CN207316187U - 一种hvac系统中的致动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型的一种HVAC系统中的致动装置，包括DC电机、驱动装置、电源供应电路、电机短路电路、频率测量电路和控制器等，其中，DC电机的工作电路上具有两个端子；电源供应电路包括电源供应路径用于连接电源输入与DC电机的两个所述端子；频率测量电路监测DC电机工作时的电流，控制器基于所监测到的电流信号通过调整电机电源的电力供应来调整电机的目标速度。电机短路电路，用于短路DC电机的两个所述端子使得电机瞬间停止运转。本实用新型的电路设计无需额外增加传感器来监测电机的工作电流便可实现对电机工作电流的监测，并调整电机的转速，同时通过电机线圈短路的方式在电源意外关闭时迅速使得电机停止转动。

Description

一种HVAC系统中的致动装置

技术领域

本实用新型涉及一种电动机控制装置，具体涉及一种电动机控制装置，通过控制HVAC系统中的电机来控制步进电动机，从而驱动HVAC系统中的驱动装置，以带动致动部件。

背景技术

在HVAC(Heating Ventilation and Air Conditioning，供热通风与空气调节)系统中的DC(Direct Current，直流)电机被用来控制其致动部件，如控制风阀或是水阀，从而来驱动如空气或液体的流动。

HVAC系统运行需要其DC电机中的定子对转子具有足够的锁定力矩 (detenttorque)，因为在DC电机停止工作时，人们希望DC电机中的转子对其驱动的致动部件需要有一定的阻力。这种由DC电机产生的锁定力矩能够阻止致动部件产生不理想的位置滑动，以使致动部件停止在理想的位置。而且，HVAC系统运行需要其DC电机能对其速度进行控制，因为如果DC电机转速太高，一些内部齿轮将受到巨大的动力损耗，这样齿轮可能会被破坏。

传统的HVAC系统中使用微BLDC电机(Micro BLDC)。微BLDC电机能够满足锁定力矩的要求，因为微BLDC电机具有放大其锁定力矩的功能；而且微 BLDC电机具有控制速度的功能，因为其内部使用了几个霍尔传感器，使之能够探测和控制其速度。

尽管传统HVAC系统中的DC电机能够满足工业的现有运行要求，但是传统的HVAC系统中的DC电机价格相对昂贵；而档次较低的DC电机价格相对便宜，但不满足所需的锁定力矩，也不能提供调节电机速度的功能。

发明内容

为了克服现有技术中的不足之处，在第一方面，本申请提供一种改进的 HVAC系统中的致动装置，所述致动装置包括：

DC电机，所述DC电机具有两个端子；

驱动装置，所述驱动装置由所述DC电机驱动，并与可移动阀门连接，并用于在多个操作位置之间驱动所述可移动阀门；

电源供应电路，所述电源供应电路包括电源供应路径并与电源输入连接，所述电源输入通过所述电源供应电路可控地连接到所述两个端子；

电机短路电路，用于对所述DC电机的所述两个端子进行短路；以及

控制器，所述控制器被设置为控制所述电源供应电路和所述电机短路电路，使得电源供应电路可控地将所述电源输入连接到所述两个端子，使得电机短路电路可控地对所述DC电机的所述两个端子进行短路。

在以上第一方面，所述的致动装置，进一步包括：

频率测量电路，用于探测所述DC电机的当前速度，并将监测的电机电流信号实时传输至所述控制器。

所述的致动装置，所述电源供应电路进一步包括：电机驱动电路，所述电机驱动电路接收所述控制器的信号，以调节所述DC电机的转速达到设定的目标速度。

所述的致动装置，其中所述频率测量电路与所述电源供应电路连接。

在以上第一方面，所述的致动装置，其中所述频率测量电路包括：

采样电路，用于对通过所述DC电机的电流信号进行采样；

滤波电路，用于对所述电机电流信号进行滤波；

放大电路，用于对滤波后的电机电流信号进行放大；

比较电路，用于将放大后的电机电流信号转化为方波。

在以上第一方面，所述的致动装置，进一步包括：电源监测电路，用于监测所述电源输入运行状态并将产生的状态信号反馈至所述控制器；其中，基于所述状态信号，所述控制器使得所述电机短路电路可以对所述DC电机的所述两个端子进行短路控制。

在以上第一方面，所述的致动装置，其中所述电源供应路径进一步包括：

第一路径，用于引导电流沿第一方向通过所述DC电机；

第二路径，用于引导电流沿第二方向通过所述DC电机；

其中通过所述DC电机的所述第一方向与所述第二方向相反；

所述控制器通过所述电源供应路径来控制所述DC电机的运转方向。

在以上第一方面，所述的致动装置，其中所述电机短路电路与所述第一路径和所述第二路径连接，或所述电机短路电路被设置在所述第一路径和所述第二路径之中。

在以上第一方面，所述的致动装置，其中所述电机短路电路为继电器，所述继电器连接至所述DC电机的两个端子，所述继电器包括可在断开和闭合位置之间移动的触点。

在以上第一方面，所述的致动装置，其中所述制动继电器的触点从断开位置移动至闭合位置，从而短路所述DC电机的两个所述端子。

在以上第一方面，所述的致动装置，其中所述DC电机为有刷DC电机。

在以上第一方面，所述的致动装置，其中所述DC电机的速度由脉冲宽度调制信号控制，所述脉冲宽度调制控制信号至少部分基于所监测到DC电机的速度。

在以上第一方面，所述的致动装置，其中通过确定DC电机电流信号输出波形的频率来监测所述DC电机的速度。

在以上第一方面，所述的致动装置，其中所述电机短路电路被设置为在短路所述DC电机之后的0.5至1秒的时间内，停止所述DC电机。

在以上第一方面，所述的致动装置为阀门执行器。

在以上第一方面，所述的致动装置，其中所述可移动阀门为至少一个水阀或风阀。

为了克服现有技术中的不足之处，在第二方面，本申请提供另一种改进的 HVAC系统中的致动装置，所述致动装置包括：

电机；

驱动装置，所述驱动装置由所述电机驱动，并与可移动阀门连接，并用于在多个位置之间驱动所述可移动阀门；

频率测量电路，包括：

采样电路，用于对通过所述电机的电流信号进行采样；

滤波电路，用于对所述电机电流信号进行滤波；

放大电路，用于对滤波后的电机电流信号进行放大；

比较电路，用于将放大后的电机电流信号转化为方波；以及

致动控制器，所述致动控制器被设置为基于所述方波监测所述电机的速度，并基于所监测到的所述电机的速度调整所述电机的目标速度。

在以上第二方面，所述的致动装置，进一步包括：电机驱动电路，所述电机驱动电路接收所述致动控制器的信号，以调节所述电机的转速达到设定的目标速度。

所述的致动装置，其中所述电机的速度由脉冲宽度调制信号控制，所述脉冲宽度调制控制信号至少部分基于所监测到电机的速度。

在以上第二方面，所述的致动装置，其中所述电机为有刷DC电机。

在以上第二方面，所述的致动装置为阀门执行器。

在以上第二方面，所述的致动装置，其中所述可移动阀门为至少一个水阀或风阀。

在以上第二方面，所述的致动装置，其中所述电机的一个循环(或运行一圈)对应所述方波的数个周期。

本实用新型的一种HVAC系统中的致动装置，包括DC电机、驱动装置、电源供应电路、电机短路电路、频率测量电路和控制器等，其中，DC电机的工作电路上具有两个端子；电源供应电路包括电源供应路径用于连接电源输入与DC 电机的两个所述端子；频率测量电路探测DC电机工作时的电流频率，控制器基于所探测到的电流频率通过调整电机电源的电力供应来调整电机的目标速度。电机短路电路，用于短路DC电机的两个所述端子使得电机瞬间停止运转。本实用新型的电路设计无需额外增加传感器来感测电机的工作电流便可实现对电机工作电流的感测，并调整电机的转速，同时通过电机线圈短路的方式在电源意外关闭时迅速使得电机停止转动。

附图说明

图1为本实用新型致动装置的整体结构示意图。

图2A为本实用新型第一种实施例的致动装置的驱动控制板的功能结构示意图。

图2B为本实用新型第二种实施例的致动装置的驱动控制板的功能结构示意图。

图3为本实用新型频率测量电路的功能结构示意图。

图4A为本实用新型第一种实施例的电源供应及短路电路的电路结构示意图

图4B为本实用新型第二种实施例的电源供应及短路电路的电路结构示意图

图4C为频率测量电路的电路结构示意图。

图5为本实用新型第二种实施例的致动装置的继电器的工作结构示意图。

图6A-6D为本实用新型的致动装置工作过程中不同信号波形示意图。

具体实施方式

下面将参考构成本说明书一部分的附图对本实用新型的各种具体实施方式进行描述。应该理解的是，虽然在本实用新型中使用表示诸多的术语，但是在此使用这些术语只是为了方便说明的目的，例如“连接”包括物理连接和电连接；但事实上，某一部件和另一部件连接的时候，可以是直接连接，也可以是通过其他元件间接电连接等等。在可能的情况下，本实用新型中使用的相同或者相类似的附图标记指的是相同的部件。

图1为本实用新型的整体结构示意图。

如图1所示，致动装置100包括驱动控制板106、DC电机102、驱动装置 104以及可移动阀门114。其中，通过连接1和2，驱动控制板106连接DC电机102，以控制向DC电机102提供两个方向的工作电流；而且，驱动控制板 106检测DC电机102中的电流大小，以将DC电机102的速度控制在理想的范围内。DC电机102驱动驱动装置104，通过动驱动装置104带动可移动阀门 114。通过齿轮啮合或是其他传动方式连接，驱动可移动阀门114可在多个操作位置之间变换。在本实用新型中，作为一个实施例，DC电机102为有刷直流电机；可移动阀门114可以为水阀或风阀，水阀或风阀具有多个刻度位置，水阀或风阀的不同的刻度位置反映经过水阀或风阀不同的风量或水量。

具体地说，电机的转动带动阀门执行器的齿轮箱转动，齿轮箱通过连接机构和阀门连接，导致阀门转动，以使得阀门停在某个刻度位置。例如，水阀或风阀可以在0°-90°范围内来回转动。所以，水阀或风阀可以在0°-90°范围内设有多个刻度位置或多个操作位置。当电机向一个方向持续运转时，水阀或风阀可以从0°的刻度位置移向90°的刻度位置，从而可以从小刻度位置到大刻度位置的方向停在其间的任一刻度位置；而当电机向相反方向持续运转时，水阀或风阀可以从90°的刻度位置移向0°的刻度位置，从而可以从大刻度位置到小刻度位置的方向停在其间的任一刻度位置。

图2A为图1所示的驱动控制板106的第一实施例的结构示意图106A。

如图2A所示，驱动控制板106上包括电机电源输入220、电源供应及短路电路202A、频率测量电路204、和电源监测电路222和控制器(MCU)224。

控制器(MCU)224与电源供应及短路电路202A、频率测量电路204、电源监测电路222相连。为了对电源供应及短路电路202A进行控制，控制器 (MCU)224向电源供应及短路电路202A提供三个控制信号：PWM_A、BOT-A、BOT-B；根据这三个控制信号，电源供应及短路电路202A能够：(1)向DC电机102提供两个不同方向的电流；(2)并且在电机电源输入220关闭或消失时，对DC电机102两端的连接1、2进行短路，利用在DC电机102的反向电势产生或放大锁定力矩；(3)控制向DC电机102提供电流的大小，从而控制 DC电机的速度。另外，控制器(MCU)224与电源监测电路222相连，而电源监测电路222与电机电源输入220相连，这样电源监测电路222在运行中可以监测电机电源输入220的工作状态，并将监测到的电机电源输入220的工作状态提供到控制器(MCU)224。而且，控制器(MCU)224还与频率测量电路204 相连，而频率测量电路204与电源供应及短路电路202A相连，这样频率测量电路204在运行中可以监测DC电机102的电流频率，并将监测到的电流频率提供到控制器(MCU)224；根据监测到的电流频率，控制器(MCU)224决定 DC电机102的当前速度，从而来调节PWM_A的占空比，以便在需要时调节DC 电机102的速度。

电源供应及短路电路202A具有两路电流通路和短路通路。在控制器 (MCU)224产生的三个控制信号的控制下，电源供应及短路电路202A将电机电源输入220有选择地接入到两路电流通路；在电机电源输入220关闭或消失时，电源供应及短路电路202A将短路通路接通，对DC电机102两端的连接1、2进行短路，利用在DC电机102的反向电势产生或放大锁定力矩。电源供应及短路电路202A的两路电流通路和短路通路连接到电阻R20上。

频率测量电路204的输入连接到放电或采样电阻R20上，频率测量电路 204将在电阻R20上采样得到的信号输入转化为方波信号。然后，频率测量电路204将方波信号提供给控制器(MCU)224；根据方波信号控制器(MCU)224 决定DC电机102的速度。

图2B为图1所示的驱动控制板106的第二实施例的功能结构示意图106B。如图2B所示，第二实施例中的电源供应电路202B与第一实施例中的电源供应及短路电路202A不同，即：第二实施例的电源供应电路202B两个端子 1、2仅对DC电机102提供电源，但不对DC电机102两个端子1、2进行短路。所以驱动控制板106B要设置继电器218；继电器218的两个输出端与DC 电机102的两个端子1、2分别连接，而其输入端与控制器224相连接。当电机电源输入220关闭或消失时，控制器224向继电器218发出控制信号，将DC 电机102两个端子1、2的进行短路。图2B中驱动控制板106B的其他部件的功能与图2A中相应部件结构和功能相同，故不做赘述；而继电器218的工作原理和结构见图5。

图3为图2A-B中所示频率测量电路204的功能结构更详细的示意图。

如图3所示，频率测量电路204包括采样电路303、滤波电路304、放大电路306和比较电路308。作为电流采样装置，电阻R20的输入端连接在向DC 电机102提供电流的通路上；这样电阻R20能够将通过DC电机102的电流转换成电压信号(参见图6A)，并将反映通过DC电机102电流的电压信号提供到滤波电路304。为了去除反映通过DC电机102电流的电压信号中的干扰成分，滤波电路304对采样到的电压信号进行滤波，并将滤波后的电压信号(参见图6B)提供到放大电路306。放大电路306对滤波后的波形电压信号进行放大，并将放大后的电压信号(参见图6C)提供到比较电路308。比较电路308 将放大后的电压信号与某一固定电压进行比较，当输入电压信号大于该固定电压时，比较电路308输出第一信号状态(高电平或低电平)，否则比较电路 308输出第二信号状态(低电平或高电平)。这样比较电路308将反映通过DC 电机102电流的电压信号转化为方波信号(参见图6D)，并将方波信号发送给控制器(MCU)224。控制器224接受到比较电路308输出的方波信号；由于DC 电机102的一个运行周期(或运行循环)与预期的方波的个数对应，所以控制器224能够根据方波信号的频率来判断当前DC电机102的运行速度，并基于所探测到的DC电机102的运行速度，控制器224调节PWM_A的占空比，从而调节DC电机102的目标速度。在本申请的一个实施例中，DC电机102的一个循环(或运行一圈)对应所述方波的六个周期，所以考虑运行时间参数，控制器224能够决定DC电机102的速度。基于所监测到的电机速度，控制器224 (可以为单片机)通过PWM信号调节电机电压，以使电机达到目标速度。

图4A为图2A中所示驱动控制板106A更详细的电路结构示意图。

如图4A所示，驱动控制板106A包括三极管Q2、Q3、Q4、Q5和电阻R20，这五个部件的设置形成DC电机102的第一电流通路、第二电流通路和短路通路。作为一个实施例；Q2和Q3为PNP型三极管，而Q4和Q5为NPN型三极管。具体地说，三极管Q2和Q3的发射极与电源输入220(电源正端)相连；三极管Q2和Q3的集电极分别与三极管Q4和Q5的集电极相连；三极管Q4和 Q5的发射极与电阻R20的一端相连；电阻R20的另一端与地(GND-电源负端)相连。为了向DC电机提供工作电流和短路通路，DC电机102端子1连接在三极管Q2的集电极和Q4的集电极的连接点上，而DC电机102端子2连接在三极管Q3的集电极和Q5的集电极的连接点上。

驱动控制板106A还包括过压保护二极管，过压保护二极管D6、D7、D3、 D5分别连接在三极管Q2、Q3、Q4、Q5的集电极和发射极两端，对三极管提供过压保护。因为电机是感性负载，所以在断电时，电机反向电动势会产生较高电压，如果对Q2、Q3、Q4、Q5不加二极管保护，将会存在过压击穿的风险。

在图4A的实施例中，当电机电源输入220提供电源时，当三极管Q2和Q5 导通时，三极管Q3和Q4截止；而当三极管Q3和Q4导通时，三极管Q2和Q5 截止。这样在运行时，当三极管Q2和Q5导通时，形成了DC电机102第一方向电流通路：(1)电流从电源输入220(电源输入正端)，经三极管Q2的发射极，流到三极管Q2的集电极，(2)从DC电机102的端子1，经DC电机102中的线圈(未示出)，流出DC电机102的端子2，(3)经三极管Q5的集电极，流出三极管Q5的发射极，(4)经电阻R20，流入地(电源负端)。同样，当三极管Q3和Q4导通时，形成了DC电机102第二方向电流通路：(1) 电流从电源输入220(电源输入正端)，经三极管Q3的发射极，流到三极管 Q3的集电极，(2)从DC电机102的端子2，经DC电机102中的线圈(未示出)，流出DC电机102的端子1，(3)经三极管Q4的集电极，流出三极管 Q4的发射极，(4)经电阻R20，流入地(电源负端)。在第一方向电流通路中的流经DC电机的电流方向与第二方向电流通路中的电流方向相反；所以第一方向电流通路中电流方向和第二方向电流通路中的电流驱动DC电机102向相反方向作旋转或直线运动。

在图4A的实施例中，当电机电源输入220关闭或消失时，三极管Q2、Q3 截止，切断第一方向电流通路和第二方向电流通路；而三极管Q4、Q5同时导通，从而将DC电机102的端子1、2经电阻R20与地接通，形成DC电机102 的端子1、2的短路。

在图4A的实施例中，三极管Q6、Q7是对三极管Q2、Q3、Q4、Q5进行控制的电子部件，作为一个实施例三极管Q6、Q7为PNP型三极管。从结构连接上具体地说，三极管Q6、Q7为PNP型三极管；三极管Q6、Q7的集电极通过电阻R32和R34分别与电机电源输入220串联相接；三极管Q6集电极与电阻R32 之间的连接点421与三极管Q2的基极相连；而三极管Q7集电极与电阻R34之间的连接点431与三极管Q3的基极相连。由控制器224产生的PWM_A、BOT- A、BOT-B是对三极管Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7进行控制的信号。从信号连接上具体地说，三极管Q5、Q6的基极被连接到控制信号BOT-A；三极管Q4、Q7 的基极被连接到控制信号BOT-B；而三极管Q6、Q7的发射极被连接到PMW_A信号。

基于以上的电路结构和控制信号方案，驱动控制板106A中对DC电机102 的上述第一电流通路、第二电流通路和短路通路控制操作，以及对DC电机102 速度的控制操作如下：

(1)连通第一方向电流通路、切断第二方向电流通路：当控制器(MCU) 224所发出的BOT-A为高电平而BOT-B为低电平时，三极管Q4、Q7基极上的输入为低电平，三极管Q4、Q7截止，从而三极管Q7集电极上的输出为高电平；三极管Q7集电极上的输出高电平被连接到三极管Q3的基极上，使得三极管Q3 截止；因为三极管Q3、Q4处于截止状态，上述的第二方向电流通路被切断。此时，因为三极管Q5、Q6的基极上为高电平，三极管Q5、Q6是否导通取决于连接在三极管Q6发射极上PWM_A的脉冲状态。当PWM_A为正输出电压时，三极管Q6的基极和发射极之间不能形成正向偏压，三极管Q6截止，三极管Q6 集电极的输出为高电平，三极管Q2截止，所以上述第一方向电流通路没有被连到DC电机102的端子1、2上。当PWM_A为负输出电压时，三极管Q6的基极和发射极之间形成正向偏压，三极管Q6导通，三极管Q6的集电极输出为低电平，三极管Q2导通；而且因三极管Q5的基极为高电平，三极管Q5导通，所以上述第一方向电流通路被连到DC电机102的端子1、2上。

(2)切断第一方向电流通路、连通第二方向电流通路：当控制器(MCU) 224所发出的BOT-A为低电平而BOT-B为高电平时，三极管Q5、Q6基极上的输入为低电平，三极管Q5、Q6截止，从而三极管Q6集电极上的输出为高电平；三极管Q6集电极上的输出高电平被连接到三极管Q2的基极上，使得三极管Q2 截止；因为三极管Q2、Q5处于截止状态，上述的第一方向电流通路被切断。此时，因为三极管Q4、Q7的基极上为高电平，三极管Q4、Q7是否导通取决于连接在三极管Q7发射极上PWM_A的脉冲状态。当PWM_A为正输出电压时，三极管Q7的基极和发射极之间不能形成正向偏压，三极管Q7截止，三极管Q7 集电极的输出为高电平，三极管Q3截止，所以上述第二方向电流通路没有被连到DC电机102的端子1、2上。当PWM_A为负输出电压时，三极管Q7的基极和发射极之间形成正向偏压，三极管Q7导通，三极管Q7的集电极输出为低电平，三极管Q3导通；而且因三极管Q4的基极为高电平，三极管Q4导通，所以上述第二方向电流通路被连到DC电机102的端子1、2上。

(3)连通短路通路：当控制器(MCU)224从电机电源断电探测电路222 处接受到指示电机电源输入220关闭或消失的信号，控制器(MCU)224将 BOT-A和BOT-B同时设置为高电平，而且将PWM_A也设为高电平。PWM_A的高电平输出使得在三极管Q6、Q7的基极和发射极之间不能形成正向偏压，三极管Q2、Q3截止，上述第一方向电流通路和第二方向电流通路同时被切断。但是由于三极管Q4、Q5的基极被连接到高电平上，利用DC电机102线圈中(未示出)的电流，三极管Q4、Q5导通；通过电阻R20、三极管Q4、Q5将DC电机102的端子1、2与地瞬时短路，使得DC电机102线圈产生反向电势，从而使得DC电机102能够快速停止。

(4)控制DC电机102速度：上述第一方向电流通路和第二方向电流通路中电流大小受PWM_A中工作电平(可以是低电压)和非工作电平(可以是高电压)之间的比例控制。所以控制器(MCU)224可以通过控制工作电平和非工作电平之间的占空比，来控制流过DC电机102中的电流，从而控制DC电机102 的速度。也就是说，当工作电平在占空比中增大时，DC电机102速度增加；当工作电平在占空比中减小时，DC电机102速度减小。

图4B为图2B中所示驱动控制板106B更详细的电路结构示意图。

在图4B中，除了另加一个继电器218以外，其余的部件以及他们之间的连接关系与图4A一样。而且，在对第一电流通路、第二电流通路以及对DC电机102速度的控制操作中，驱动控制板106B的操作与驱动控制板106A一样。只是在对短路通路控制操作时，驱动控制板106B的操作与驱动控制板106A有区别。在图4B中，继电器218的控制输入端通过连接219连接到控制器224，以便从控制器224处接收控制信号。

具体地说：当控制器(MCU)224从电源监测电路222处接受到指示电机电源输入220关闭或消失的信号，控制器(MCU)224将BOT-A和BOT-B同时设置为低电平，而且将PWM_A设为高电平，三极管Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7全部截止，从而第一电流通路、第二电流通路以及短路通路全部切断。同时，控制器(MCU)224向继电器218发出控制信号，继电器218闭合其触点504、506 (参见图5)将DC电机102的端子1、2与地瞬时短路，使得DC电机102线圈产生反向电势，从而使得DC电机102能够快速停止。

需要说明的是，在对DC电机102的端子1、2与地进行瞬时短路时，DC电机102线圈中产生反向电势的大小正比于对端子1、2进行瞬时短路的速度，速度越快DC电机102线圈中产生反向电势越大，就能产生更大的锁定力矩。在本发明的实施例中，对端子1、2进行瞬时短路的速度所产生的反向电势能够保证在对DC电机102进行短路之后的0.5至1秒的时间内，停止所述DC电机102。

图4C为图3所示频率测量电路204的电路结构更详细的示意图。如以上图3所示，图4C所示的频率测量电路204包括采样电路303、滤波电路304、放大电路306和比较电路308。

采样电路303包括采样电阻R20；电阻R20第一端与电源供应及短路电路 202A或电源供应电路202B相连，而其第二端与地(GND)相连，从而将从电源供应及短路电路202A或电源供应电路202B输送来的电流转变成电压信号。采样电阻R20的第一端(采样电路303的输入端)与限流电阻450的第一端相连，而限流电阻450的第二端(采样电路303的输出端)连接到滤波电路304 的输入端。

滤波电路304包括电容451、电阻452和电容453。电容451的第一端为滤波电路304的输入端，所以电容451的第一端连接到限流电阻450的第二端 (采样电路303的输出端)。电阻452和电容453并联地连接在滤波电路304 的输出端上，并且电容451的第二端也连接在滤波电路304的输出端上。在滤波电路304中，电容451隔直流通交流，可采样R20上的交流分量；电阻452 和电容451共同构成高频RC滤波电路；电容451、电阻452和电容453构成带通滤波器，滤除驱动电机的高频20KHz的PWM电路信号，且将电机电流低频的直流分量去除。

放大电路306包括运算放大器460和两个电阻465、466。运算放大器460 具有正输入端461、负输入端462和输出端463；电阻465、466串联地连接在运算放大器460的输出端463和地(GND)之间；运算放大器460的正输入端 461与滤波电路304的输出端相连；运算放大器460的负输入端461与电阻 465、466的连接点467相连。放大电路306的输出端与限流电阻469的第一端相连，而限流电阻469的第二端与比较电路308的输入端相连。在放大电路306中，运算放大器460可将正输入端461输入的微弱(mV)级别信号放大到 V级别的信号，供比较电路308使用。

比较电路308包括电压比较器470、电阻482、483和484、以及电容 485、486。电压比较器470具有正输入端471、负输入端472和输出端473。限流电阻482串联的连接在比较电路308输入端和电压比较器470正输入端 471之间；电容485连接在比较电路308输入端和地(GND)之间；电容486和电阻483并联地连接在电压比较器470负输入端472和地(GND)之间；限流电阻484连接在电压比较器470负输入端472上。在比较电路308中，电压比较器470将正输入端471的输入信号与负输入端472的输入信号进行比较，如果正输入端471的输入信号大于负输入端472的输入信号，则输出端473输出高电平，否则输出低电平。

在测量DC电机102的转速时，理论上工作电流与电机转速之间的关系，如下：

正弦分量频率与电机转速的关系为：

其中，f_n为脉冲系数，C_e为系数，P为电枢线圈支路数，N为电机转速。

当线圈支路数P为奇数时，C_e的取值为2；当线圈支路数P为偶数时，C_e的取值为1。

根据(1)式，有：

对于被测直流电机，电枢线圈支路数是确定的，因此，测量电机电枢电流，根据电流正弦分量的频率就可得到待测电机的转速。

应该说明的是，结合上述理论，本申请中的频率测量电路204将通过DC 电机102具有一定频率的电流转换成具有相应频率的方波，因为方波信号是控制器224能够处理的信号。所以控制器224通过测量DC电机102一个循环 (或运行一圈)所对应所述方波的数个周期(或数个方波)，就能决定DC电机102的速度。在一个实施例中，所述DC电机102运行一圈对应所述方波的六个周期(或六个方波)。

图5为图2B和图4B中继电器218的结构示意图。继电器218包括激励线圈507、一对常闭触点504和506、以及活动闸片505。激励线圈507连接到控制器224，而第一触点504和第二触点506分别连接到DC电机102的两个端子 1和2上。在继电器218的激励线圈507未通电时，继电器触点504、506以及活动闸片505处于闭合状态；在继电器218的激励线圈507通电后，继电器触点504、506以及活动闸片505处于断开状态。当接通电源开始正常工作时，控制器(MCU)224首先向激励线圈507提供激励电流，激励线圈507回路中的电流产生电磁力，驱动活动闸片505，从而将一对触点504、506断开，从而使得继电器218处于断开状态；然后，控制器(MCU)224再控制电机开始工作，如向不同的方向转动。当电源断电瞬间，控制器224从电源监测电路222处接受到指示电机电源输入220关闭或消失的信号，即监测到电源掉电，则控制器 224停止向激励线圈507提供激励电流，激励线圈507回路中的电流所产生的电磁力消失，导致活动闸片505复位，从而将一对触点504、506闭合，使得对DC电机102的端子1、2瞬时短路。

在图4B和图5中，继电器218起到电机短路电路的作用。

图6A-6D为在图3和4C所示频率测量电路204中各个部件上的波形示意图。

具体地说，图6A所示为采样电路303处输出的经采样而得到的电压信号，电压信号中包括很多噪音；图6B所示为经过滤波电路304滤波处理后的电压信号，滤波掉了图6A中的噪音；图6C所示为经过放大电路306放大后的电压信号，相比图6B，图中的电压值被放大；图6D所示为经过电压比较器 470比较后输出的电压信号，经过比较器比较后为方波形的电压信号。

现有技术中需要使用档次较高的DC电机(如BLDC电机)才能满足对电机锁定力矩(detent torque)和电机速度控制的要求。但是，档次较高的DC电机(包括BLDC电机)价格相对昂贵，原因之一是档次较高的DC电机(如BLDC 电机)的控制系统功能较强(如包括多个霍尔传感器)，所以控制系统相对昂贵。

相对于现有技术，本申请的先进技术效果为：在使用现有档次较低的DC 电机的条件下，通过DC电机中所需的对电机电流通路控制电路的本身，就可以对DC电机电流流入(或流出)两个端子进行短路，从而利用反向电势来改进或放大锁定力矩。而且，通过测量和处理DC电机中的工作电流，使用现有 DC电机中的处理器就可以监测DC电机(包括现有档次较低的DC电机)的速度。这样，在使用档次较低的DC电机的条件下，在不改变(或不过度改变)较低的DC电机控制系统的情况下，也能达到对电机锁定力矩和电机速度控制的要求。

例如，对于较低档次的DC电机，如RF-370CA，其控制系统相对简单，所以其锁定力矩很难超过2.1mNM，无法像Micro BLDC那样达到4mNm-6mNm。而在使用了本申请实施例中的电路结构和控制信号方案后，虽然电机本身的锁定力矩仍然为2.1mNm，但是同样可以保证在断电后，致动装置(或阀门执行器) 不被负载拉回起始位置，从而达到使用较高档次电机(如Micro BLDC)同样的效果。而且，无需因为增加传感器或改变齿轮结构而改动(或增大)现有HVAC 系统的齿轮箱。这样，既弥补了较低档次DC电机本身锁定力矩较小的不足，同时达到在不改变原有机械结构的条件下也能够测量和控制电机转速的要求。如上所述，本申请的技术方案通过对现有技术的改进，既使得本身锁定力矩相对较小的电机也能够用于需要较大锁定力矩的工作环境，达到与本身锁定力矩相对较大的电机同样的技术效果，也可以对本身不具备速度监测或控制功能的电机进行速度监测并加以控制，从而可以在保持同样功能或技术效果并不改变或轻微改变原有机械结构的同时，采用较低档次的电机代替较高档次的电机，可显著地降低制造、维护等相关成本。

尽管参考附图中出示的具体实施方式将对本实用新型进行描述，但是应当理解，在不背离本实用新型教导的精神和范围和背景下，本实用新型的致动装置可以有许多变化形式。本领域技术普通技术人员还将意识到有不同的方式来改变本实用新型所公开的实施例中的参数，均落入本实用新型和权利要求的精神和范围内。

Claims (23)

1.一种HVAC系统中的致动装置(100)，包括：

DC电机(102)，所述DC电机(102)具有两个端子(1，2)；

驱动装置(104)，所述驱动装置(104)由所述DC电机(102)驱动，并与可移动阀门(114)连接，并用于在多个操作位置之间驱动所述可移动阀门(114)；

电源供应电路(202A，202B)，所述电源供应电路(202A，202B)包括电源供应路径(Q2，Q5；Q3，Q4)并与电源输入(220)连接，所述电源输入(220)通过所述电源供应电路(202A，202B)可控地连接到所述两个端子(1，2)；

电机短路电路(Q4，Q5；218)，用于对所述DC电机(102)的所述两个端子(1，2)进行短路控制；以及

控制器(224)，所述控制器(224)被设置为控制所述电源供应电路(202A，202B)和所述电机短路电路(Q4，Q5；218)，使得电源供应电路(202A，202B)可控地将所述电源输入(220)连接到所述两个端子(1，2)，使得电机短路电路(Q4，Q5；218)可控地对所述DC电机(102)的所述两个端子(1，2)进行短路。

2.根据权利要求1所述的致动装置(100)，进一步包括：

频率测量电路(204)，用于探测所述DC电机(102)的当前速度，并将监测的电机电流信号实时传输至所述控制器。

3.根据权利要求2所述的致动装置(100)，所述电源供应电路(202A，202B)进一步包括：电机驱动电路，所述电机驱动电路接收所述控制器(224)的信号，以调节所述DC电机(102)的转速达到设定的目标速度。

4.根据权利要求2所述的致动装置(100)，其中所述频率测量电路(204)与所述电源供应电路(202A，202B)连接。

5.根据权利要求4所述的致动装置(100)，其中所述频率测量电路(204)包括：

采样电路(R20)，用于对通过所述DC电机(102)的电流信号进行采样；

滤波电路(304)，用于对所述电机电流信号进行滤波；

放大电路(306)，用于对滤波后的电机电流信号进行放大；

比较电路(308)，用于将滤波后的电机电流信号转化为方波。

6.根据权利要求1所述的致动装置(100)，进一步包括：

电源监测电路(222)，用于监测所述电源输入(220)运行状态并将产生的状态信号反馈至所述控制器(224)；

其中，基于所述状态信号，所述控制器(224)使得所述电机短路电路(Q4，Q5；218)可以对所述DC电机(102)的所述两个端子(1，2)进行短路控制。

7.根据权利要求1所述的致动装置(100)，其中所述电源供应路径(Q2，Q5；Q3，Q4)进一步包括：

第一路径(Q2，Q5)，用于引导电流沿第一方向通过所述DC电机(102)；

第二路径(Q3，Q4)，用于引导电流沿第二方向通过所述DC电机(102)；

其中通过所述DC电机(102)的所述第一方向与所述第二方向相反；

所述控制器(224)通过所述电源供应路径(Q2，Q5；Q3，Q4)来控制所述DC电机(102)的运转方向。

8.根据权利要求7所述的致动装置(100)，其中所述电机短路电路(Q4，Q5)与所述第一路径(Q2，Q5)和所述第二路径(Q3，Q4)连接，或所述电机短路电路(Q4，Q5)被设置在所述第一路径(Q2，Q5)和所述第二路径(Q3，Q4)之中。

9.根据权利要求1所述的致动装置(100)，其中所述电机短路电路(Q4，Q5；218)为继电器(218)，所述继电器(218)连接至所述DC电机(102)的两个端子(1，2)，所述继电器(218)包括可在断开和闭合位置之间移动的触点(504，506)。

10.根据权利要求9所述的致动装置(100)，其中所述继电器(218)的触点(504，506)从断开位置移动至闭合位置，从而短路所述DC电机(102)的两个所述端子(1，2)。

11.根据权利要求1所述的致动装置(100)，其中所述DC电机(102)为有刷DC电机。

12.根据权利要求1所述的致动装置(100)，其中所述DC电机(102)的速度由脉冲宽度调制信号控制，所述脉冲宽度调制控制信号至少部分基于所监测到DC电机的速度。

13.根据权利要求1所述的致动装置(100)，其中通过确定DC电机电流信号输出波形的频率来监测所述DC电机(102)的速度。

14.根据权利要求1所述的致动装置(100)，其中所述电机短路电路(Q4，Q5；218)被设置为在短路所述DC电机(102)之后的0.5至1秒的时间内，停止所述DC电机(102)。

15.根据权利要求1所述的致动装置(100)，其中所述致动装置(100)为阀门执行器。

16.根据权利要求1所述的致动装置(100)，其中所述可移动阀门(114)为至少一个水阀或风阀。

17.一种HVAC系统中的致动装置(100)，包括：

电机(102)；

驱动装置(104)，所述驱动装置(104)由所述电机(102)驱动，并与可移动阀门(114)连接，并用于在多个位置之间驱动所述可移动阀门(114)；

频率测量电路(204)，包括：

采样电路(R20)，用于对通过所述电机(102)的电流信号进行采样；

滤波电路(304)，用于对所述电机电流信号进行滤波；

放大电路(306)，用于对滤波后的电机电流信号进行放大；

比较电路(308)，用于将放大后的电机电流信号转化为方波；以及致动控制器(224)，所述致动控制器(224)被设置为基于所述方波监测所述电机(102)的速度，并基于所监测到的所述电机(102)的速度调整所述电机(102)的目标速度。

18.根据权利要求17所述的致动装置(100)，进一步包括：电机驱动电路，所述电机驱动电路接收所述致动控制器(224)的信号，以调节所述电机(102)的转速达到设定的目标速度。

19.根据权利要求17所述的致动装置(100)，其中所述电机(102)的速度由脉冲宽度调制信号控制，所述脉冲宽度调制控制信号至少部分基于所监测到电机的速度。

20.根据权利要求17所述的致动装置(100)，其中所述电机(102)为有刷DC电机。

21.根据权利要求17所述的致动装置(100)，其中所述致动装置(100)为阀门执行器。

22.根据权利要求17所述的致动装置(100)，其中所述可移动阀门(114)为至少一个水阀或风阀。

23.根据权利要求17所述的致动装置(100)，其中所述电机(102)运行一圈对应所述方波的数个周期。