性纳入考虑。
例如，RhBus上的电源电压(VRhBus)的标称值为24VAC。当启用开关144并且电流经过其流向负载时，可以测得IW1为2A，并且可以测得VRhBus为23.5VAC(通过未示出的电压传感器测得)，并且由处理器100储存这些值。优选地，这是动态过程，并且以规则的间隔重复以快速识别HVAC子系统的操作情况和/或控制装置20的操作的任何变化。在本发明的一个实施方式中，该过程每5秒重复一次。
如果还启用开关148并且电流经过其流向负载，则现在可以测得IRhBus为3.5A，并且现在可以测得VRhBus为22VAC。根据这些值和由处理器100储存的先前确定的VRhBus和IW1的值，处理器100可以估计在这些情况下IW1的新值是2A×22V/23.5V＝1.87A，并且因此IW2在VRhBus＝22V时为3.5A–1.87A＝1.62A，并且处理器100储存这些新值。
对于本领域技术人员显而易见的是，如果在RhBus上启用另一开关X(未示出)并且测得IRhBus为5A且测得VRhBus为20V，则由于处理器100已经储存了在VRhBus＝22V时，IW1的1.87A的值和IW2的1.62A的值，因此处理器100可以确定在VRhBus＝20V时IW1＝1.87A×20V/22V＝1.7A，IW2＝1.62A×20V/22V＝1.47A和IX＝5A-1.7A-1.47A＝1.83A，并且处理器100也将会储存这些值。
当停用开关时，执行类似的计算。在上面的示例中，当停用开关148时，从先前的测定已知IW2为1.47A，并且现在可以测得VRhBus为23V。因此，系统继续衡量其余的电流，并且确定IW1＝1.7A×23V/20V＝1.955A以及IX＝1.83A×23V/20V＝2.1045A。
对于本领域技术人员显而易见的是，由于多种原因(即，舍入误差、漂移等)，所确定的电流值可能不是由电流监测装置168和电流监测装置172报告的测得电流的精确总和。因此，每次电流监测装置168和电流监测装置172向处理器100报告测得电流时，向所确定的流经每个相应的开关的电流成比例地添加所确定的电流的总和与每个电力总线上的测得电流之间的差异。换句话说，如果开关144和开关148在RhBus 160上是活动的，并且已经确定IW1为1A且已经确定IW2为2A，而电流监测装置168所报告的电流为3.1A，则处理器100将2/3.1×0.1A添加到IW2的确定值以得到IW2＝2.0645A，并将1/3.1×0.1A添加到IW1的确定值以得到IW1＝1.03225A。
优选地，以规则的间隔(在控制器20的电流实现方式中，每5秒)以及在每次在相应的总线上启用或停用开关时进行对确定的电流的这种调整。
现在显而易见的是，通过确定流过继电器组件140的固态开关的电流以及计算由此在壳体24内产生的整体加热，并且将该值与在壳体24内其他各处产生的整体加热的确定值相结合，控制装置20能够以高准确度补偿由环境传感器116得到的温度测量值。
本发明的另一优点是能够为继电器组件140中的开关提供改进的过流保护。具体而言，诸如固态继电器144、148、152和156等开关可能被过流事件损坏，并且即使是短暂的过流事件也可能对固态继电器(诸如用FET实现的那些固态继电器)造成致命损坏。因此，处理器100可以监测IRhBus和IRcBus，并且可以在相应的测得电流超过预选的最大允许电流值的情况下停用对应的开关。这可以减少开关144、148、152和156由于诸如错误安装时的电短路或导致暂时过流情况的其他特殊情况等事件而遭到损坏的概率。
实现这样的过流保护方案的挑战之一在于，预期控制装置20要在连接到多种HVAC装置和子系统时发挥作用。通常，这样的HVAC装置由接触器或其他控制装置来控制，这些控制装置是继电器组件140的输出端子上的电感负载。众所周知，当移除电力时，电感负载往往会由于其感应磁场崩溃而产生电压尖峰。在通常以标称24VAC操作的HVAC系统中，这样的电压尖峰达到或超过100VAC并不罕见。
因此，控制装置20需要能够可靠地区分可以导致开关和/或连接的设备损坏的意外故障状况与可以容忍的正常操作状况(瞬时)过流事件。在检测到故障状况时，控制装置20将会继而足够迅速地停用受影响的开关，以防止对开关和连接的设备造成损坏。
理想地，任何保护系统应当操作以便：在开关或连接的设备发生任何损坏之前，停用经受过流状况的开关；如果流经开关的稳态电流超过预定阈值，则停用开关；允许经受不会损坏开关或连接的设备的瞬时过载状况的开关保持活动；以及允许经受重复但不足够频繁的过载电流瞬变的开关保持活动。
由于当FET必须在过长一段时间内消耗过多功率时会发生对FET的损坏，从而使FET结的操作温度升高到使该结损坏的水平，因此必须考虑所消耗的功率的量和FET消耗该功率的时间。
本发明人已经确定，使用用于检测过流事件的单个固定阈值来解决所有期望的保护场景是不实际的。相反，本发明人已经建立了如下所述触发的一组阈值。
首先，本发明人研究在开关144、148、152和156中采用的FET的具体特性，以确定在不会致使FET超过将会使其遭受损坏的操作温度的情况下，FET在给定时间内可以消耗的最大功率水平。这样的信息通常可从FET制造商提供的数据表获得或者可以凭经验确定等。
在控制装置20中，将相应的电流监测装置168和电流监测装置172所确定的流过每个总线的电流以规则的间隔报告给处理器100，并且在本实现方式中，每1ms报告一次这些电流。假设如果流过相应总线的电流超过预定阈值，则如下文所述，应当停用该总线上的所有启用的开关，以确保不会对开关或附接的设备造成损坏。对于本领域技术人员显而易见的是，这是一种保守的保护策略，原因在于可以在被确定为处于过流状况的总线上启用两个或更多个开关的情况下，仅一个开关可能正在供应过量电流并且因而容易受到损坏，但本发明人采用了停用总线上的所有启用的开关的保守策略，因为这需要更少的处理，并且因此可以更快地实现。显而易见的是，如果有额外的计算资源可用或者如果预期的故障模式是非常不同的，则可以替代地采用仅停用正在供应过量电流的开关的策略。
在具体示例中，确定了在预期标称操作温度下的开关(144、148、152、156等)中的FET可以在基于60Hz AC周期时间下容忍以下峰值电流：对于1/2AC正弦波(周期)为15.6安培；对于全AC正弦波(周期)为13.36安培；对于两个全AC正弦波为12.2安培；对于四个全AC正弦波为11.2A；以及对于八个全AC正弦波为9.96安培。
根据该信息，本发明人确定了针对最大测得总线电流(Ipeak)的五层安全阈值集合：
(1)如果总线的Ipeak超过12.5安培，则立即停用相应的总线开关；
(2)如果对于一个完整AC周期，总线的Ipeak小于12.5安培但大于12安培，则停用相应的总线开关；
(3)如果对于多于两个完整AC周期，总线的Ipeak小于12安培但大于11安培，则停用相应的总线开关；
(4)如果对于多于四个完整AC周期，总线的Ipeak小于11安培但大于10安培，则停用相应的总线开关；
(5)如果对于多于七个完整AC周期，总线的Ipeak小于10安培但大于3.5安培，则停用相应的总线开关；以及
(6)总线的Ipeak在0安培与3.5安培之间被认为是标称操作状态。
在当Ipeak增加到较高安全阈值之前超过了小于最大允许周期数目下的较低安全阈值的情况下，将会把在超过较低安全阈值期间的周期数目的计数添加到在较高安全阈值下经历的周期的计数。例如，如果Ipeak在两个周期为(阈值(5)所允许的七个周期中的)5安培，并且继而Ipeak增加到10.5安培，则在Ipeak仅在两个额外周期(对于阈值(4)定义的总共四个AC周期)内保持超过10安培的情况下就认为阈值(4)被触发。
此外，在任何超过安全阈值但不触发安全阈值的情况下，即，Ipeak为一个周期10.5安培，Ipeak在预定数目的AC周期(在当前实现方式中总共7个周期)必须低于标称值(即，在本示例中为3.5安培)，以允许FET中的半导体结冷却到更安全的水平。
显而易见的是，在安全阈值中使用的实际值将会基于开关144、148、152和156中所采用的具体FET、控制装置20将要在其中操作的预期环境温度、AC频率(60Hz或50Hz)等而不同，并且在半导体装置电路设计领域的技术人员的正常范围内，能够确定针对特定一组FET和/或特定一组预期操作情况的最大功率消耗水平，从而为该组安全阈值产生适当的值。
此外，根据预期操作情况，设想到可以根据需要在所述组内定义更少或更多数目的安全阈值。
在操作中，处理器100监测流过每个总线(RhBus 160和RcBus 168)的电流，并且将所监测到的最大电流值(及其处于感兴趣水平上的AC周期数)与预定义的一组安全阈值进行比较。当经过开关的电流超过安全阈值时，处理器100将会停用相应的开关上的启用的开关，以防止该总线上的开关中的FET变得过热并因此被损坏。
作为额外的保障，电流监测装置172和176中的每一个优选地分别具有逻辑输出Rcfault和Rhfault，所述逻辑输出Rcfault和Rhfault在穿过相应的电流监测装置的电流高达足以使装置中的传感器饱和时是活动的。在优选实施方式中，处理器100将Rcfault和/或Rhfault当作由处理器100服务的中断，并且中断服务例程可以立即开始停用连接至其对应的电流监测装置160、164报告故障的相应的Rh总线160或Rc总线164的继电器组件140中的所有开关。在已经停用相应的开关之后，处理器100可以尝试以安全的方式重新启用开关。
通过作为中断而不是作为必须由A/D转换器(作为处理器100的部件提供或作为单独部件提供)数字化的模拟输入信号来处理Rcfault和Rhfault，处理器100可以比必须执行A/D转换器的采样和保持周期的情况快得多地关闭相关开关。因此，在严重过流事件的情况下，能够以非常快的速度实现关闭。
当由于故障或其他不期望情况而期望停用开关时，期望开关的关闭快速进行。众所周知，当移除对FET的栅电压时，为了关闭FET，FET从饱和操作模式经过线性操作模式并继而变为关闭。由于FET的电阻特性，当其处于线性模式时会消耗大量功率，因此重要的是在过流情况下，FET尽可能快地过渡经过线性模式区。
图5示出了控制装置20的开关144的示意图。如图所示，开关144包括连接于VRhBus与负载之间的两个FET 200和204。在控制器20中，用于对处理器100和其他数字部件供电的电压为3.3V，而激活FET 200和204的栅极所需的电压为10V。
因此，控制器20采用电荷泵电路208来为每个开关的栅极供电。电荷泵电路208从处理器100接收PWM电压212，以及根据PWM电压212的占空比而向开关144的栅极提供介于0与适当选择的最大电压之间的电压。对于本领域技术人员显而易见的是，PWM电压212对应于用于经由信号总线122启用开关144的W1ON逻辑信号，其中零占空比对应于开关144被停用，而适当选择的占空比(例如，80％)对应于用以启用开关144的适当电压。
虽然电荷泵电路208以及与继电器组件140中的每一其他开关相关联的对应的电荷泵电路提供对所对应的FET的栅电压的必要控制，但它们的缺点在于，当需要停用开关144时，作为电荷泵电路208的一部分而采用的电容器以及将其与电荷泵电路208的其他部件连接起来的PCB布线的电容阻止了电荷泵电路208的输出足够快地移动到零电压以根据需要而使所连接的FET尽可能快地移过其线性操作区。
因此，电荷泵电路208还配备有快速关断电路216，该快速关断电路216如此操作使得：当电荷泵208的输出电压下降到阈值以下—略低于施加到FET 200和204的激活栅极的正常“启动”电压，快速关断电路将会发挥作用以将电荷泵电路208的正输出连接到负输出，从而快速消耗电荷泵电路208和相应的FET栅极中的任何剩余电荷，以及使电压输出为零并从而使FET 200和204快速经过其线性操作区移动到其关闭状态。
包括基于FET的开关的继电器组件140中的每个开关类似地配备有等效的电荷泵电路和快速关断电路，使得当超过上述一个或多个预定阈值时，处理器100可以关闭继电器组件140中的相应开关，并且关闭将会足够快地发生，以防止对相应的FET的损坏。
现在显而易见的是，本发明提供了一种新颖的控制装置，诸如智能恒温器，其采用固态继电器作为开关来启用和停用由该装置控制的系统，诸如HVAC风扇、压缩机等。监测经过固态继电器流向所述受控系统中的至少一些系统的电流，以确定在固态继电器及其关联电路和印刷电路板布线中产生的整体热量，并且使用这一确定的整体热量连同其他确定的整体加热值来补偿由受整体热量影响的控制装置内的温度传感器所提供的读数。
此外，通过测量流向控制器20中的每个电力总线的电流，可以将可能造成损坏的过流状态与允许的瞬时过流状态加以区分，并且控制装置可以停用任何将会遭受损坏的固态继电器，同时允许正在经受允许的瞬变的固态继电器保持操作。在严重过流状态的情况下，电流监测装置可以发出故障信号，从而触发中断情况，这将会导致控制器中的处理器非常快速地关闭受影响的固态继电器。
本发明的上述实施方式旨在作为本发明的示例，并且本领域技术人员可以对其进行更改和修改，而不脱离仅由本文所附权利要求限定的本发明的范围。

Claims (8)

1.一种用于根据控制程序来控制一个或多个电气子系统的控制装置，包括：
壳体；
储存操作程序的存储器；
所述壳体内的至少一个环境传感器，用于确定所述壳体内的温度；
至少两个固态继电器，所述至少两个固态继电器的每一个在被启用时能够操作以将相应的电气子系统连接到电源，并且当被停用时能够进一步操作以从所述电源断开所述相应的电气子系统，所述至少两个固态继电器的每一个具有预定的相应电阻；
至少一个电流测量装置，用于确定当所述相应的固态继电器被启用时从所述电源流向所述相应的电气子系统的总电流；以及
处理器，其能够操作以执行所述操作程序，以便：确定流过所述至少两个固态继电器的每一个的所确定的总电流的比例；确定由所确定的总电流比例和相应的预定电阻产生的整体加热量，从而获得确定的整体加热量；将所确定的整体加热量与其他部件在所述壳体中产生的整体加热量相加，以获得所述壳体中的整体加热的确定的总和；以与所述壳体中的整体加热的确定的总和相对应的量来补偿所确定的温度值，以获得经补偿的确定的温度值。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其中每个相应的电气子系统是HVAC子系统的一部分。
3.根据权利要求2所述的控制装置，其中每个相应的固态继电器包括：一对FET；用于从所述处理器向所述FET的栅极供给控制电压的电荷泵；以及快速关断电路，其能够操作以在所述快速关断电路检测到所述控制电压小于预定义值时将所述电荷泵的输出接地。
4.根据权利要求1所述的控制装置，其中所述处理器监测由所述至少一个电流测量装置报告的所确定的总电流的值并且将该值与包括电流值和允许时间值的一组预定义阈值进行比较，并且如果在多于对应的允许时间值的时间超过阈值，则所述处理器停用所述至少两个固态继电器。
5.一种使用控制装置来控制包括至少两个电气子系统的HVAC系统的方法：
使用位于所述控制装置的壳体内的温度传感器来测量温度；
确定由所述壳体内的部件和功率流产生的整体加热的总和，包括以下步骤：
测量经过至少两个固态继电器流向相应的电气子系统的电流，每个相应的电气子系统具有预定的相应电阻；
确定流过所述至少两个固态继电器的每一个的总电流比例；
确定由所确定的总电流比例和相应的预定电阻产生的整体加热量，从而获得确定的整体加热量；
确定对应于由所述壳体内的其他部件产生的整体加热的整体加热值；
对所有确定的整体加热值求和以获得总整体加热值；
鉴于确定的总整体加热值，补偿测得的温度，以获得补偿温度值。
6.根据权利要求5所述的方法，其中每个相应的固态继电器包括：一对FET；用于从所述控制装置的处理器向所述FET的栅极供给控制电压的电荷泵；以及快速关断电路，其能够操作以在所述快速关断电路检测到所述控制电压小于预定义值时将所述电荷泵的输出接地。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述控制装置的处理器监测由所述控制装置的至少一个电流测量装置报告的所确定的电流的总量的值并且将该值与包括电流值和允许时间值的一组预定义阈值进行比较，并且如果在多于对应的允许时间值的时间超过阈值，则所述处理器停用所述至少两个固态继电器。
8.一种保护连接于负载与控制装置内的电力总线之间的至少一个固态继电器免受潜在会造成损坏的过流情况的方法，包括以下步骤：
(a)确定一组至少三个安全阈值，每个阈值包括最大电流水平及其最大允许时间，所述阈值根据所述固态继电器的安全功率消耗能力来限定；
(b)测量流过所述电力总线的电流；
(c)将所测得的电流与所述至少三个安全阈值中的每一个进行比较；
(d)确定测得的电流是否超过所述至少三个安全阈值中的至少一个的最大电流水平；
(e)如果测得的电流超过所述至少三个安全阈值中的所述至少一个的所述最大电流水平，则确定所述电流是否已经存在超过针对该阈值定义的最大允许时间的时间段，并且如果已经超过所述最大允许时间阈值则关闭所述至少一个固态继电器中的每一个；
(f)针对所述至少三个安全阈值中的每一个重复步骤(e)；以及
(g)重复步骤(b)至(f)。
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