用於電動機控制的系統和方法

2023-05-24 13:32:21

專利名稱：用於電動機控制的系統和方法
用於電動才幾控制的系統和方法技術領域^^開一般涉及控制系統和方法，具體涉及用於控制電動機的系統和 方法。
背景技術：
冷卻系統典型地使冷卻介質循環，以便為多種工業系統提供散熱。這 些冷卻系統可包含由電動機驅動的泵以及用於調節電動4幾的一個或一個以 上的運行方面的控制器。典型地，控制器包含多個導線，以便提供電力以 及泵、電動機和控制器之間的通信。這多個導線可能增加冷卻系統的複雜 性和成本，降低冷卻系統的可靠性。另外，具有分立的電動機、泵和控制 器單元的冷卻系統的空間要求可能降低設計的靈活性。2004年3月9日授予Allen等人的美國專利No.6,702,555 ( " '555 專利")中介紹了設計較為簡單、較為緊湊的冷卻系統的一種努力。"'555 專利，，介紹了布置在一個共用外殼中的流體泵、電動機和電路板。電力和 通信信號通過位於流體泵外殼上的短端子(stud terminal)被提供給電動 機。這種將電動機、泵、電路包含在共用外殼中的集成方法產生了緊湊的 布置，且短端子可簡化外部布線。儘管'555專利的系統可能是緊湊的且在外部是簡單的，其在內部仍 然是複雜、昂貴、缺乏可靠性的。例如，電路板可仍使用多個導線來對電 動機、泵、控制器進行互連。這多個導線可增大成本並降低冷卻系統的可 靠性。另外，'555專利的系統可使用一個或一個以上的短端子以提供通 過流體泵外殼壁的多個連接，從而向電動機供給電力和通信。這多個連接 可增大流體通過泵外殼壁洩漏的可能性。當前公開的電動機控制系統和方法被指向克服上面所述的 一個或一個以上的問題。 發明內容根據一個實施形態，本公開被指向電動機控制系統。電動機控制系統 可包含外殼和布置在外殼內的電動機。電動機控制系統還可包含致動器， 其被有效耦合到電動機並被配置為對電動機的運行做出響應地運行。電動 機控制系統還可包含布置在外殼內並可通信地耦合到電動機的控制器。電 動機控制系統還包含可通信地將電動機耦合到控制器的第一電導體，其中， 控制器被配置為通過第 一 電導體向電動機供給電力以及與電動機傳送數據 信號。根據另一實施形態，本公開被指向一種運行電動機的方法。該方法可 包含通過第一電導體向電動機提供電力信號。該方法還可包含通過第一電 導體將控制信號從控制器指引到電動機。


圖1示出了示例性公開冷卻系統；以及圖2示出了用於運行圖1的冷卻系統的示例性公開方法的流程圖。
具體實施方式
圖1示出了示例性冷卻系統10。冷卻系統10可包含協作以使z使冷卻 介質在整個工作系統中循環以調節工作系統的溫度的部件。例如，冷卻系 統10可包含淨皮配置為容納冷卻介質儲備的池(tank) 11。冷卻系統10還 可包含一個或一個以上的冷卻管路12以及電動機控制系統13。儘管冷卻 系統10被示為用於對內燃機14進行冷卻的流體系統，可以想到，冷卻系 統10可包含其他類型的冷卻系統，例如噴射空氣系統(未示出)、油系統 (未示出)、基於凝膠的系統、壓縮氣體系統或任何其他類型的冷卻系統。 另外，冷卻系統IO可被配置為冷卻多種設備系統，例如個人計算機、車輛 變速器、電池、燃料電池或任何這些可產生熱的系統。冷卻系統10的冷卻介質可包含任何可適用於沿著冷卻系統10的流動路徑從一個或一個以上的部件吸收熱的材料。例如，冷卻介質可包含水、 基於乙二醇的冷卻劑、基於石油的潤滑油、合成油、基於二氧化矽的凝膠、 空氣、氣態冷卻劑或任何其他合適的用於吸收和/或耗散熱的材料。冷卻管路12可包含用於指引冷卻介質在整個冷卻系統10中以及一個 或一個以上的發熱部件附近的流動以^f更從該部件獲取熱的部件。特別地， 冷卻管路12可包含一個或一個以上的流體傳輸線15和/或一個或一個以上 的閥16,閥16被配置為控制冷卻介質的流速和路徑。儘管冷卻管路12被 示為與一個部件系統(即內燃機14)相關聯，可以想到，冷卻管路12可具有用於對附加部件和/或部件系統進行冷卻的多個流動路徑。例如，冷卻 管路12可進一步耦合到熱交換器17、散熱器、空調系統或任何可包含循 環冷卻介質的其他裝置。閥16可淨皮操作為更改流體在整個冷卻系統10中的流速。例如，如果 冷卻管路12的主幹線的流動路徑中的一個或一個以上的部件需要提高的 冷卻介質流速， 一個或一個以上的閥16可淨皮關閉，以限制冷卻介質向冷卻 管路12的非關鍵部件的流動。可以想到，閥16可被手動操作或電氣致動。熱交換器17可被布置在冷卻管路12的流動路徑內，並可包含一個或 一個以上的4皮配置為從一流體向另一個傳送熱的裝置。例如，熱交換器17 可包含用於汽車冷卻系統的空氣冷卻散熱器，其中，高溫冷卻劑經過多個 線圏，這些線圏通過在線圏之間和線圏周圍流動的空氣的循環來冷卻。還 可想到，熱交換器17可實現其他類型的熱交換器，例如殼狀(shell)和管 狀(tube)熱交換器、盤型熱交換器、蒸汽型熱交換器或任何其他合適的 熱交換裝置。電動機控制系統13可包含用於監視以及可操作地控制冷卻系統10的 一個或一個以上方面的部件。例如，電動才幾控制系統13可監4見和控制供給 冷卻系統10的一個或一個以上部件的電力、冷卻介質的壓縮、冷卻介質通 過冷卻系統10的流速、冷卻介質的溫度和/或冷卻系統的任何其他運行方 面。除其他的以外，電動機控制系統13可包含外殼18、致動器19、電動機20、控制器21、第一電導體22以及視情況可選的第二電導體23。外殼18可容納冷卻系統10的一個或一個以上的部件，並可-皮配置為 將冷卻系統10的部件與周圍環境隔離。外殼18還可提供對於冷卻介質的 一個或一個以上的流動路徑。外殼18可由多種材料構建，例如聚合物、鋁、 合金、鋼、PVC、橡膠和任何其他合適的材料。電動機20可被布置在外殼18中，並被配置為提供用於移動致動器19 的機械力。例如，電動機20可包含可被耦合到推進器以提供用於壓縮冷卻 介質的旋轉力的無刷DC電動機。另外，還可想到，電動機20可包含用於 提供機械能輸出的任何合適的電動機，例如AC感應電動機、通用電動機、 線性電動4幾、脈沖驅動器或能夠移動致動器19的任何其他類型的裝置。電動機20可包含定子、與定子通過氣隙分離的轉子、 一個或一個以上 與定子相關聯的電導體。在一個實施例中，轉子可包含永磁體、鐵心或銅 心或者任何其他具有高磁導率的金屬材料，其被配置為在存在可變電場的 情況下相對於定子旋轉。可變電場可通過使電流經過一個或一個以上與定 子相關聯的場導體來提供。電動機20可包含一個或一個以上的電驅動電路，以便基於所希望的轉 子速度或轉矩控制流經場導體的電流。在一個實施例中，電驅動電路可包 含一個或一個以上的電開關，該開關在糹皮操作時可向所述一個或一個以上 的場導體提供電流。基於開關操作的定時序列和開關持續時間，場導體中 的瞬時電流可產生用於移動轉子的可預測的時變電磁場。所述一個或一個 以上的電驅動電路可被操作為提供直流電力信號或交流電力信號。另外， 由於所述一個或一個以上的電驅動電路可包含一個或一個以上的開關元 件，可以想到，交流電力信號可被分為變化的直流電力信號的不連續片段。致動器19可,皮有效耦合到電動4幾20並可包含一個或一個以上的^皮配 置為對電動機20的運行做出響應地運行的裝置。致動器19可包含任何可 被配置為基於電動機的運行而移動的機械裝置，例如扇葉、振動機構、活 塞、軸臂、用於使冷卻介質循環的加壓裝置或任何其他這類機械裝置。例 如，在一個實施例中，致動器19可包含被耦合到軸的推進器，其在^L旋轉在整個冷卻系統10中循環。還可想到，致動器19 可包含用於壓縮冷卻介質的其他裝置，例如封裝在泵室內的活塞、齒輪位 移系統、旋轉葉片、加壓噴射器(pressurizationjet)或任何其他這類裝置。 控制器21可包含^皮配置為運行和控制電動機20的一個或一個以上的 運行方面的部件。例如，控制器21可被配置為提供電力信號、電驅動功能、 電子開關、速度控制或電動機20的任何其他運行或控制功能。控制器21 可包含用於運行軟體應用的多個部件(未示出)。例如，控制器21可包含 中央處理單元(CPU)(未示出)、計算機可讀存儲器(未示出)、隨機 訪問存儲器(RAM)(未示出)、輸入/輸出(I/O)元件(未示出)等。 控制器21可為獨立單元，或者作為替代地可被集成在電動機20的一部分 內。控制器21可被可通信地耦合到外部電源25,並適用於向電動機20提 供電力。控制器21可直接或通過配電模塊被耦合到外部電源，配電模塊被 配置為向部件系統的一個或一個以上的部件供給電力。例如，控制器21 可通過電子控制單元24被耦合到車輛的交流發電機，電子控制單元24可 被配置為對交流發電機所產生的電能的至少 一部分進行分配。在這種配置 中，控制器21可被間接耦合到電子控制單元25。還可想到，控制器21經 由第二電導體23被直接耦合到電源25 。控制器21可被配置為向電動機提供電力信號。例如，控制器21可接 收來自電源25的電力信號並通過第一電導體22直接將該信號傳送到電動 機20。或者，控制器21可被配置為在將電力信號提供給電動機20之前對 電力信號進行操縱(例如將AC電力信號轉換為DC信號)。控制器21可#:配置為監視電動機的一個或一個以上的運行特性並基於所監視的運行特性控制到電動機20的場導體的電流。例如，控制器21 可監視冷卻介質的溫度、壓力和/或流速，並判斷各個被監視的特性是否在 所希望的範圍內。如果例如所監視的溫度在所希望範圍之外，控制器21 可通過改變電動4幾20的速度來調節冷卻介質通過冷卻系統10的流速。速 度控制可通過改變流過電動機20的一個或一個以上的場導體的瞬時電流8來實現。增大通過場導體的電流可改變電動機20的軸的角速度，導致增大 的冷卻介質流速。控制器21可被配置為通過通用接口向電動機20提供電力和開關控制 信號。在一個實施例中，控制器21可被配置為具有用於將多個信號集成到 通用接口上的通信電路。例如，控制器21可通過通用接口以對於高效能量 傳送的適當頻率(典型地以DC與幾百赫茲(例如60Hz的AC信號)之 間的基頻)向電動機20提供電力信號，同時，以適合於快速高效數據傳輸 的較高頻率(例如千赫茲範圍、兆赫茲範圍、吉赫茲範圍等)傳送開關控 制信號。或者，控制器21可使用一系列電開關周期性地提供部分電力信號。 在這種實施例中，可使用電子開關將電力信號(以供給電動機的直流的形 式)分為電流脈沖。結果，控制與數據信號可在接口上不存在開關活動的 開關周期內在通用接口上#1傳輸。控制器21可被配置為通過監視對於電力信號的電開關周期來確定對 於到電動機20的數據通信的時間段。所確定的數據通信時間段可基於電子 開關的開關速度。例如，控制器21可確定保持與電動機20相關聯的軸的 所希望的角速度需要的開關速度。控制器21可確定與沒有電力信號被提供 給電動機20的開關周期部分相關聯的通信時間段。控制器21可在所確定 的通信時間段內傳送數據與控制信號。控制器21可被可通信地耦合到電動機20並被配置為接收來自電動機 20的數據和/或控制信息。例如，控制器21可包含發送器(未示出)、接 收器(未示出)、調製與解調電路(未示出)和/或一個或一個以上的復用 器(未示出)，其用於將數據和控制信號化(signalization)處理成為對於 高效數據傳送的多種頻域和/或時域波形。電子驅動器26可被可通信地耦合到電動機20並可操作地通過電力布 線提供到電動機20的電力信號化。例如，電子驅動器26可實現用於無刷 DC電動機的開關電路，其在有效時提供到一個或一個以上的場導體的預 定電流，以<更運4亍電動才幾20。電子驅動器26可糹皮可操作地提供直流電力 信號或交流電力信號。例如，由於電子驅動器26可包含一個或一個以上的開關元件，可以想到，交流電力信號可被分為變化的電力等級與脈衝寬度 的不連續片段。在一個實施例中，電子驅動器26可被可通信地耦合到控制器21，並 適用於可選擇地耦合電動機20以及控制器21，以便通過電力布線向電動 機20提供控制信號。例如，控制器21可確定用於數據通信的時間段，並 有選擇地將控制器21耦合到電動機20。這種有選擇的耦合可提供用於通 過電力布線將控制信號傳送到電動機20的信號流動路徑。電子驅動器26可被配置為提供與電動才M目關聯的轉子的位置反饋，以 1"更確定激勵序列(energizing sequence )的定時。例如，電子驅動器26可 包含用於監視與電動機相關聯的轉子的位置的電路和/或邏輯算法，並將所 監視的位置信號傳送到控制器21。第一電導體22可以可通信地將控制器21耦合到電動機20和電源25。 第一電導體22可被設計為控制器21與電動機20之間的電力控制以及數據 數位化的主要介質。第一電導體22可包含金屬線、導電軌跡、電力總線或 現有技術中已知的用於傳導電氣信號的任何其它裝置。另外，可以想到，笫 一電導體22可包含用於傳導覆蓋多個頻率範圍的電氣信號的介質，在頻 率範圍上有著基本上很低的衰減。儘管第一電導體22被示為一個導體，可 以想到，第二電導體22包含一個或一個以上的導體。類似地，第二電導體23可被可通信地耦合到控制器21，並可被適用 為到電動才幾控制系統13以外的一個或一個以上部件——例如電源25、電 子控制單元24、主控制器、數據分析器、診斷系統、計算機和/或任何其它 適用於傳送電力和/或數據信號的裝置一一的電力控制以及數據數位化的 主要介質。第二電導體23可包含金屬線、導電軌跡、電力總線或現有技術 中已知的用於傳導電信號的任何其它裝置。另外，可以想到，第一電導體 22可包含用於傳導覆蓋多個頻率範圍的電信號的介質，在頻率範圍上有著 基本上很低的衰減。儘管第二電導體23被示為一個導體，可以想到，第二 電導體22包含一個或一個以上的導體。圖2示出了運行冷卻系統10的示例性公開方法。圖2將在下面的章節中討論，以便進一步說明所公開的系統及其運行。 工業應用'性所公開的控制系統可被應用到任何系統，其中，簡單、緊湊、電驅動 致動器可能是有利的。具體而言，所公開的控制系統可提供包含最小布線的高效冷卻電驅動制動器。現將詳細介紹電動機控制系統13的運行。如圖2的流程圖30所示，電動機控制系統13的運行可在電力信號被 提供給電動機20時^ (步驟31)。例如，提供給電動機20的電力可旋 轉電動機的輸出軸以便移動致動器19，致動器19於是可對冷卻介質加壓， 以便在整個冷卻管路12中分布。可基於冷卻系統10的一個或一個以上的 初始條件預先確定冷卻系統10的初始角速度、軸速和/或壓力。電力可由 外部電源25經由第一電導體22提供。或者，電力可由外部電源25經由第 二電導體23提供給控制器21 ，並接著經由第 一電導體22提供給電動機20。 一旦電動機20可操作，所希望的電動機20軸的角速度可基於一個或 一個以上的、電動機20和/或冷卻系統10的運行特性進行修改(步驟32)。 例如，提高的冷卻介質溫度可表示冷卻系統10的流速不足以保持被耦合到 冷卻系統10的一個或一個以上機械裝置的、所希望的環境溫度。結果，控 制器21可判斷為電動機20的軸的角速度應被提高以便提高冷卻介質的流 動。為了改變電動機20的軸的角速度，有必要改變由電動機20的場導體 中流動的電流產生的電磁場。控制器21可計算開關速度定時序列，以確定 提供產生所希望角速度的電流需要的開關序列和速度(步驟33)。例如，定電流相關聯的電磁場。使用電子開關，提供給場導體的電流可被操縱， 以便控制電磁場，由此提供所希望的角速度。控制器21可判斷為了提供所希望的角速度可能需要電氣開關的定時 序列的調節(步驟34)。如果判斷為需要定時序列的調節，控制器21可 提供到電子驅動器26的控制信號，以修改開關序列，從而提供所希望的角 速度(步驟35)。例如，用於串聯繞巻的DC電動機的開關序列可需要保持lms/圈的開關速度，以便向場導體供給適當的電流，從而對應於所希望 的角速度。如果當前的開關速度為1，2ms/圏，控制器21可向電子驅動器 26提供控制信號，以便對計算得到的定時序列做出響應地修改開關速度。在調節開關速度定時序列時，如果需要，可基於電流定時序列建立數 據通信時間段(步驟36)。例如，如果電流開關速度為lms/圏，且一圏用 2ms，則可存在電流不流到電動機20的時間段。例如，這種時間段可被指 定為數據通信時間段，由於在此時間段內沒有發生與開關相關聯的變化事 件，可減少來自電力信號的、數據信號的幹擾。一旦數據通信時間段已被建立，控制器21可使用多種不同方法監視並 檢測時間段(步驟37)。例如，控制器21可在存儲器中存儲最後的時間 序列，並基於電動機20的軸位置主動跟蹤數據通信時間段。或者，控制器 21可接收來自電子驅動器26的反饋信號以檢測數據通信時間段。如果數 據收集時間段未在預定量的時間內被檢測，處理可從所希望的角速度的確 定開始重複(步驟31)。在檢測數據通信時間段時，控制器21可提供到電動機20的數據通信 傳送(步驟38)。例如，基於冷卻系統10的運行，外部電子控制單元24 可經由第二電導體23向控制器21提供請求提高通過冷卻管路12的冷卻介 質的流速的指示。控制器21可在下一個數據通信時間段內通過第一電導體 22向電動機20提供指示所希望的角速度增大的控制信號。取決於所實現的實施例，當前公開的電動機控制系統可具有幾個優點。 例如，由於數據和電力信號可通過通用連接提供，對於電動機20的電力與 控制信號化可需要更少的導線。減少數量的導線可減少電動機控制系統13 的成本。另外，電動機控制系統13的可靠性可通過減少電導體的數量而增 大，特別是在高壓與提高的溼度等級可增大電氣問題的可能性或電動機控 制系統13的潛在危險的外殼中。另夕卜，由於電動機控制系統13可被配置為通過電力布線傳送數據與電 力信號，可需要更少的導體來提供到電動機控制系統13的外部連接性。數 據信號沿著電力布線的傳送可降低與離開外殼18的多個連接相關聯的風險，例如與多個信號承載線相關聯的電磁幹擾。另外，除了減少的電磁發 射以外，更少的連接可帶來具有多個離開外殼的導體的系統上的、改進的 防水性。結果，與洩漏相關聯的冷卻介質損失可基本上得到減少，產生更 低的維護與維修成本。本領域技術人員將會明了，在不脫離本發明的範圍的情況下，可對所 公開的電動機控制系統進行多種修改和變化。考慮^^開的細節和實踐， 本領域技術人員可想到本公開的其他實施例。這些細節和實例應當僅^J"作是示例性的，；^^開的真實範圍由所附權利要求及其等價內容指示。
權利要求
1.一種電動機控制系統(13)，其包含外殼(18)；電動機(20)，其被布置在所述外殼內；致動器(19)，其被有效耦合到所述電動機，並被配置為對所述電動機的運行做出響應地運行；控制器(21)，其被布置在所述外殼內，並被可通信地耦合到所述電動機；以及第一電導體(22)，其可通信地將電動機耦合到所述控制器；其中，所述控制器被配置為通過所述第一電導體向所述電動機提供電力以及與所述電動機傳送數據信號。
2. 根據權利要求l的控制系統，其還包含第二電導體(23)，所述第 二電導體將所述控制器可通信地耦合到所述外殼外部的電子控制單元(24)。
3. 根據權利要求2的控制系統，其中，所述控制器被配置為 通過所述第二電導體發送表示所述電動機的運行方面的信號； 通過所述第一電導體接收調節所述電動機的運行的控制信號；以及 通過所述第二電導體接收電力信號。
4. 根據權利要求l的控制系統，其中，所述控制器還包含適用於通過 所述第一電導體提供電力的電子驅動器(26)。
5. 根據權利要求4的控制系統，其中，所述電子驅動器被配置為順序 地激勵所述電動^ti的多個場導體。
6. 根據權利要求5的控制系統，其中，所述控制器被進一步配置為 確定激勵序列的定時；基於所述定時通過所述第一電導體傳送數據信號。
7. —種冷卻系統(10)，其包含 冷卻介質(11)的源；冷卻管路(12),其與所述冷卻介質源流體連通；以及 根據權利要求1-6中任意一項的電動機控制系統，其與所述冷卻管路 流體連通。
8. —種運4亍電動機(20)的方法，該方法包含 通過第一電導體(22)向所述電動機提供電力信號；以及 通過所述第一電導體將控制信號從控制器指引到所述電動機。
9. 根據權利要求8的方法，其還包含確定通過所述第一電導體的數據 通信的時間段。
10. 根據權利要求9的方法，其中，確定時間段包含 確定所述電動機的轉子的所希望的角速度； 基於所希望的角速度計算開關速度； 基於所述開關速度建立用於數據通信的時間段。
全文摘要
一種電動機控制系統(13)，其包含外殼(18)與布置在外殼內的電動機(20)。電動機控制系統還包含致動器(19)，其有效耦合到電動機並被配置為對電動機運行做出響應地運行。控制系統還包含布置在外殼內且可通信地耦合到電動機的控制器(21)。控制系統還包含將電動機可通信地耦合到控制器的第一電導體(22)，其中，控制器被配置為通過第一電導體向電動機供給電力以及與電動機傳送數據信號。
文檔編號H02P6/00GK101253679SQ200680031735
公開日2008年8月27日 申請日期2006年7月28日 優先權日2005年8月31日
發明者L·W·林賽 申請人:卡特彼勒公司