CN113544440A - 用于电动流体移动设备的控制系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于电动机的控制系统，该电动机构造成驱动流体移动设备以产生流体流。该控制系统包括驱动电路和处理器，该驱动电路构造成调节供应给电机定子以转动转子并产生流体流的功率，该处理器基于第一控制参数的固定设定点和反馈参数计算与流体移动设备的系统阻力或静态压力中的至少一者成比例的值。处理器接收流体流速需求并基于流体流速需求和与系统阻力或静态压力成比例的值计算第二控制参数的操作设定点。处理器基于操作设定点控制驱动电路以向电机供电并操作流体移动设备以产生流体流。

Description

用于电动流体移动设备的控制系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2个美国非临时专利申请——2019年1月8日提交的16/242,738和2020年1月6日提交的16/735,257的优先权，其全部公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开的领域总体上涉及一种用于电动机的控制系统，并且更具体地涉及一种能够从流体移动设备产生近似恒定的流体流的控制系统。
背景技术
至少一些电动机在制造时进行了转矩校准，以确保电动机的驱动轴处的转矩输出与指令转矩相匹配。至少一些电动机、特别是驱动鼓风机如前弯式鼓风机的电动机被进一步校准以在于转矩受控模式或速度受控模式下运转期间产生近似恒定的流体流，或更具体而言空气流。当驱动鼓风机时，这种校准或表征量化了给定速度和转矩输出下的空气流输出。实际空气流输出可以根据气流被引导到其中的鼓风机结构或管道、空间或其它空气流约束物而变化。
恒定流体流加热、通风和空调(HVAC)系统改善了热舒适性和节能。恒定流体流系统/恒定流体流量系统也可用于某些制冷系统或泵送系统。在恒定流体流系统中，用于电动鼓风机电机的控制系统接收流体流速需求，例如以立方英尺每分钟(CFM)为单位的值，然后例如通过多项式或恒定流体流量算法确定适当的电动机转矩或电动机速度以近似产生所需的流体流量。例如，在转矩受控的实施方案中，基于监测到的电动机速度来调节电动机转矩以产生近似的流体流量。
期望在恒定流体流量HVAC系统中采用后弯式或向后倾斜的电动鼓风机以提高电动鼓风机的效率。后弯式鼓风机通常以较高的速度并且相对于径向或前弯式对应物以降低的功率产生给定的流体流量。然而，当以给定的转矩和速度运转时，特别是在某些运转范围内，例如在高流体流量下，此类后弯式鼓风机可能会产生多种不同的流体流量。同样，期望操作其它流体移动设备，例如压缩机、风扇(例如轴流风扇、叶片式轴流风扇、混流风扇、双级轴流风扇、管式轴流风扇、多级轴流风扇或任何其它类型的风扇)、叶轮和泵，以产生近似恒定的流体流量。因此，使用已知的恒定流体流量算法的控制系统不能有效地操作后弯式电动鼓风机或某些类型的风扇和压缩机以通过以传统的转矩受控或速度受控模式操作来产生所需的流体流量。需要克服后弯式电动鼓风机、压缩机和某些类型的风扇的这种局限性的控制系统。
发明内容
本公开的一个方面包括一种用于构造成驱动流体移动设备以产生流体流的电动机的控制系统。该控制系统包括驱动电路，该驱动电路构造成调节供应给电动机的定子以转动电动机的转子并产生流体流的电功率。该控制系统包括处理器，该处理器联接到驱动电路并且构造成基于第一控制参数的固定设定点和反馈参数计算与流体移动设备的系统阻力或静态压力中的至少一者成比例的值。处理器构造成接收流体流速需求值并基于流体流速需求值和与系统阻力或静态压力中的至少一者成比例的值计算第二控制参数的操作设定点。处理器构造成基于操作设定点来控制驱动电路以向电动机供应电力并且操作流体移动设备以产生流体流。
本公开的另一方面包括一种恒定流体流系统，其包括流体移动设备、电动机和控制系统。电动机联接到流体移动设备并且构造成驱动流体移动设备以产生进入输出路径的空气流，电动机包括定子和联接到流体移动设备的转子。控制系统包括驱动电路和处理器，该驱动电路构造成调节供应给定子以转动转子和流体移动设备以产生流体流的电力。处理器构造成计算与输出路径的系统阻力或静态压力中的至少一者成比例的值。处理器构造成接收流体流速需求值并基于该流体流速需求值和与系统阻力或静态压力中的至少一者成比例的值来计算控制参数的操作设定点。处理器构造成基于操作设定点控制驱动电路以向电动机供应电力并且操作流体移动设备以产生流体流。
本公开的又一方面包括一种操作构造成驱动流体移动设备以产生流体流的电动机的方法。该方法包括基于第一控制参数的固定设定点控制驱动电路以向电动机供应电力并且操作流体移动设备。该方法包括确定与固定设定点相对应的反馈参数，以及基于第一控制参数和反馈参数来计算与流体移动设备的系统阻力或静态压力中的至少一者成比例的值。该方法包括接收流体流速需求值。该方法包括基于流体流速需求值和与系统阻力或静态压力中的至少一者成比例的值来计算第二控制参数的操作设定点。该方法包括基于操作设定点控制驱动电路以向电动机供应电力并且操作流体移动设备以产生流体流。
在一个方面，提供了一种用于构造成驱动鼓风机以产生空气流的电动机的电动机控制器。该电动机控制器包括驱动电路和处理器。驱动电路构造成调节供应给电动机的定子以转动电动机的转子并产生空气流的电力。处理器联接到驱动电路并且构造成基于第一控制参数的固定设定点和反馈参数来计算鼓风机的系统阻力。处理器构造成接收空气流速率需求值并基于系统阻力和空气流速率需求值来计算第二控制参数的操作设定点。处理器构造成基于操作设定点控制驱动电路以向电动机供应电力并且操作鼓风机以产生空气流。
在另一方面，提供了一种操作构造成驱动鼓风机以产生空气流的电动机的方法。该方法包括基于第一控制参数的固定设定点来控制驱动电路以向电动机供应电力并且操作鼓风机。该方法包括确定与固定设定点相对应的反馈参数。该方法包括确定与第一控制参数和反馈参数相对应的空气流量值。该方法包括基于第一控制参数和反馈参数来计算鼓风机的系统阻力。该方法包括接收空气流速率需求值。该方法包括基于系统阻力和空气流速率需求值来计算第二控制参数的操作设定点。该方法包括基于操作设定点控制驱动电路以向电动机供应电力并且操作鼓风机以产生空气流。
在又一方面，提供了一种恒定空气流系统。该恒定空气流系统包括鼓风机、电动机和电动机控制器。电动机联接到鼓风机并且构造成驱动鼓风机以产生空气流。电动机包括定子和联接到鼓风机的转子。电动机控制器包括驱动电路，该驱动电路构造成调节供应给定子以转动转子和鼓风机以产生空气流的电力。电动机控制器包括构造成计算管道的系统阻力的处理器。处理器构造成接收空气流速率需求值。处理器构造成基于系统阻力和空气流速率需求值来计算控制参数的操作设定点。处理器构造成基于操作设定点控制驱动电路以向电动机供应电力并且操作鼓风机以产生空气流。
附图说明
图1是示例性恒定流体流系统的框图；
图2是图1所示的恒定流体流系统的逻辑框图；
图3是用于转矩受控式电动机的示例性恒定流体流量控制回路的示意图；
图4是用于速度受控式电动机的示例性恒定流体流量控制回路的示意图；
图5是操作构造成驱动鼓风机以产生进入管道的流体流的电动机的示例性方法的流程图；以及
图6是后弯式鼓风机的示例性操作曲线的图示。
具体实施方式
本文描述的操作用于恒定流体流系统的电动机的控制系统和方法的实施例基于电动机转矩、电动机速度、流体流量、系统阻力和静态压力和/或与其成比例的值来提供恒定流体流系统的改进的特征。改进的特征能够使用流体移动设备或流体移动器——例如后弯式电动鼓风机、压缩机、叶轮或风扇(例如，叶片式轴流风扇)——来产生恒定的流体流量，同时保持这种流体移动设备的优点，例如，后弯式电动鼓风机优于径向或前弯式鼓风机的优点，亦即提高的效率和更大压力的产生。改进的特征还能够使用例如前弯式电动鼓风机或径向电动鼓风机产生恒定的流体流量。
如本文所述，控制系统基于速度或转矩与流体流量之间的相关性来执行该特征以计算静态压力和/或系统阻力，或与其成比例的值。照此，控制系统可以在没有传感器的情况下运行(例如，可以是“无传感器的”控制系统)。此外，该特征通常是普遍适用的(例如，适用于前弯式鼓风机、后弯式鼓风机、叶片式轴流风扇等)，因为该特征采用上述相关性来识别静态压力和/或系统阻力以维持所需的流体流量。这些关系或相关性与设备无关，并且照此可以应用于任何流体移动设备。
如本文所用，“流体移动设备”或“流体移动器”可包括任何流体移动设备，例如但不限于压缩机、鼓风机、风扇(例如，轴流风扇、叶片式轴流风扇、混合流风扇、双级轴流风扇、管式轴流风扇、多级轴流风扇或任何其它类型的风扇)、叶轮和泵。“空气移动设备”或“空气移动器”可更具体地包括例如鼓风机和/或风扇。应当容易理解的是，“空气”可以指任何气态流体。
本文描述的控制系统和方法的实施例利用例如转矩(T)、速度(N)、所需流体流量(Q)和系统阻力(R)之间的相关性来表征恒定流体流系统。更具体地，恒定流体流系统可以通过流体流量算法或“转矩相关性”来表征，流体流量算法或“转矩相关性”将例如转矩(T)定义为速度(N)和所需流体流量(Q)的函数。在替代实施例中，恒定流体流系统通过将速度(N)定义为转矩(T)和所需流体流量(Q)的函数的“速度相关性”来表征。恒定流体流系统还通过其定义为所需流体流量(Q)、速度(N)和由流体移动设备产生的静态压力(P)的函数的系统阻力(R)来表征。在替换实施例中，系统阻力(R)可以定义为所需流体流量(Q)、转矩(T)、速度(N)或静态压力(P)中的任意两个或更多个的函数。同样，在某些实施例中，由于静态压力可以根据所需流体流量(Q)以及转矩(T)和速度(N)中的一者或两者来定义，或者定义为转矩(T)和速度(N)的函数，因此系统阻力可以简单地定义为所需流体流量(Q)以及转矩(T)和速度(N)中的一者或两者的函数。使用这些一起称为“恒定流体流量算法”的相关性，流体移动设备或流体移动器——例如后弯式、前弯式或径向电动鼓风机电机、压缩机、叶轮或风扇(例如轴流风扇或叶片式轴流风扇)——可以以转矩受控模式、速度受控模式或这两种模式操作以从流体移动器产生近似恒定的流体流量。
在替代实施例中，可以利用转矩(T)或速度(N)与输入到电动机的功率、供应给电动机的电流、电动机的驱动轴处的功率输出、电动机效率或流体移动器本身的功率输出——即流体功率——中的一者或多者之间的相关性来表征电动机。例如，驱动轴处的功率输出与转矩(T)和速度(N)相关，即P轴＝TN，并与输入到电动机的功率和电动机效率相关，即Pin＝P轴/电动机效率。此外，输入到电动机的功率是供应给电动机定子绕组的电压和电流的函数，即Pin＝VI。
在某些实施例中，恒定流体流系统首先被表征以确定流体流量算法的一组常数。在一个实施例中，流体移动器——例如后弯式鼓风机、叶片式轴流风扇等——以恒定转矩(例如，20％)运转，并且测量速度以产生转矩-速度对，可以使用流体流量算法或“转矩相关性”——例如，T＝f(Q,N)——从该转矩-速度对计算转矩-速度-流体流量数据点，其形式类似于例如用于前弯式鼓风机的传统恒定流体流量算法。例如，流体流量算法可以采用以下形式：
T＝k1NQ+k2Q2+k3N+k4N2+k5 式1
其中，k1、k2、k3、k4、k5是常数。通常，在安装之前为流体移动器预先确定这些常数。
例如，在转矩受控的实施方案中，本文描述的控制系统和方法中体现的特征产生一个或多个转矩-速度-流体流量数据点，其表征恒定流体流系统的操作曲线。然后通过多项式、流体流量算法或将电动机转矩(T)定义为电动机速度(N)和流体流速需求(Q)的函数的公式来近似得出该操作曲线。同样，在速度受控的实施方案中，例如，本文描述的控制系统和方法中体现的特征再次以固定速度——例如，20％——操作流体移动器，这产生表征恒定流体流系统的操作曲线的一个或多个转矩-速度-流体流量数据点。然后通过多项式、流体流量算法或将电动机速度(N)定义为电动机转矩(T)和流体流速需求(Q)的函数的公式来近似得出该操作曲线。在替换的速度受控实施例中，上述用于电动机转矩(T)的公式可用于将计算出的转矩与期望电动机速度(N)的速度-转矩对中的转矩值进行比较。然后可以使用由该比较得出的转矩误差值来将电动机速度(N)驱动到目标值或目的值。在另一替换实施例中，电动机功率可以被定义为电动机速度(N)、电动机转矩(T)和流体流速需求(Q)的函数。在任一实施例中，本文描述的表征产生缩放多项式的各种代数项的各种系数的值。该多项式有时被称为恒定流体流量算法。然而，通常应理解，由于恒定流体流系统和流体流被引入其中的路径、管道或空间的环境和物理特性的许多误差源和可变性，由这种恒定流体流系统使用恒定流体流量算法产生的实际流体流量仅近似于所需的流体流量。
通常，具有更多项的流体流量算法对表征期间收集的数据产生更精细的拟合，并因此产生对实际流体流量的更准确估计。通过为一个或多个系数或指数启用非整数(例如，实数)值，可以进一步改进给定流体流量算法的拟合。因此，电动机和电动机控制器必须有足够的处理器、内存、通信接口和软件来编程、存储、调用和执行此类流体流量算法。此外，流体流量算法中的更多项和非整数系数通常与导出必要系数时的较重计算负载相关。通常，采用更多项对表征期间收集的数据产生更精细拟合的另一后果是，数据中的任何间隙——例如欠采样或异常数据点——都会被捕获在结果表面中，从而导致结果表面为非期望的轮廓，或可能的极点，其因此在操作期间——特别是在电动机和流体移动器的操作曲线的极值处——产生不准确的流体流量。相反，使用较少的项和对数据的更粗略拟合，回归分析倾向于“过滤”或“平滑”数据中的间隙和异常数据点，由此产生具有更平缓轮廓的表面和在操作曲线的极值处产生更准确的流体流量。
然而，单独的流体流量算法或转矩相关性通常不足以运行例如后弯式电动鼓风机或某些压缩机、叶轮或风扇以在整个操作曲线期间产生恒定的流体流量，因为，如上所述，例如对于高体积流体流，多个流体流量值与操作曲线的某些区域中的给定转矩-速度对相对应。为了克服流体流量算法的这种局限性，恒定流体流系统通过其系统阻力(R)进一步表征。使用转矩-速度-流体流量数据点，将系统阻力(R)计算为所需流体流量(Q)和流体移动器产生的静态压力(P)的函数。在替换实施例中，将系统阻力(R)计算为转矩(T)和速度(N)的函数。通常，在流体移动器的给定稳定工作点，产生给定的所需流体流量(Q)，通过下式将它产生的静态压力(P)与流体流在其中产生的系统阻力关联：
P＝RQ2 式2
因此，给出由流体移动器产生的静态压力(P)和对应的所需流体流量(Q)，可以计算出系统阻力(R)。
在某些实施例中，静态压力(P)可以表示为速度(N)和流体流量(Q)的函数。该函数被称为静态压力相关性，并由根据速度(N)、所需流体流量(Q)和一个或多个常数定义的多项式或公式近似得出。例如，静态压力相关性可以采用以下形式：
Figure BDA0003248569720000081
其中，a1、a2、a3是系数，c1、c2、c3、c4、c5是常数。在一个实施例中，系数被定义为a1＝4.3865×103，a2＝0.010132，a3＝1.5198178。通常，系数和常数是在安装之前为流体移动器预先确定的。在替代实施例中，静态压力(P)可以表示为转矩(T)和流体流量(Q)的函数。
因此，给定上述转矩-速度-流体流量数据点，计算静态压力(P)或与其成比例的参数，这使得能够计算或表征系统阻力(R)，或与其成比例的参数。当需要新的流体流量(Q)时，式2使得能够计算流体移动器为了针对给定的系统阻力(R)产生新的流体流量(Q)所需的静态压力(P)。给定所需的静态压力(P)的值和新的流体流量(Q)，静态压力相关性(式3)使得能够计算产生该静态压力(P)和新的流体流量所需的速度(N)。上述式1-3的组合被称为用于流体移动器的恒定流体流量算法。然后控制系统使电动机以该速度(N)在速度受控模式下运转(例如，使用电动机控制器)，以产生近似恒定的流体流量。或者，控制系统可以使用速度(N)和流体流量(Q)来计算用于使电动机在转矩受控模式下运转的转矩(T)。在替换实施例中，恒定流体流量算法可以由速度(N)、转矩(T)、流体流量(Q)、系统阻力(R)或静态压力(P)之间的两个或更多个相关性(即，公式、方程或多项式)的组合形成。例如，恒定流体流量算法可以由表示为速度(N)和流体流量(Q)的函数的转矩(T)与表示为速度(N)和流体流量(Q)的函数的系统阻力(R)的组合形成。在另一示例中，恒定流体流量算法可以由表示为速度(N)和转矩(T)的函数的系统阻力(R)与表示为流体流量(Q)和转矩(T)的函数的系统阻力(R)的组合形成。
在许多恒定流体流系统中，系统阻力通常被认为在一段时间内是恒定的。在实践中，该系统阻力可能会随着时间的推移而变化，例如，由于污垢、灰尘或其它污染物堆积在过滤器或流体流被引入其中的系统、路径或空间的其它变化的构件上。在其它系统中，例如，通过配置阻尼器、百叶窗、管道或通风口来增大或减小系统对流体流的阻力，可以控制系统阻力。在此类系统中，控制系统检测系统助力(R)的变化并相应地调节操作点。
例如，当以速度受控模式运转并且系统电阻(R)增大时，电动机控制器检测到电动机的转矩输出的变化。这个新的转矩-速度对导致使用转矩相关性(式1)和静态压力相关性(式3)重新计算系统阻力(R)。给定增大的系统阻力(R)和所需的流体流量(Q)，计算新的速度(N)并调节电动机的操作点。此过程不断重复，直至系统针对增大的系统阻力(R)收敛在稳定的操作点上。
图1是恒定流体流系统100的框图。恒定流体流系统100包括控制系统101、输出路径102、流体移动器104和电动机106。控制系统101包括电动机控制器108和系统控制器110。在其它实施例中，恒定流体流系统100可以包括另外的、更少的或替代的构件，包括本文别处描述的那些构件。例如，流体移动器104可以构造成产生进入除了限定的管道、气室之外的空间或其它输出路径的流体流。
流体移动器104构造成产生被引导通过输出路径102的流体流112。输出路径102构造成引导流体流以用于在系统、建筑物、车辆或其它结构内的循环和分配。输出路径102或替换地流体流112被引入其中的空间具有影响从流体移动器104输出的流体流的流体流量约束或系统阻力(R)。流体流量约束基于可能影响恒定流体流系统100内的流体流量的各种参数，例如但不限于输出路径102的内部尺寸、打开或关闭的阻尼器、输出路径102内的污染物(例如，灰尘)、输出路径102的几何形状、或替换地流体流112被引入其中的空间等。
电动机106构造成驱动流体移动器104以产生进入输出路径102的流体流112。在至少一些实施例中，电动机106是构造成将电功率转换成机械功率的感应电机。在替换实施例中，电动机106是永磁电机。在一个示例中，电动机106联接到流体移动器104的轮子(未示出)并且构造成使该轮子旋转。在该示例性实施例中，电动机106构造成以多个转矩输出水平(即，转矩受控)运转以升高或降低相应的电动机速度。升高或降低电动机106的电动机速度致使电动机106驱动流体移动器104以产生对应的流体流。由流体移动器104产生的流体流112至少部分地取决于电动机106的电动机速度和输出路径102的流体流量约束。在一些实施例中，电动机106与流体移动器104集成在一起。
替换地，电动机106构造成以多个速度输出水平(即，速度受控)运转以增大或减小对应的电动机转矩。如在转矩受控的实施例中那样，增大或减小电动机106的转矩致使电动机106驱动流体移动器104以产生对应的流体流。
系统控制器110和电动机控制器108通信地联接到电动机106以操作电动机106。更具体地，电动机控制器108向电动机106的定子绕组提供特定电流振幅、相位和频率的电力以根据来自系统控制器110的指令或命令来操作电动机106。通过调节振幅、相位和频率，电动机控制器108控制电动机106的转矩(或在速度受控的实施例中替换地为速度)，从而有利于对电动机106的速度的控制。在其它实施例中，电动机控制器108可以通信地联接到与电动机106相关联的第二控制器(未示出)。在这样的实施例中，电动机控制器108可以构造成将控制信号传送到第二控制器以指示第二控制器操作电动机106。在这样的实施例中，电动机控制器108可以与电动机106分开或远离。例如，电动机控制器108可以与流体移动器104和电动机106一起位于HVAC组件内。在另一实施例中，例如，电动机控制器108可以与恒温器系统或系统控制器110一起定位。
电动机控制器108包括处理器114、通信地联接到处理器114的存储器116、和传感器系统118。处理器114构造成执行存储在存储器116内的指令以致使电动机控制器108如本文所述那样起作用。例如，存储器116构造成存储将由处理器114执行的恒定流体流量算法。存储器116进一步构造成存储用于在恒定流体流量算法中使用的多个系数值。此外，存储器116构造成存储数据以有利于校准电动机106。在一些实施例中，电动机控制器108可以包括多个处理器114和/或存储器116。在其它实施例中，存储器116可以与处理器114集成。在一个示例中，存储器116包括多个数据存储设备以存储如本文所述的指令和数据。在替换实施例中，出于存储恒定流体流量算法和系数值的目的，并且为了出于控制电动机控制器108以产生所需的恒定流体流量的目的执行恒定流体流量算法，可以在系统控制器110中结合另外的处理器和存储器。控制系统101在本文中被描述为分配在电动机控制器108处存储和执行恒定流体流量算法的功能，应当理解，控制系统101内的任何处理器和存储器可以执行控制流体移动器104以产生近似恒定的流体流量的功能。
在本文描述的电动机控制器108的操作之前，电动机控制器108接收系数值，这些系数值来自于对电动机106和流体移动器104的特征数据的回归分析。这些系数对应于存储在电动机控制器108上的存储器中并且在操作期间可由处理器114执行的恒定流体流量算法内的可编程变量。在某些实施例中，恒定流体流量算法或替换的恒定流体流量算法的某些其它常数可以被定义并存储在例如存储器116如EEPROM中。在某些实施例中，可以通过有线或无线通信信道从外部系统控制器110或其它设备接收系数值。在另一替换实施例中，当安装电动机控制器108时，可以由技术人员或安装人员将系数值编程到电动机控制器108中。
在操作期间，电动机控制器108通常接收来自外部系统控制器110的流体流速需求(Q)以及在电动机106处测得的电动机转矩(T)和电动机速度(N)中的一者。计算电动机转矩(T)和电动机速度(N)中的另一者。例如，在转矩受控的实施例中，系统控制器110将流体流速需求(Q)传送到电动机控制器108，并且电动机控制器108基于测定的电动机速度(N)计算要对电动机106发出指令的电动机转矩(T)。在替换实施例中，系统控制器110从存储在存储器116中的表格中的多个值中传送特定流体流速需求(Q)的离散选择或索引。电动机速度(N)可以从供应给定子绕组的电流信号确定，或替换地可由传感器系统118直接测量。转矩控制回路然后递归地执行或迭代，直至电动机转矩(T)收敛于目标转矩。转矩控制回路可以例如每100毫秒执行一次。在替换实施例中，转矩控制回路周期可以根据例如特定的电动机、流体移动器或输出路径配置而延长或缩短。
同样，在速度受控的实施例中，系统控制器110将流体流速需求(Q)传送到电动机控制器108，并且电动机控制器108基于测定的电动机转矩(T)来计算要对电动机106命令的电动机速度(N)。如上文关于电动机速度(N)所述，电动机转矩(T)可以根据供应给定子绕组的电流信号来确定，或替换地，可以由传感器系统118直接测量。然后速度控制回路迭代，直至电动机速度(N)收敛于目标速度。
传感器系统118包括构造成监测电动机106的一个或多个传感器。在某些实施例中，传感器系统118被省略并且由供应给电动机106的定子绕组的电流信号确定电动机转矩和速度。在一个实施例中，传感器系统118构造成监测电动机控制器108对电动机106的频率输出。传感器系统118可以监测与电动机106相关联的其它数据，例如但不限于电动机速度、转矩、功率等。在某些实施例中，传感器系统118构造成监测流体移动器104的流体流量输出。例如，传感器系统118可以包括空气压力传感器，该空气压力传感器构造成监测输出路径102如管道或气室内的静态压力。在一些实施例中，传感器系统118从电动机控制器108监测电动机106。在这样的实施例中，传感器系统118可以与处理器114集成。在其它实施例中，传感器系统118的至少一些传感器可以安装在电动机106上并且将传感器数据传回到电动机控制器108。
在一个实施例中，电动机控制器108构造成针对多个流体流量输出水平校准电动机106以确定对应的转矩和速度对。所得的流体流量-转矩-速度数据点定义了一表面，该表面进一步定义恒定流体流系统100的操作曲线。
电动机控制器108包括驱动电路120。驱动电路120基于从处理器114接收的控制信号来向电动机106的定子绕组供应电力。驱动电路120可以包括例如用于调整以期望电流——即相位、振幅和频率——供应给电动机106的定子绕组的线路频率交流(AC)电力的各种功率电子器件。此类功率电子器件可以包括例如但不限于一个或多个整流器级、功率因数校正(PFC)电路、滤波器、瞬态保护电路、EMF保护电路、逆变器或功率半导体。
电动机控制器108包括通信接口122。通信接口122可以包括一个或多个有线或无线硬件接口，例如通用串行总线(USB)、RS232或其它串行总线、CAN总线、以太网、近场通信(NFC)、WiFi、蓝牙或任何其它合适的数字或模拟接口，以用于在系统控制器110与电动机控制器108之间建立一个或多个通信信道。例如，在某些实施例中，一个或多个参数如最大流体流速(以立方英尺/分钟为单位表示)、流体流速需求、或者一个或多个系数值可以使用脉宽调制信号通过通信接口122传送到电动机控制器108。在某些实施例中，系统控制器110或另一处理器(未示出)可以通过通信接口122将诸如转矩、速度或功率之类的操作参数传送到电动机控制器108。通信接口122进一步包括用于接收一个或多个控制参数并将它们写入例如存储器116的软件或固件接口。在某些实施例中，通信接口122包括例如用于为恒定流体流量算法提供一个或多个系数值的软件应用编程接口(API)。在这样的实施例中，接收的系数值被供应给处理器114，加以处理，并与恒定流体流量算法一起存储在存储器116中，以便随后在电动机106运转期间由处理器114执行。
在某些实施例中，存储器116构造成存储两个或更多个恒定流体流量算法。替换地，存储器116可构造成存储单个恒定流体流量算法，以及该算法要采用的一组或多组常数。在某些实施例中，电动机106和电动机控制器108构造成通过通信接口122接收并对恒定流体流量算法采用那些系数。
图2是包括电动机106和控制系统101(在图1中示出)的恒定流体流系统100的逻辑框图。处理器201(例如，电动机控制器108的处理器114，或系统控制器110的处理器)将控制信号传送到驱动电路120，以控制供应给电动机106的电力的电流振幅、相位和频率。处理器201例如执行恒定流体流量算法200，例如上面在式1、式2和式3中描述的算法，以计算用于控制驱动电路120和电动机106的转矩设定点和速度设定点中的一者。该算法的执行通常周期性地——例如以10赫兹——执行，以更新转矩设定点或速度设定点。在操作期间，处理器201接收在恒定流体流量算法200中使用的流体流量需求值Q，202。在某些实施例中，处理器201可以直接从系统控制器如系统控制器110(在图1中示出)接收流体流速需求值Q，202。替换地，系统控制器110可以使用离散输入供应流体流速需求值Q，202，这些离散输入表示存储在存储器中的流体流速需求值表中的索引，处理器201从该存储器接收流体流速需求值Q，202。替换地，系统控制器110可以供应在两个流体流速需求值之间成比例地变化的脉宽调制(PWM)信号。在又一替换实施例中，系统控制器110可以供应包括流体流速需求值Q，202的数字命令。
处理器201还接收在恒定流体流量算法200中使用的系数值A，204。系数值A，204可以例如从系统控制器110、存储器如存储器116(在图1中示出)或另一外部设备接收。在某些实施例中，当恒定流体流系统100例如被制造、安装或通电时，处理器201接收系数值A，204，并且处理器201从那时起以那些相同的值操作，除非它由技术人员或其他用户被重置或重新编程或重新校准。在其它实施例中，处理器201可以从远程设备接收系数值A，204的定期更新，并且恒定流体流量算法200采用给定迭代的最新值。
在某些实施例中，恒定流体流量算法200选自存储在存储器如存储器116中的多个算法。该存储器可以包括例如只读存储器，例如EEPROM。基于用户选择或系统控制器110的选择从存储器中检索恒定流体流量算法200。继而，例如，系统控制器110然后将相应的系数值A，204、用于存储器中包含适当系数值A，204的空间的对应存储器地址或对这种存储器地址的标识符或“指针”传送到处理器201。然后处理器201获得对存储器中相应空间的访问权并读取系数值A，204.
处理器201接收电动机106的测定速度N，206和测定转矩208中的至少一者。这用于恒定流体流量算法200中。测定速度N，206例如可以由供应给电动机106的定子绕组的电流信号导出。例如，这样的电流信号可以由电流传感器测量并且测定速度N，206由该测量导出。替换地，处理器201可以从电动机106上的频率传感器接收频率测量值，其输出可以转换为测定速度N，206。替换地，电动机速度可以通过任何其它合适的方法——例如通过进一步分析供应给电动机106的定子绕组的电流信号——测量。例如，测定转矩T，208可以从供应给电动机106的定子绕组的电流信号导出。例如，这种电流信号可以由电流传感器测量，并且测定转矩T，208例如通过借助于闭环控制系统推断转矩输出等于指令转矩从该测量导出。替换地，处理器201可以从电动机106上的转矩传感器或替换地通过任何其它合适的方法接收转矩测量值。
在操作期间，处理器201使用上述几个输入来执行恒定流体流量算法200，这些输入包括流体流速需求值Q，202以及测定速度N，206和测定转矩T，208中的至少一者。在执行恒定流体流量算法200时，处理器201计算用于控制驱动电路120的转矩设定点和速度设定点中的一者。驱动电路120然后将交流电功率的期望电流和频率供应给电动机106以转动流体移动器104(在图1中示出)。
图3是用于控制转矩受控电动机——如恒定流体流系统100的电动机106(在图1和图2中示出)——的恒定流体流量控制回路300的一个实施例的示意图。控制回路300可以体现在例如电动机控制器108、处理器114、处理器201、或系统控制器110或其它远程设备中的另一处理器中，并且图示了通过执行恒定流体流量算法200以计算转矩设定点302来控制电动机106。恒定流体流量算法200接收流体流速需求Q，202和测定速度N，206，并基于例如式1、式2和式3中所示的公式计算转矩设定点302。
图4是用于控制速度受控电动机——如恒定流体流系统100的电动机106(在图1和图2中示出)——的恒定流体流量控制回路400的一个实施例的示意图。控制回路400可以体现在例如电动机控制器108、处理器114、处理器201、或系统控制器110或另一远程设备中的另一处理器中，并且图示了通过执行恒定流体流量算法200以计算速度设定点402来控制电动机106。恒定流体流量算法200接收流体流速需求Q，202和测定转矩T，208，并基于例如式1、式2和式3中所示的公式来计算速度设定点N，402。
图5是操作电动机的方法500的一个实施例的流程图，该电动机构造成驱动流体移动设备，或流体移动器，例如恒定流体流系统100(在图1中示出)的电动机106和流体移动器104。流体移动器104然后产生进入空间如输出路径102的流体流。参照图1和图5，方法500可以体现在控制系统如具有处理器——例如电动机控制器108的处理器114或另一设备如系统控制器110的处理器201(全都在图1和图2中示出)——的控制系统101中。
控制系统101基于第一控制参数的固定设定点来控制502驱动电路120以向电动机106供应电力并操作流体移动器104。第一控制参数可以是从电动机106输出的转矩(T)。替换地，第一控制参数可以是速度(N)。控制系统101确定504与第一控制参数的固定设定点相对应的反馈参数。在某些实施例中，反馈参数可以是速度(N)。在替换实施例中，反馈参数可以是转矩(T)。第一控制参数和反馈参数组合地包括速度(N)、转矩(T)和功率中的两者。例如，在一个实施例中，第一控制参数是转矩(T)并且反馈参数是速度(N)。在一替换实施例中，第一参数是速度(N)并且反馈参数是转矩(T)。在另一替换实施例中，第一参数是速度(N)并且反馈参数是功率。
在某些实施例中，控制系统101确定与转矩(T)和速度(N)相对应的流体流量值。在某些实施例中，控制系统101可以利用流体流量算法——例如在式1中示出的算法——来计算流体流量值。所得到的转矩-速度-流体流量数据点然后可用于计算506输出路径102或流体移动器104的系统阻力(R)或静态压力(P)中的至少一者，或与系统阻力(R)或静态压力(P)中的至少一者成比例的值。例如，在某些实施例中，基于流体流量值和速度来计算系统阻力(R)。进一步地，在某些实施例中，首先使用静态压力相关性、如式3中所示的相关性基于流体流量值和转矩或速度来计算静态压力(P)，然后基于流体流量值和静态压力值(P)来计算系统阻力(R)。在某些实施例中，基于流体流量值和速度来计算静态压力(P)而不计算或以其它方式测量系统阻力(R)。
在操作期间或之前，控制系统101接收508流体流速需求值(Q)。例如，该值可以从远程系统控制器110接收。流体流速需求值可以作为例如数字格式化值或替换地作为代表期望流体流速需求(Q)的连续脉宽调制信号传送。基于系统阻力(R)或静态压力(P)中的至少一者和流体流速需求值(Q)来计算510第二控制参数的操作设定点。与第一控制参数一样，第二控制参数可以是转矩(T)或速度(N)。第一和第二控制参数不一定相同。例如，用于计算初始系统阻力(R)或静态压力(P)的第一控制参数可以是转矩(T)，而第二控制参数可以是速度(N)。替换地，在某些实施例中，第一和第二控制参数两者都可以是转矩(T)或两者都可以是速度(N)。第二控制参数的操作设定点然后被控制系统101用于控制512驱动电路120以向电动机106供应电力并且操作流体移动器104以产生流体流。
在某些实施例中，在计算第二控制参数的操作设定点时，控制系统101构造成使用例如式2中示出的关系来将流体流速需求值(Q)转换为静态压力值(P)。静态压力值(P)和流体流速需求值(Q)然后被控制系统101用来例如使用式3计算电动机106应该被操作以产生流体流的必要速度(N)。在替换实施例中，控制系统101可以利用类似于式3并且可从式3导出的公式计算电动机106应该被操作以产生流体流的必要转矩(T)。
在某些实施例中，随着时间的推移，系统阻力(R)可能改变，例如，系统阻力可能由于过滤器或其它路径上的灰尘堆积而增大。替换地，可以通过调节恒定流体流系统上的一个或多个阻尼器来有意地改变系统阻力(R)。在这样的情况下，控制系统101构造成检测例如由系统阻力的变化引起的转矩(T)的变化。响应于转矩(T)的变化，控制系统101构造成使用例如式1-3基于所得的更新的转矩-速度-流体流量数据点来重新计算系统阻力(R)或静态压力(P)。控制系统101进一步构造成然后计算电动机106应当以其运转的第二控制参数的新设定点。控制系统101迭代这些计算，直至新的系统阻力(R)收敛于“实际”系统阻力(R)，并且同样地，操作点稳定在新的转矩(T)和速度(N)。
图6是例如用于后弯式鼓风机、压缩机、叶轮或叶片式轴流风扇的示例性操作曲线600的图示。该图示出了以CFM表示的所需流体流量(Q)与以英寸水柱(inH2O)表示的静态压力(P)的关系。流体流量轴线602水平延伸并且静态压力轴线604竖直延伸。该图包括各种恒定转矩线606(显示为虚线)，代表一系列流体流量-压力对，即以CFM表示的所需流体流量(Q)和以inH2O表示的静态压力(P)对，其在电机的驱动轴上产生近似恒定的转矩输出。该图包括各种恒定速度线608(显示为实线)，代表一系列从电机产生近似恒定速度输出的流体流量-压力对。该图包括表示一系列流体流量-压力操作点的系统阻力线610。对于给定的系统阻力(R)，系统阻力线610示出了用于将操作曲线上的静态压力(P)表示为所需流体流量(Q)的函数的数学函数。例如，当所需的流体流量处于Q1时，系统阻力线610上的操作点A指示需要P1 inH2O的静态压力以产生Q1 CFM流体流量。同样，如果所需的流体流量增大到Q2CFM，则操作点沿着系统阻力线610移动到操作点B。在操作点B，系统阻力线610指示需要P2inH2O的静态压力以产生Q2 CFM流体流量。在恒定流体流系统的某些实施例中，随着系统阻力(R)随时间推移而改变，系统阻力线610向左移动(增大的阻力)或向右移动(减小的阻力)。
本文描述的方法和系统可以使用计算机编程或工程技术来实现，包括计算机软件、固件、硬件或其任何组合或子集，其中技术效果可以包括以下至少一项：(a)使得能够在恒定流体流系统中使用后弯式鼓风机、压缩机、叶轮或某些类型的风扇，例如轴流风扇和叶片式轴流风扇，同时保持这种流体移动器提供的相较于例如前弯式或径向等效鼓风机而言的益处；(b)对于后弯式鼓风机、压缩机、叶轮和风扇而言提高了对实际流体流量的估算准确性；(c)通过使用例如后弯式鼓风机与前弯式或径向等效物相比，针对恒定流体流系统中给定的流体流量范围减小了流体移动器的尺寸和功率消耗；(d)通过使用例如后弯式鼓风机与前弯式或径向等效物相比，针对恒定流体流系统中给定的流体流量范围降低了流体移动器速度；以及(e)针对HVAC系统中的恒定流体流系统的操作提高了热舒适性和节能效果。
在前述说明书和后附的权利要求中，引用了具有以下含义的多个术语。
如文中所用，以单数叙述并前接用词“一”或“一个”的元件或步骤应该理解为不排除多个元件或步骤，除非清楚地叙述了这种排除。此外，本公开对“示例性实施方案”或“一个实施方案”的谈及不应解释为排除也结合了所叙述的特征的另外的实施方案的存在。
“任选的”或“任选地”意味着随后描述的事件或情形可以发生，也可以不发生，并且该描述包括发生该事件的情况和不发生该事件的情况。
如文中在说明书和权利要求书全文所用的近似语可以适用于修饰准许改变而不会引起它所涉及的基本功能的变化的任何量化表示。因此，由一个或多个术语如“约”、“大约”和“大致”修饰的值并不局限于所指定的精确值。在至少一些例子中，近似语可以对应于用于测量该值的仪器的精度。这里，并且在说明书和权利要求全文中，范围限制可以组合或互换。除非上下文或语言另有说明，否则这些范围被识别并且包括其中包含的所有子范围。
一些实施例包含一个或更多电子处理或计算装置的使用。如本文所使用的，术语“处理器”和“计算机”以及相关术语(例如，“处理设备”、“计算设备”和“控制器”)不局限于本领域中称为计算机的那些集成电路，而是广泛地指处理器、处理设备、控制器、通用中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、精简指令集计算机(RISC)处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理(DSP)设备、专用集成电路(ASIC)以及能够执行本文所述功能的其它可编程电路或处理设备，并且这些术语在本文中可互换使用。以上实施例仅为示例，且因此并非意图以任何方式限制术语处理器、处理设备和相关术语的定义或含义。
在本文描述的实施例中，存储器可以包括但不限于非暂时性的计算机可读介质，例如闪存、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)和非易失性RAM(NVRAM)。如本文所使用的，术语“非暂时性计算机可读介质”旨在表示任何有形的计算机可读介质，包括但不限于非暂时性计算机存储设备，包括但不限于易失性和非易失性介质，可移动和不可移动介质，例如固件、物理和虚拟存储器、CD-ROM，DVD，以及任何其它数字源，例如网络或互联网，以及尚未开发的数字手段，唯一的例外是短暂的传播信号。或者，也可以使用软盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字通用光盘(DVD)或以任何方法或技术实现以用于短期和长期存储信息如计算机可读指令、数据结构、程序模块和子模块或其它数据的任何其它基于计算机的设备。因此，本文描述的方法可以被编码为可执行指令，例如，体现在非暂时性计算机可读介质中的“软件”和“固件”。此外，如这里所使用的，术语“软件”和“固件”是可互换的，并且包括存储在存储器中以由个人计算机、工作站、客户端和服务器执行的任何计算机程序。此类指令在由处理器执行时致使处理器执行文中所述的方法的至少一部分。
而且，在文中所述的实施例中，附加输入通道可以是但不限于与操作员界面如鼠标和键盘相关联的计算机外设。或者，也可以使用其它计算机外设，其可包括例如但不限于扫描仪。此外，在该示例性实施例中，附加输出通道可包括但不限于操作员界面监视器。
本文描述的系统和方法并不局限于本文描述的具体实施例，相反，系统的部件和/或方法的步骤可以与本文描述的其它部件和/或步骤独立地和分开地利用。
虽然本发明的各种实施例的特定特征可能在一些附图中示出而在其它附图中未示出，但这只是为了方便。按照本发明的原理，附图的任何特征可以结合任何其它附图的任何特征来进行论述和/或主张权利。
此书面描述使用了包括最佳模式在内的实例来提供关于本公开的细节，并且还使本领域的任何技术人员能够实施本公开，包括制造并利用任何装置或系统并且执行任何所结合的方法。公开内容可取得专利权的范围通过权利要求来限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果其它示例具有没有不同于权利要求的文字语言所描述的结构元件，或者它们包括与权利要求的文字语言无实质性区别的等同结构元件，则认为此类其它示例包含在权利要求的保护范围内。

Claims (23)

1.一种用于电动机的控制系统，所述电动机构造成驱动流体移动设备以产生流体流，所述控制系统包括：
驱动电路，所述驱动电路构造成调节供应给所述电动机的定子以转动所述电动机的转子并产生流体流的电力；和
处理器，所述处理器联接到所述驱动电路并且构造成：
基于第一控制参数的固定设定点和反馈参数来计算与流体移动设备的系统阻力或静态压力中的至少一者成比例的值；
接收流体流速需求值；
基于流体流速需求值和与系统阻力或静态压力中的至少一者成比例的值来计算第二控制参数的操作设定点；并且
基于操作设定点控制所述驱动电路以向电动机提供电力并且操作流体移动设备以产生流体流。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其中，在计算与系统阻力或静态压力中的至少一者成比例的值时，所述处理器进一步构造成：
基于所述第一控制参数的固定设定点来控制所述驱动电路以向所述电动机供电并操作所述流体移动设备；
确定与所述固定设定点相对应的反馈参数，所述固定设定点和所述反馈参数组合地包括转矩、速度或功率中的两者；并且
确定与所述固定设定点和所述反馈参数相对应的流体流量值。
3.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述处理器进一步构造成：
基于所述第一控制参数的固定设定点和反馈参数通过以下方式计算与系统阻力成比例的值：
基于所述流体流量和速度来计算与由所述流体移动设备产生的静态压力成比例的值；并且
基于所述静态压力和所述流体流量来计算与所述系统阻力成比例的值。
4.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述处理器还构造成使用静态压力相关性算法来计算与所述静态压力成比例的值。
5.根据权利要求1所述的控制系统，其中，在计算所述操作设定点时，所述处理器进一步构造成：
基于所述流体流速需求值和与所述系统阻力或所述静态压力中的至少一者成比例的值来计算静态压力需求值；并且
基于所述静态压力需求值和所述流体流速需求值来计算所述操作设定点。
6.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述第一控制参数和所述第二控制参数是相同的参数。
7.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述第一控制参数是转矩并且所述反馈参数是速度。
8.根据权利要求7所述的控制系统，其中，所述第二控制参数是速度。
9.根据权利要求7所述的控制系统，其中，所述第二控制参数是转矩。
10.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述第一控制参数是速度并且所述反馈参数是所述电动机的输入功率。
11.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述第一控制参数是所述电动机的轴功率输出或所述电动机的输入功率，并且所述反馈参数是速度或转矩。
12.一种操作构造成驱动流体移动设备以产生流体流的电动机的方法，所述方法包括：
基于第一控制参数的固定设定点来控制驱动电路以向所述电动机供应电力并操作所述流体移动设备；
确定与所述固定设定点相对应的反馈参数；
基于所述第一控制参数和所述反馈参数来计算与所述流体移动设备的系统阻力或静态压力中的至少一者成比例的值；
接收流体流速需求值；
基于所述流体流速需求值和与系统阻力或静态压力中的至少一者成比例的值来计算第二控制参数的操作设定点；以及
基于所述操作设定点来控制所述驱动电路以向所述电动机供应电力并且操作所述流体移动设备以产生流体流。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，计算与系统阻力或静态压力中的至少一者成比例的值包括：
确定与第一控制参数和反馈参数相对应的流体流量值；
基于流体流量值和反馈参数计算与由流体移动设备产生的静态压力成比例的值；以及
基于静态压力和流体流量计算与系统阻力成比例的值。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，计算与静态压力成比例的值包括使用静态压力相关性算法计算与静态压力成比例的值。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，计算所述操作设定点包括：
基于流体流速需求值和与系统阻力或静态压力中的至少一者成比例的值计算静态压力需求值；和
基于静态压力需求值和流体流速需求值计算操作设定点。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，第一控制参数和第二控制参数是相同的参数。
17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一控制参数是转矩并且所述反馈参数是速度。
18.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第二控制参数是速度。
19.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第二控制参数是转矩。
20.根据权利要求12所述的方法，其中，第一控制参数是速度并且反馈参数是转矩。
21.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一控制参数是电动机的轴功率输出或电动机的输入功率，所述反馈参数是速度或转矩。
22.一种恒定流体流系统，包括：
流体移动设备；
电动机，其联接到所述流体移动设备并构造成驱动所述流体移动设备以产生进入输出路径的流体流，所述电动机包括定子和联接到所述流体移动设备的转子；
控制系统，其包括驱动电路，该驱动电路构造成调节供应给所述定子以转动所述转子和所述流体移动设备从而产生流体流的电力，以及处理器，所述处理器构造成：
计算与输出路径的系统阻力或静态压力中的至少一者成比例的值；
接收流体流速需求值；
基于流体流速需求值和与系统阻力或静态压力中的至少一者成比例的值计算控制参数的操作设定点；并且
基于操作设定点控制所述驱动电路以向所述电动机提供电力并且操作所述流体移动设备以产生流体流。
23.根据权利要求22所述的恒定空气流系统，其中，所述处理器还构造成：
基于第一控制参数的固定设定点控制所述驱动电路以向所述电动机提供电力并操作所述流体移动设备；
确定与固定设定点相对应的反馈参数，固定设定点和反馈参数组合地包括转矩、速度、所述电动机的输入功率或所述电动机的轴功率输出中的两者；
确定与固定设定点和反馈参数相对应的流体流量值；并且
基于流体流量值和固定设定点或反馈参数计算与系统阻力或静态压力中的至少一者成比例的值。
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