CN112740536A

CN112740536A - 具有电动机的致动器和控制电动机以维持当前位置的方法

Info

Publication number: CN112740536A
Application number: CN201980058029.6A
Authority: CN
Inventors: S·维尔德哈贝尔; B·施魏格霍费尔
Original assignee: Belimo Holding AG
Current assignee: Belimo Holding AG
Priority date: 2018-09-07
Filing date: 2019-09-05
Publication date: 2021-04-30
Also published as: WO2020049079A1; EP3847744A1; US11888429B2; US20210313911A1; US20240171096A1

Abstract

为了控制电动机以维持当前电机位置，电动机控制器确定电动机的当前电机位置，并从由电动机的齿槽转矩限定的稳定位置的集合中选择（S41）最接近当前电机位置的所选稳定位置。控制器控制电动机的电机转矩，以将电机位置（S4）维持在所选稳定位置周围的限定范围内。

Description

具有电动机的致动器和控制电动机以维持当前位置的方法

技术领域

本发明涉及一种具有电动机的致动器和一种控制电动机以维持当前位置的方法。具体地，本发明涉及一种致动器，其包括具有齿槽转矩的电动机和被配置为控制电动机的操作并确定电动机的电机位置的控制器，并且涉及一种控制电动机以将供暖、通风和空调（HVAC）系统的致动部件驱动到目标位置并维持当前电机位置的方法。

背景技术

致动器，其包括与用于控制电动机操作的控制器相连接的电动机，被用在其中部件需要由电动机以受控方式致动的许多应用领域中。特别地，在其中需要将机械部件致动到限定的位置和/或取向的应用中，致动器配备有控制器，该控制器被配置为确定电动机的当前电机位置并控制电动机的操作，诸如分别将电动机或致动部件移动到设置的目标位置和/或取向。应用的示例包括致动和定位流体导管或端口的阻尼器或百叶窗、调节阀的构件，例如球阀中的球或圆盘阀中的圆盘等。在其中存在动态改变的外部影响和力——例如进气端口的百叶窗上的风、流体输送系统中变化的压力等——影响致动部件的场景和情形下，电动机或致动部件的当前位置必须分别被连续监视，并在必要的情况下被重新调整，以便维持设置的目标位置。在存在对致动部件的外力和影响的情况下，分别维持电动机或致动部件的目标位置可能需要显著量的电能。对于电动机的实际操作，固有的齿槽转矩是另外不合期望的影响因素。电动机的齿槽转矩是由于在转子的永磁体与定子槽之间的相互作用的结果而产生的。齿槽转矩在较低速度下尤为突出，并且可以被观察为断续或不平稳的移动。

EP 2491640描述了一种具有齿槽转矩的无刷直流电机。

在用于传输旋转、离合器和制动器的联接器领域中，DE 19843123描述了一种用于机动车辆的电制动器。DE 19843123的电制动器具有块式制动功能，该块式制动功能由明显的定子和转子磁极产生，并施加限定的阻挡电流以将磁极带入闭锁位置。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有电动机的致动器和一种控制电动机以将HVAC系统的致动部件驱动到目标位置并维持当前位置的方法。特别地，本发明的目的是提供一种具有拥有齿槽转矩的电动机的致动器，以及一种控制电动机以将HVAC系统的致动部件驱动到目标位置并维持当前电机位置的方法，由此可以减少对于维持目标位置所需的至少一些电能。

根据本发明，以上提及的目的具体是在一种致动器中实现的，该致动器包括具有齿槽转矩的电动机和被配置为控制电动机的操作并确定电动机的电机位置的控制器，该控制器包括电路，该电路被配置为控制电动机，以通过以下将HVAC系统的致动部件驱动到目标位置并维持当前电机位置：从由齿槽转矩限定的稳定位置的集合中确定最接近当前电机位置的所选稳定位置，以及控制电动机的电机转矩以将电机位置维持在所选稳定位置周围的限定范围内。例如，电动机是无刷直流电机。

在实施例中，电路被配置为只要当前电机位置在所选稳定位置周围的限定范围内，就减小电机转矩。

在另外的实施例中，该电路被配置为当电机转矩已经减小到零并且当前电机位置在所选稳定位置周围的限定范围内时，将电机转矩保持为零。

在实施例中，该电路被配置为在当前电机位置已经移动到所选稳定位置周围的限定范围外部时，增加电机转矩以将电机位置返回到所选稳定位置周围的限定范围内。

在另外的实施例中，该电路被配置为记录在当前电机位置已经达到所选稳定位置周围的限定范围的边界时的电机转矩值，增加电机转矩以使电机位置返回到所选稳定位置周围的限定范围内，以及只要当前电机位置在所选稳定位置周围的限定范围内，就减小电机转矩，使用所记录的电机转矩值来确定减小电机转矩的极限。

在实施例中，该电路被配置为通过以下来确定稳定位置的集合：控制电动机以增量步长移动，确定电机转矩以将电机位置维持在增量步长处，以及从增量步长确定需要最小电机转矩来维持电机位置的稳定位置的集合。

在另外的实施例中，致动器进一步包括电能存储器，该电能存储器被配置为在电力故障的情况下将电动机驱动到限定的安全位置。

除了致动器之外，本发明还涉及一种用于HVAC系统的阻尼器，包括阻尼器叶片和联接到阻尼器叶片用于移动阻尼器叶片的致动器。

除了致动器和HVAC阻尼器之外，本发明还涉及一种控制电动机以将HVAC系统的致动部件驱动到目标位置并维持当前电机位置的方法。该方法包括控制器确定电动机的当前电机位置，该控制器从由电动机的齿槽转矩限定的稳定位置的集合中确定最接近当前电机位置的所选稳定位置，并且该控制器控制电动机的电机转矩以将电机位置维持在所选稳定位置周围的限定范围内。

在实施例中，只要当前电机位置在所选稳定位置周围的限定范围内，控制器就减小电机转矩。

在另外的实施例中，当且如果电机转矩已经减小到零并且当前电机位置在所选稳定位置周围的限定范围内时，控制器将电机转矩保持为零。

在实施例中，当且如果当前电机位置已经移动到所选稳定位置周围的限定范围外部时，控制器增加电机转矩以将电机位置返回到所选稳定位置周围的限定范围内。

在另外的实施例中，控制器记录在当前电机位置已经达到所选稳定位置周围的限定范围的边界时的电机转矩的值，控制器增加电机转矩以将电机位置返回到所选稳定位置周围的限定范围内，并且只要当前电机位置在所选稳定位置周围的限定范围内，控制器就减小电机转矩，使用电机转矩的记录值来确定减小电机转矩的极限。

在实施例中，控制器通过以下来确定稳定位置的集合：控制电动机以增量步长移动，确定电机转矩以将电机位置维持在增量步长处，以及从增量步长确定需要最小电机转矩来维持电机位置的稳定位置的集合。

除了致动器、HVAC阻尼器和控制电动机的方法之外，本发明还涉及一种计算机程序产品，特别是涉及一种包括非瞬态计算机可读介质的计算机程序产品。所述计算机程序产品或非瞬态计算机可读介质分别具有存储在其上的计算机程序代码，所述计算机程序代码被配置为控制致动器的处理器，使得所述处理器控制致动器的电动机，以通过以下将HVAC系统的致动部件驱动到目标位置并且维持当前电机位置：确定电动机的当前电机位置，从由电动机的齿槽转矩限定的稳定位置的集合中确定最接近当前电机位置的所选稳定位置，以及控制电动机的电机转矩以将电机位置维持在所选稳定位置周围的限定范围内。

附图说明

将参考附图、作为示例更详细地解释本发明，附图中：

图1：示出了示意性图示致动器的框图，该致动器包括电动机、具有控制电路的电机控制器和能量存储器。

图2：示出了示意性图示致动器的框图，该致动器包括电动机、具有控制电路的电机控制器和能量存储器，该控制电路包括保持转矩控制器。

图3：示出了示意性图示致动器的框图，该致动器包括电动机、具有控制电路的电机控制器和能量存储器，该致动器机械联接到阻尼器的阻尼器叶片。

图4：示出了分别取决于电机位置或角度图示电动机的磁能和齿槽转矩的路线的图表。

图5：示出了图示用于控制和保持电动机的电机位置的示例性步骤序列的流程图。

具体实施方式

在图1至图3中，参考数字1指代包括电动机10的致动器、具体地是具有齿槽转矩的电动机10，例如无刷直流电机，和包括控制电路12的电机控制器11。致动器1是HVAC致动器，其被配置为将HVAC系统的致动部件驱动到目标位置，即，设置的致动位置或可致动位置范围内的致动位置，例如在从完全关闭到完全打开位置或者从限定的最小位置到限定的最大位置的范围内。如图1至图3中所图示的，致动器1进一步包括能量存储器14，例如电池或电容器，例如超级电容器（SC），诸如锂离子电容器（LIC）。能量存储器14被配置为给电动机10供电，特别是在具有电力故障的紧急情形下，诸如将电动机10和由电动机10致动的致动部件驱动到限定的安全位置。例如，在紧急情形下，能量存储器14给电动机10供电，以取决于相应的应用和场景将阻尼器驱动到关闭或完全打开的位置。控制电路12包括可编程处理器、专用集成电路（ASIC）或被配置为控制电动机10的另一电子电路。在涉及可编程处理器的配置中，致动器1进一步包括计算机程序产品或可与计算机程序产品连接，该计算机程序产品包括非瞬态计算机可读介质，其上存储有具有计算机程序代码的编程软件模块，该计算机程序代码被配置为控制处理器，使得处理器控制电动机10以维持当前的电机位置，如下文更详细描述的。

如图2中图示的，控制电路12包括各种功能模块，所述功能模块被分别实现为控制处理器的电子子电路或编程软件模块。功能模块包括位置控制器121、速度控制器122、保持转矩控制器123、限制器124、电流控制器125和位置反馈模块126。位置控制器121被配置为分别控制电动机10或电机电流，以移动到由电机转数或者致动部件的角度或位置限定的设置目标位置。速度控制器122被配置为根据设置的电机速度来控制电机的速度。保持转矩控制器123被配置为分别控制电机电流或转矩，诸如维持当前电机位置，如下面参考图5更详细解释的。限制器124被配置为将电机电流控制在功率、电流、转矩和/或电机温度的设置限制内。电流控制器125被配置为取决于来自位置控制器121、速度控制器122、保持转矩控制器123和/或限制器124的控制信号来控制电机电流。位置反馈模块126被配置为分别确定和提供电动机10和/或其致动部件的当前位置。

在图3中，参考数字2指代阻尼器，特别是用于供暖、通风和空调（HVAC）系统的阻尼器。如图3中图示的，阻尼器包括致动部件21，特别是阻尼器叶片21，用于调整阻尼器2的孔口，并且从而调整例如空气的流体通过阻尼器2的流动。如图3中进一步图示的，致动部件21、即阻尼器叶片21通过例如传动轴的机械联接器22机械联接到致动器1，用于分别由致动器1或其电动机10致动。致动器10或其电动机10分别驱动或移动致动器部件21、即阻尼器叶片21。

图4在上图中示出了电动机10的磁能E的路线，作为电机角度φ（或相应地，电机位置）的函数或取决于电机角度φ（或相应地，电机位置）。图4的下图示出了电动机10的齿槽转矩C的路线，作为电机角度φ（或相应地，电机位置）的函数或取决于电机角度φ（或相应地，电机位置）。如图4中所指示的，电动机10的位置或角度φ具有稳定的位置P1、P2和在这些稳定的位置P1、P2周围的（稳定的）范围R1、R2，其中正（+）齿槽转矩C和负（-）齿槽转矩C将电动机10拉向稳定的位置P1、P2；而在不稳定位置P3附近的（不稳定）范围内，正（+）齿槽转矩C和负（-）齿槽转矩C将电动机10拉取远离不稳定的位置P3。

如图5中图示的，在准备步骤S0中，电机控制器11或其电路12分别确定电动机10的稳定位置P1、P2（位置或角度φ）。此外，电机控制器11或其电路12分别确定在稳定位置P1、P2周围的限定范围R1、R2，例如作为在两个连续稳定位置P1、P2之间的距离或差值d（d=P2-P1）的部分，例如，在稳定的位置P周围

的范围R。例如，在其中稳定位置P1、P2每20°出现一次（即，d=20°）的电机配置中，在稳定位置P周围的范围R由

限定，例如在P1周围R1=[-5°<Φ;Φ<5°]，或在P2周围

。具体地，稳定位置P1、P2（和范围R1、R2）分别存储在电机控制器11或其电路12的数据存储器中。取决于实施例和/或配置，通过基于电动机10的定子和转子的磁极的已知配置、特别是基于电动机10的定子上的磁极数量（例如，具有九个磁极的内部定子）和电动机10的转子上的磁极数量（例如，具有六个磁极的外部转子）来执行计算，或者通过执行电动机10的测量运行，来确定稳定位置P1、P2（和范围R1、R2）。例如，对电动机10的特定类型和（磁性）配置“离线”执行计算，并在制造时或稍后的时间点存储在电机控制器11中。在测量运行的情况下，电机控制器11的电路12控制电动机10以递增的步长、例如一个角度或部分角度的旋转而移动，并确定将电机位置维持在增量步长处所需的电机转矩。随后，稳定位置的集合被确定为需要最小电机转矩来维持电机位置的那些增量步长。

在步骤S1中，电机控制器11或其电路12分别接收或设置用于电动机10的目标位置或涉及用于电动机10的目标位置的目标值。取决于应用和/或安装，目标位置或目标值由建筑控制系统或通信连接到电动机10的用户终端来限定和设置。

在步骤S2中，电机控制器11或其电路12分别控制电动机10移动到设置的目标位置，例如以执行对应于设置旋转位置（角度）的一定数量的旋转，或者用于将致动部件驱动到设置（致动）位置。如图2中示意性图示的，电机控制器11使用位置控制器121、速度控制器122、限制器124和电流控制器125来控制电动机10到达目标位置。

在步骤S3中，电机控制器11或其电路12分别确定电动机10或致动部件是否已经分别到达目标位置。具体地，位置反馈模块126确定并指示电动机和/或由电动机10驱动的致动部件的当前位置。如果还没有达到目标位置，则在步骤S2中继续控制电动机10；否则，如果已经到达目标位置，则激活维持当前电机位置的过程。例如，为此目的，位置反馈模块126或电路12或电机控制器11分别激活保持控制转矩控制器123。

在步骤S4中，保持控制转矩控制器123或电路12或电机控制器11分别控制电动机10将其位置分别维持在当前位置或目标位置，如下面参考子步骤S41、S42、S43、S44和S45更详细描述的。本领域技术人员将理解，外力和影响、诸如外部空气阻尼器2的阻尼器叶片21上的阵风或者流体导管内部的压力改变将对电机位置有影响，并且将不得不分别通过调整电机转矩或电机电流来补偿，以抵抗外力或影响进行保持，诸如维持目标位置。

在步骤S41中，保持控制转矩控制器123或电路12或电机控制器11分别确定最接近电动机10的目标位置或当前位置的稳定位置。

在步骤S42中，保持控制转矩控制器123或电路12或电机控制器11分别检查电动机10的当前位置是否在步骤S41中确定的稳定位置P1、P2周围的范围R1、R2内。如果当前位置在相应范围R1、R2内，则过程进行到步骤S43中；否则，如果当前位置在相应范围R1、R2外部，则处理在步骤S45中通过分别增加电机转矩或电机电流来进行。

在步骤S43中，保持控制转矩控制器123或电路12或电机控制器11分别检查当前电机转矩或电机电流是否分别为零，即，电动机10是否维持其当前位置而不需要任何电机电流，并且从而不产生电机转矩。如果当前电机转矩或电机电流分别为零，则转矩维持为零，并且处理在步骤S42中继续。否则，如果当前电机转矩或电机电流分别不为零，则处理在步骤S44中通过分别减小电机转矩或电机电流来继续。

在步骤S44中，保持控制转矩控制器123或电路12或电机控制器11分别将电机转矩或电机电流减小例如预定的量或部分。

在实施例中，保持控制转矩控制器123或电路12或电机控制器11分别确定持续时间，例如就时间或周期数而言，在此期间电机转矩或电机电流分别不为零。如果该“非零转矩持续时间”长于限定的阈值例如一分钟、五分钟或一小时，则处理在步骤S0中通过确定替代的稳定位置而继续。例如，替代的稳定位置是位于当前稳定位置（先前在步骤S0中选择的）之前（在前）或之后（随后）的稳定位置。该方法使得通过“试错法”来找到更有利的稳定位置成为可能，所述更有利的稳定位置分别需要更少的电机转矩或电机电流。

在步骤S45中，保持控制转矩控制器123或电路12或电机控制器11分别将电机转矩或电机电流分别增加例如预定的量或部分，并在步骤S42中进行。

在实施例中，在步骤S45中，保持控制转矩控制器123或电路12或电机控制器11分别进一步确定并存储存在于其中电机位置已经到达所选稳定位置P1、P2周围的限定范围R1、R2的上限或下限b1L、b1U、b2L、b2U的点处的电机转矩。随后，当电机转矩或电机电流在步骤S44中分别减小时，其减小不超过所述记录的电机转矩，其因此被用作减小电机转矩的限制。

应当注意，在描述中，计算机程序代码已经与特定的功能模块相关联，并且步骤的序列已经以特定的次序呈现，然而，本领域技术人员将理解，计算机程序代码可以被不同地构造，并且至少一些步骤的次序可以被变更，而不脱离本发明的范围。

Claims

1.一种致动器（1），包括具有齿槽转矩（C）的电动机（10），以及被配置为控制电动机（10）的操作并确定电动机（10）的电机位置的控制器（11），其中控制器（11）包括电路（12），其被配置为控制电动机（10）以通过以下将供暖、通风和空调系统的致动部件驱动到目标位置并维持当前电机位置：从由齿槽转矩（C）限定的稳定位置（P1、P2）的集合中确定最接近当前电机位置的所选稳定位置（P1、P2），以及控制电动机（10）的电机转矩以将电机位置维持在所选稳定位置（P1、P2）周围的限定范围（R1、R2）内。

2.根据权利要求1所述的致动器（1），其中，所述电路（12）被配置为只要当前电机位置在所选稳定位置（P1、P2）周围的限定范围（R1、R2）内，就减小电机转矩。

3.根据权利要求2所述的致动器（1），其中，所述电路（12）被配置为当所述电机转矩已经减小到零并且当前电机位置在所选稳定位置（P1、P2）周围的限定范围（R1、R2）内时，将电机转矩保持为零。

4.根据权利要求1至3中的一项所述的致动器（1），其中，所述电路（12）被配置为在当前电机位置已经移动到所选稳定位置（P1、P2）周围的限定范围（R1、R2）外部时，增加电机转矩，以使电机位置返回到所选稳定位置（P1、P2）周围的限定范围（R1、R2）内。

5.根据权利要求1至4中的一项所述的致动器（1），其中，所述电路（12）被配置为记录在当前电机位置已经到达所选稳定位置（P1、P2）周围的限定范围（R1、R2）的边界（b1L、b1U、b2L、b2U）时的电机转矩的值，增加电机转矩从而使电机位置返回到所选稳定位置（P1、P2）周围的限定范围（R1、R2）内，并且只要当前电机位置在所选稳定位置（P1、P2）周围的限定范围（R1、R2）内，就减小电机转矩，使用电机转矩的记录值来确定减小电机转矩的限制。

6.根据权利要求1至5中的一项所述的致动器（1），其中，所述电路（12）被配置为通过以下来确定稳定位置（P1、P2）的集合：控制电动机（10）以增量步长移动，确定电机转矩以将电机位置维持在增量步长处，以及从增量步长确定需要最小电机转矩来维持电机位置的稳定位置（P1、P2）的集合。

7.根据权利要求1至6中的一项所述的致动器（1），其中，所述致动器（1）进一步包括电能存储器（14），所述电能存储器（14）被配置为在电力故障的情况下将电动机（10）驱动至限定的安全位置。

8.根据权利要求1至7中的一项所述的致动器（1），其中，所述电动机（10）是无刷直流电机。

9.一种用于供暖、通风和空调系统的阻尼器，包括阻尼器叶片（21）和根据权利要求1至8中的一项的致动器（1），所述致动器联接到阻尼器叶片（21）以移动阻尼器叶片（21）。

10.一种控制电动机（10）以将供暖、通风和空调系统的致动部件（21）驱动到目标位置并维持当前电机位置的方法，所述方法包括控制器（11）确定电动机（10）的当前电机位置，控制器（11）从由电动机（10）的齿槽转矩（C）限定的稳定位置（P1、P2）的集合确定（S41）最接近当前电机位置的所选稳定位置（P1、P2），并且控制器（11）控制电动机（10）的电机转矩，以将电机位置维持在所选稳定位置（P1、P2）周围的限定范围（R1、R2）内。

11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括只要当前电机位置在所选稳定位置（P1、P2）周围的限定范围（R1、R2）内，控制器（11）就减小（S44）电机转矩。

12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括当电机转矩已经减小到零并且当前电机位置在所选稳定位置（P1、P2）周围的限定范围（R1、R2）内时，控制器（11）将电机转矩保持为零。

13.根据权利要求10至12中的一项的权利要求所述的方法，进一步包括在当前电机位置已经移动到所选稳定位置（P1、P2）周围的限定范围（R1、R2）外部时，控制器（11）增加（S45）电机转矩以将电机位置返回在所选稳定位置（P1、P2）周围的限定范围（R1、R2）内。

14.根据权利要求10至13中的一项的权利要求所述的方法，进一步包括控制器（11）记录在当前电机位置已经到达所选稳定位置（P1、P2）周围的限定范围（R1、R2）的边界时电机转矩的值，控制器（11）增加（S46）电机转矩以将电机位置返回到所选稳定位置（P1、P2）周围的限定范围（R1、R2）内，以及只要当前电机位置在所选稳定位置（P1、P2）周围的限定范围（R1、R2）内，控制器（11）就减小（S44）电机转矩，使用电机转矩的记录值来确定减小电机转矩的限制。

15.根据权利要求10至14中的一项的权利要求所述的方法，进一步包括控制器（11）通过以下来确定（S0）稳定位置（P1、P2）的集合：控制电动机（10）以增量步长移动，确定电机转矩以将电机位置维持在增量步长处，并且从增量步长来确定需要最小电机转矩来维持电机位置的稳定位置（P1、P2）的集合。

16.一种计算机程序产品，包括其上存储有计算机程序代码的非瞬态计算机可读介质，所述计算机程序代码被配置为控制致动器（1）的处理器，使得所述处理器控制所述致动器（1）的电动机（10），以通过以下将供暖、通风和空调系统的致动部件（21）驱动到目标位置并维持当前电机位置：确定电动机（10）的当前电机位置，从由电动机（10）的齿槽转矩（C）限定的稳定位置（P1、P2）的集合中确定（S41）最接近当前电机位置的所选稳定位置（P1、P2），以及控制电动机（10）的电机转矩以将电机位置维持在所选稳定位置（P1、P2）周围的限定范围（R1、R2）内。