普通交流電動機的控制系統的製作方法
2023-10-23 09:23:07 3
專利名稱：普通交流電動機的控制系統的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及控制電動機工作的系統和方法。更具體地說，本發明涉及在各種電動機應用中各種電動機均適用的通用電動機控制模塊。
背景技術：
通常，電動機由配置成在特定應用中控制特定電動機的專用模擬或數字電路來控制。例如，需要一種專用電路來控制電鋸應用中所使用的特定電動機，而需要另一種專用電路來控制電鑽應用中使用的不同的電動機。再進一步說，需要一種專用電路來控制電鋸應用中所使用的特定電動機，而需要不同的電路來控制在臺鋸應用中使用的同一種電動機。一般來說，每種專用模擬或數字電路會由不同的元部件構成。這些元部件通常具有不同的數值和/或控制軟體，以便為每個電動機和每種特定的電動機應用創建獨特的工作特性簡檔。
對於不同的電動機和不同的應用需要不同的專用電路，大大增加了製造、工程設計、零件、庫存以及勞動力成本。這是因為直到目前，還沒有一種「通用」的電動機控制電路或模塊能容易地定製成滿足不同類型應用(例如，電鑽、電鋸，研磨機等)的工作需求。因此，一直存在著這樣一種需求，即最好有一種控制電路或模塊，在要求不同工作特性的許多不同的電動機應用的任何一種指定應用中，它能容易地定製成對許多不同電動機中任何指定的一種電動機的性能加以控制和優化。
發明內容
在本發明的一個最佳實施例中，提供一種利用通用電動機控制模塊來控制電動機工作的方法。所述方法包括在電動機工作時對至少一個電動機的工作判據(即一種動態有關電動機輸入信號)取樣並在AC線路信號的預定周期性時間間隔中執行控制算法。執行算法提供每個周期性時間間隔電子閥的起通角的解。另外，所述方法包括在每個周期性時間間隔中在計算的起通角時啟動電子閥，使電動機按所需的工作參數工作。
在另一最佳實施例中，提供一種通用電動機控制模塊。所述通用電動機控制模塊包括用來存儲硬編碼的控制算法的存儲器。還包括微處理器，用來執行控制算法，以求出在AC線路信號的預定周期性時間間隔時電子閥的起通角的解。所述通用電動機控制模塊還包括可變存儲器，用來存儲在執行控制算法期間使用的至少一種軟編碼的功能係數。軟編碼功能係數對於特定電動機應用是專用的，因此，控制模塊適合於在許多電動機應用(例如不同的電動工具)的任何一種應用中用來控制多種電動機中任何一種電動機的工作。
根據以下的詳細說明和附圖，可以對本發明有更充分的理解，附圖中圖1是按照本發明最佳實施例的通用電動機控制模塊的簡化電路圖；以及圖2是說明圖1所示的通用電動機控制模塊的一般工作的流程圖。
具體實施例方式
圖1是按照本發明最佳實施例的通用電動機控制模塊的簡化電路圖。通用電動機控制模塊10可連接到AC電動機，所述電動機可以是在許多電動機應用的任何一種應用中所用的多種電動機中的任何一種電動機。通用電動機控制模塊10能夠在許多電動機應用的任何一種應用中控制許多電動機中的任一臺電動機。而且，通用電動機控制模塊10包括概括地以標號18表示的數字控制電路。因此，通用電動機控制模塊10是一個數字控制模塊，能用來在許多應用的任何一種應用中控制許多電動機中的任一臺電動機，不需改變元部件，元件數值和/或控制軟體就可建立對特定應用的控制或控制行為。
例如，通用模塊10可用來控制具有高齒輪比並產生大轉矩的重型半英寸電鑽，或用來控制具有較低的齒輪比並僅產生小轉矩的四分之一英寸電鑽。同理，通用電動機控制模塊可用來控制在多種應用中使用的電動機。例如，如果在電鋸應用和電鑽衝床應用中使用一種特定型號的電動機，通用電動機控制模塊10可用來控制電鋸和電鑽衝床中的電動機，而不需改變任何電氣元部件、元件數值或不需改變與模塊10相關聯的控制軟體。
通用電動機控制模塊10還可在AC電源幹線節點20a以及中性節點20b處通過電源線(未示出)連接到AC電源。通用電動機控制模塊10的控制電路18包括向微控制器26提供電源的電源22。微控制器26包括微處理器30，微處理器30已編程用以控制電子閥34，例如雙向可控矽、場效應電晶體(FET)、絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)、可控矽整流器(SCR)、或各種電壓控制器件。微控制器26可以是任何適用的微控制器。一種特別適用於控制電路18的微控制器是AT26微控制器，可從加州，San Jose，ATMEL公司購得。為控制電動機14的工作，微控制器26通過控制電子閥34的工作來控制加到電動機14上的電壓大小。
控制電路18還包括分流電阻38和由電阻46、48、50以及箝位二極體52和54組成的分壓電路42。微控制器26包括放大器56，用來放大分流電阻38上的電壓，微控制器26利用所述電壓來測定流經電子閥34和電動機14的電流。分壓電路42通過電路連線62連接到微控制器26。電阻46、48和50將AC電源電壓分壓成微控制器26可用的電壓電平，如果AC電源電壓發生電壓尖峰，箝位二極體52和54則保護微控制器26不受損壞。微控制器26測量從AC電源通過分壓電路42分壓後的電壓來檢測AC零交叉。或者，微控制器26通過監測子系統提供的數位訊號(所述數位訊號代表AC電壓的零交叉)來傳感AC零交叉。控制電路18還包括一對工作電阻58和60，用來調節在微控制器26的「埠1」和「埠2」的電壓輸入。
通常，通用電動機控制模塊10通過微控制器26以及加到電子閥34的控制輸入端34a的控制信號，以相對於AC電流的零交叉或電壓波形的周期性時間間隔，接通或斷開電動機電流來控制電動機14的工作。這些周期性時間間隔與AC波形同步發生並以導通角(以度數來量度)來測量。導通角確定了在AC波形中啟動電子閥34並向電動機14發送電能的點。例如，每半周期180°的導通角對應於全導通狀態，在這種狀態下，這樣啟動電子閥34，使得整個不間斷的交變電流加到電動機14上。也就是說，這樣啟動電子閥34，使得在AC輸入信號的整個半周電流都流經電子閥34。同理，90°的導通角對應於在指定半周期的中間開始把電源電壓加到電動機14上，因此，這樣啟動電子閥34，使得大約可用能量的一半被加到電動機上。小於90°的導通角對應於在指定半周期的較遲時間啟動電子閥34，使得甚至更少的能量被加到電動機14上。由於導通角確定了電子閥35的啟動點，故在此文中導通角也稱為電子閥34的起通角。
通用電動機控制模塊10是在電動機控制開關64(例如工具通/斷開關)處於接通(即「On」)位置，從而允許電流流經電動機時，控制電動機的工作。在一個最佳實施例中，控制電路18求出AC線電壓的每半周期間電子閥34的起通角的解。或者，控制電路18以多個半周期為基礎求出AC線電壓的每個全周期、每個一又二分之一周期、每兩個周期或任何其它預定的周期性時間間隔期間的起通角的解。為了求出每半周的起通角的解使得電動機14按所需方式進行工作，在電動機14工作時要測定各種有關輸入信號，即，電動機工作判據。各種有關輸入信號在此文中稱為「動態量」(dynamicisms)，包括(但不限於)閉環標度(dial)、開環標度、工作時流經電動機14的電流量、工作時電動機14上的電壓、電動機14提供的轉矩量以及電動機14的速度。例如，第一輸入信號58a可能是閉環標度信號、或是轉速計信號或任何其它的動態量信號。同理，第二輸入信號58b可以是電動機速度信號、或開環標度信號、或任何其它的動態量信號。動態量包括對計算起通角的解有影響的任何電動機工作值或參數。當工作時動態量改變時，每個隨後的半周或基於半周的其它周期性時間間隔中起通角的解也會改變。
為了求出電動機14工作時AC線的每個半周或多個半周中起通角的解，微處理器30執行一種通用的起通角控制算法，所述算法存儲在微控制器26中包含的功能上非易失的存儲器66中。例如，存儲器66可以是只讀存儲器(ROM)、快速存儲器或時間可編程器件(OTP)。或者，存儲器66可以包括在微控制器26外部的通用電動機控制模塊10中。在一個最佳實施例中，在製造通用電動機控制模塊10時就將通用起通角算法硬編碼在存儲器66中。就是說，通用算法作為通用電動機控制模塊10製造過程的一部分存儲在非易失性存儲器66中，一旦存儲到存儲器66中，就不能變動或更改。這樣，通用算法適用於對任何電動機應用(其中任何電動機，例如電動機14，是由通用電動機控制模塊10來控制)求出起通角的解。更具體地說，通用算法求出其中安裝有通用電動機控制模塊10的任何電動機14的起通角的解，使得電動機14按照特定電動機應用所具體要求的參數工作。
微處理器30利用動態量作為輸入執行一般性算法，求出特定電動機10和特定電動機應用所特有的起通角的解。一般來說，一般性算法可用以下方程表示起通角解＝f(動態量)例如，在一個最佳實施例中，一般性算法可更具體地用以下方程表示起通角解＝f(f(開關位置)+(f(標度設定1)+f(標度設定2)+f(電流)+f(電壓)+f(轉速計)+...f(動態量n))；式中「開關位置」指電動機控制開關64的位置，「標度設定1」指閉環所需速度，「標度設定2」指開環起通角箝位，「電流」指流經電動機14的電流量，「電壓」指電動機14上的電壓值，「轉速計」指電動機的旋轉速率。電動機控制開關64控制電動機14的工作狀態。就是說，如果電動機控制開關64處於斷開位置，則電動機14處於「Off」(斷開)工作狀態，而如果電動機控制開關64處於接通位置，則電動機14處於「On」(接通)工作狀態。
微控制器26利用適當的傳感器或讀出電路(未示出)對每個動態量取樣並利用微處理器30來執行一般性算法，求出AC線電壓的每個半周期中電子閥34的恰當的起通角的解。此外，一般性算法利用存儲在非易失性存儲器68中的至少一個軟編碼功能係數來求出起通角的解，使得電動機14按照其具體應用所需的工作參數工作。一般來說，在執行一般性算法時，指定應用的工作參數要求不止一個功能係數。可變存儲器68可以是允許數據存儲、讀出和改變的任何適合的存儲器，例如快速存儲器、可擦除可編程只讀存儲器(EPROM)或電可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)。
在一個最佳實施例中，在製造通用電動機控制模塊10之後且在通用電動機控制模塊在具體應用中使用後將功能係數存儲在可變存儲器68中。例如，如果通用電動機控制模塊10用來控制風鑽的電動機14，則在風鑽已組裝好包含有通用電動機控制模塊10之後才將所述風鑽工作參數所特有的功能係數存儲在可變存儲器68中。這樣，在示範的風鑽已組裝好包含有通用電動機控制模塊10之後，利用能與微控制器26通信的外部裝置(未示出)來編程(即存儲)可變存儲器68中的功能係數。外部裝置通過任何適當的數據傳傳輸裝置將功能係數傳輸給可變存儲器68。例如，功能係數可以通過風鑽的電源線從外部裝置傳送到可變存儲器68。外部裝置可以是任何能傳輸數據的基於計算機的裝置，例如手提計算機、臺式計算機或任何其它編程裝置。或者，模塊10可在製造之後但在即將投入具體應用之前編程。
將動態量和關聯的功能係數的乘積總加起來，也可表示含有功能係數的一般性算法的又一推導，如以下方程所示起通角解＝f(開關位置)*((標度設定1*C1)+((標度設定2*C2)+(電流*C3)+(電壓*C4)+(轉速計*C5)+...(動態量n*Cn))；式中，如果電動機控制開關64位於接通(即「On」)位置，「開關位置」的值等於1，如果電動機控制開關64位於斷開(即「Off」)位置，則「開關位置」的值等於0。此外，C1、C2、C3、C4、C5...Cn均為電動機14的具體應用所特有的功能係數，使得電動機14按照具體應用所需的工作參數工作。
因此，如果某一動態量在指定應用中對電子閥34的起通角解沒有影響，則所述特定動態量的功能係數為0。例如，如果通用電動機控制模塊10使用在需要開環控制的應用中，則在上述一般性算法中，C2、C3、C4和C5都為0。但是，如果通用電動機控制模塊10使用在需要閉環控制的應用中，則C1，C2，C3和C4均具有適合於使電動機14按照所需的工作參數工作的數值，而C5為0。
因此，在一個最佳實施例中，微處理器30在AC電源的每個半周期執行一般性算法，利用存儲在可變存儲器68中的功能係數作為算法中的常數，並利用動態量作為輸入變量，對每個指定的半周期求出電子閥34的起通角解。或者，微控制器26可在多個半周期的基礎上執行一般性算法，而不是在每個半周期執行一般性算法。在這種情況下，計算的每個起通角解將用來在兩個或兩個以上連續的半周期中啟動電子閥34。就是說，雖然將根據執行一般性算法而產生的起通角解而在每個半周期中啟動電子閥34，但並不是在每個半周期或多個半周期中執行所述一般性算法。
由於動態量是變量，因此，在電動機14工作期間，由於電動機14的負載要求的變化以及其中安裝有電動機10的裝置的功能設定的變化，計算的起通角解會改變。例如，如果在工作期間電動機14的負載要求改變，電動機14使用的電流和電壓的動態量就會改變，導致起通角解的改變，以補償電動機14所需功率的改變。另外，如果用戶改變了電鑽的速度設定，關聯的動態量就會改變，從而改變了由一般性算法產生的起通角解。
在本文中描述的各種最佳實施例中，雖然對通用電動機控制模塊10執行上述一般性算法作了說明，但應理解，所述具體算法僅是示範性的，因為示範算法的這種說明並不能包括用來實現本發明的通用電動機控制模塊10的全部可能算法。因此，本專業技術人員可以在不超越本發明範圍的情況下對上述算法加以改變。
圖2示出按照本發明的最佳實施例的通用電動機控制模塊10(示於圖1)的一般工作流程圖。在通用電動機控制模塊10的實際應用中，在每個指定的半周，或多個半周，微控制器26最初與AC電壓源的零交叉同步，得到電子閥34啟動的基準值，示於步驟104。接著，微控制器26利用微處理器30對任一個或全部動態量取樣，示於步驟108。微處理器30從可變存儲器68檢索軟編碼功能係數，示於步驟112。微處理器30在檢索功能係數後，執行包括動態量和功能係數的一般算法，求出在預定的周期性時間間隔(即半周期)內電子閥的起通角的解，示於步驟116。然後微處理器30在指定的周期性時間間隔內以計算的起通角啟動電子閥34，從而使電動機14按照電動機14的特定應用工作參數工作，示於步驟120。
雖然以上已經描述了硬編碼在存儲器66中的一般算法，但是，在另一最佳實施例中，所述一般算法軟編碼在可變存儲器中，例如存儲器68中。因此，在該實施例中，可以在通用電動機控制模塊10製造之後，將一般算法編程到通用電動機控制模塊10中。而且，通過將一般算法存儲在可變存儲器中，可以利用外部編程裝置改變所述一般算法，只要需要任何時候都可改變。
此外，雖然本文中所述的各種最佳實施例公開了通用電動機控制模塊10的微控制器實現方案，但是，顯然，通用電動機控制模塊也可採用其它形式的數字電路。即，通用電動機控制模塊10的控制電路18可包括適用於對動態量取樣並執行一般算法的任何電氣和半導體器件，如上述。例如，控制電路18可以是分立數字邏輯集成電路，或專用集成電路(ASIC)，或其組合。
雖然用各種特定的實施例對本發明作了說明，但本專業的技術人員會認識到，利用在本發明的精神和範圍內進行的修改也可實現本發明。
權利要求
1.一種利用通用電動機控制模塊控制適用於多種不同的電動機應用的多種不同電動機中任一種電動機的方法，其中，每一種所述電動機應用要求不同的電動機性能參數，所述方法包括在所述多種電動機中的一種指定的電動機工作時，對至少一個電動機工作判據取樣，所述電動機工作判據代表有關的電動機輸入信號；在交流線路信號的預定周期性時間間隔內，執行通用控制算法，以便求出在每個所述周期性時間間隔內電子閥的起通角解，其中，所述電子閥控制流經所述電動機的電流；以及在所述周期性時間間隔內按照所述起通角解啟動電子閥，以便使所述電動機的工作適合於多種電動機應用中的一種預定應用。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於執行所述控制算法包括利用所述電動機的特定應用所特有的至少一個軟編碼的功能係數來執行所述控制算法；以及利用所述電動機的工作判據作為變量輸入來執行所述控制算法。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於對至少一個電動機工作判據取樣包括獲取關於以下各項中至少一項的傳感器讀數觸發位置、閉環標度、開環標度、流經所述電動機的電流、所述電動機上的電壓以及電動機速度。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述方法還包括當所述通用電動機控制模塊和所述電動機使用在多種電動機應用中的一種不同應用中時以改變的起通角的解來啟動所述電子閥，使得所述電動機的工作符合所述不同的電動機應用的工作參數。
5.一種適合於控制多種不同電動機中任一種電動機的通用電動機控制模塊，所述多種不同電動機適用於要求不同電動機工作參數的多種不同的電動機應用，所述通用電動機控制模塊包括第一存儲器，配置成存儲硬編碼的通用控制算法；微處理器，配置成執行所述通用算法，以求出在交流線路信號的預定周期性時間間隔內電子閥的起通角解，其中，所述電子閥控制流過所述多種電動機中指定電動機的電流，從而控制所述電動機的工作；以及第二存儲器，配置成存儲多種電動機應用中一種特定應用所特有的至少一個軟編碼功能係數，其中，在執行所述控制算法時使用所述功能係數，以便所述起通角的解使所述電動機按照所述特定電動機應用的特定工作參數工作。
6.如權利要求5所述的通用電動機控制模塊，其特徵在於當所述通用電動機控制模塊和所述電動機使用在多種電動機應用中的一個不同應用中時改變所述起通角的解，以便使所述電動機的工作符合所述不同的電動機應用的工作參數。
7.如權利要求5所述的通用電動機控制模塊，其特徵在於所述微處理器還配置成在所述電動機工作時對至少一個電動機工作判據取樣，所述動態量代表有關的電動機輸入信號。
8.如權利要求7所述的通用電動機控制模塊，其特徵在於所述微處理器還配置成在執行所述控制算法時利用所述電動機工作判據作為輸入到所述控制算法的變量。
9.如權利要求7所述的通用電動機控制模塊，其特徵在於所述電動機工作判據包括關於以下各項中至少一項的傳感器讀數觸發位置、閉環標度、開環標度、流經所述電動機的電流、所述電動機上的電壓以及電動機速度。
10.如權利要求5所述的通用電動機控制模塊，其特徵在於所述通用電動機控制模塊配置成能在所述通用電動機控制模塊製造之後首次將所述軟編碼功能係數存儲在所述第二存儲器中。
11.如權利要求10所述的通用電動機控制模塊，其特徵在於所述電動機控制模塊還配置成能夠在首次存儲所述軟編碼功能係數後改變所述第二存儲器中的所述軟編碼功能係數，使得所述電動機的所述工作參數可改變。
12.一種電動工具，它包括；通用電動機控制模塊，配置成控制安裝在多種電動工具中任一指定工具中的多種電動機中任一電動機的工作，其中所述通用控制模塊包括第一存儲器，配置成存儲硬編碼的控制算法；微處理器，配置成執行所述控制算法，以求出在交流線路信號的預定周期性時間間隔內電子閥的起通角的解；以及第二存儲器，配置成存儲在執行所述控制算法時使用的至少一個軟編碼功能係數，其中所述軟編碼功能係數是所述電動工具的工作參數所特有的。
13.如權利要求12所述的電動工具，其特徵在於還包括用於在所述通用控制模塊和外部裝置之間傳輸數據，使得所述軟編碼功能係數在所述通用電動機控制模塊製造之後首次被存儲在所述第二存儲器中的裝置。
14.如權利要求13所述的電動工具，其特徵在於所述通用控制模塊還配置成通過所述傳輸裝置與所述外部裝置通信，以便能夠在所述第二存儲器中首次存儲了所述軟編碼功能係數之後改變所述軟編碼功能係數，使得所述電動機的工作參數可以改變。
15.如權利要求13所述的電動工具，其特徵在於所述通用控制模塊和所述外部裝置之間的通信裝置是電動工具的電源線。
16.如權利要求12所述的電動工具，其特徵在於所述微處理器還配置成在所述電動機工作時對至少一個電動機工作判據取樣。
17.如權利要求16所述的電動工具，其特徵在於所述微處理器還配置成在執行所述控制算法時利用所述電動機工作判據作為輸入到所述控制算法的變量。
18.如權利要求17所述的電動工具，其特徵在於所述電動機工作判據包括關於以下各項中至少一項的傳感器讀數觸發位置、閉環標度、開環標度、流經所述電動機的電流、所述電動機上的電壓以及電動機速度。
19.一種利用通用控制模塊控制多種電動機應用中任一種應用中的多個交流電動機中任一種電動機的方法，所述方法包括將所述電動機中一個指定的電動機電連接到所述通用控制模塊，其中所述通用控制模塊包括微處理器；將通用控制算法存儲在所述通用控制模塊中所包含的電存儲器中；將至少一個功能係數存儲在所述通用控制模塊中所包含的可變電存儲器中，其中，所述功能係數是所述電動機應用中特定的電動機應用所特有的；在所述電動機工作時對至少一個電動機工作判據取樣，所述電動機工作判據代表有關的電動機輸入信號；利用所述功能係數作為所述控制算法中的常量並且利用所述電動機工作判據作為所述控制算法中的可變輸入值，在交流線路信號的預定周期性時間間隔內執行所述控制算法，以便求出在每個周期性時間間隔內電子閥的起通角的解；以及在每個周期性時間間隔內按照所述起通角解啟動所述電子閥，以便使所述電動機的工作適合於所述特定電動機應用。
20.如權利要求19所述的方法，其特徵在於存儲控制算法包括在製造所述通用控制模塊時將所述控制算法存儲在所述存儲器中。
21.如權利要求20所述的方法，其特徵在於存儲至少一個功能係數包括在製造所述通用控制模塊後將所述功能係數存儲在所述可變存儲器中。
22.如權利要求19所述的方法，其特徵在於對至少一個電動機工作判據取樣包括獲取關於以下各項中至少一項的傳感器讀數觸發位置、閉環標度、開環標度、流經所述電動機的電流、所述電動機上的電壓以及電動機速度。
23.如權利要求19所述的方法，其特徵在於存儲至少一個功能係數包括在所述可變存儲器中存儲不同的功能係數，使得所述功能係數是所述電動機應用中不同電動機應用所特有的。
24.如權利要求19所述的方法，其特徵在於存儲至少一個功能係數包括在所述可變存儲器中存儲不同的功能係數，以便改變所述特定電動機應用的工作參數。
25.如權利要求19所述的方法，其特徵在於存儲至少一個功能係數包括將所述功能係數從外部裝置傳送到所述通用控制模塊的可變電存儲器中。
26.如權利要求19所述的方法，其特徵在於所述方法還包括當所述通用電動機控制模塊和所述電動機一起使用在多種電動機應用中的一種不同的電動機應用中時以修改後的起通角的解啟動所述電子閥，以便使所述電動機的工作符合不同電動機應用的工作參數。
全文摘要
一種利用通用電動機控制模塊來控制電動機工作的方法。所述方法包括在電動機工作時對至少一個電動機工作判據取樣並在AC線路信號的預定周期性時間間隔執行通用控制算法。執行所述算法提供在每個周期性時間間隔內電子閥的起通角的解，從而可控制電動機的工作。而且，所述方法包括在每個周期性時間間隔內以計算的起通角啟動電子閥，使得電動機按照所需的工作參數工作。
文檔編號H02P29/00GK1543055SQ20041004223
公開日2004年11月3日 申請日期2004年4月29日 優先權日2003年4月30日
發明者D·C·布羅託, D C 布羅託 申請人:布萊克-德克爾公司