专利名称：发动机控制器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及电动机控制器，具体地，涉及一种控制器，能够改变施加到发动机的电源的电压和频率，以便在任意负荷上获得最大的效率。
背景技术：
电动机控制器为发动机的正常运行提供电能，典型地，控制器以规定频率将电压施加给发动机。选择电压和频率，以便最优化发动机的速度和扭矩输出。
已示出对于AC感应发动机，如果应用了过电压状态，则可以改进发动机的扭矩输出。在该状态期间，由于低负荷下的磁化电流导致发动机运行于部分饱和状态。然而，当运行于过电压状态时，较低速度下将降低发动机的效率。
参照图1，示出了运行于各种状态的交流感应发动机的效率图。在图1中，线10示出了运行于过电压状态下的标准交流感应发动机的效率。可以看出，在低负荷条件下发动机的效率较低(即，大约50-75％)，当负荷增长时，效率增加。正常运行的交流感应发动机如线12所示，可以看出，在低负荷时发动机的效率最大，并且效率随着发动机负荷的增长而减少。
当前，发动机控制器可以使用矢量控制以最大效率运行发动机。矢量控制是复杂的数学公式，该数学公式针对发动机的运行建模，并采用发动机的实时监控。具体地，矢量控制是一种闭环反馈系统，以控制输入电压间的相位关系。为了有效使用矢量控制，需要发动机运行参数的非常高灵敏度测量。因此，矢量控制需要高灵敏度和昂贵的传感器以测量发动机的运行。
因此，需要一种发动机控制器，以便在不同的负荷状态下以高效方式运行发动机，而无需使用高灵敏度或复杂的控制技术。
发明内容
公开了一种控制器，用于运行具有旋转速度并使用电流的电动机。所述控制器具有电压控制器，用于响应发动机的速度和电流使用(current usage)来产生电压控制信号，其中，电压控制信号表示电动机的高效运行模式。此外，控制器具有频率控制器，用于响应发动机的速度和电流使用来产生频率控制信号，其中，频率控制信号表示电动机的高效运行模式。控制器还包括乘法器，用于合并频率控制信号和电压控制信号。将来自乘法器的合并信号应用于运行发动机的电压，以使发动机对于给定的负荷高效运行。
一种控制电动机的方法，包括响应发动机速度(旋转频率)和电动机的电流使用产生电压控制信号，其中，电压控制信号表示发动机的高效运行模式。此外，响应发动机速度和和发动机的电流使用产生频率控制信号，其中，频率控制信号表示发动机的高效运行模式。合并频率控制信号和电压控制信号，并将其应用于运行发动机的电压，以使电动机对于给定的负荷高效运行。
一种控制电动机的系统，包括速度传感器，用于测量电动机的旋转速度(旋转频率)并由此响应产生速度感测信号。该系统还包括电流传感器，用于响应电动机的电流使用产生电流感测信号。系统的电压控制器响应速度感测信号和电流感测信号来产生电压控制信号。电压控制信号表示电动机的高效运行模式。类似地，系统的频率控制器响应速度感测信号和电流感测信号产生频率控制信号。频率控制信号也表示了发动机的高效运行模式。该系统还包括乘法器，用于合并频率控制信号和电压控制信号。将合并信号应用于运行发动机的电压。
一种控制电动机的方法，包括确定电动机的运行负荷。然后，响应负荷来计算要施加于电动机的电压。计算得到的电压以高效模式运行电动机。类似地，响应电动机的运行负荷来计算运行电动机的电压频率。计算电压的频率，以使发动机在高效模式下运行。为了在高效模式下运行发动机，以计算的频率将计算的电压施加于发动机。
参考附图，本发明的这些和其它特征将会更加显而易见，图中图1是示出了电动机的效率和电动机的运行负荷的曲线图；图2是发动机控制器的方框图；以及图3是示出了利用图2所示发动机控制器来控制电动机的方法的流程图。
具体实施例方式
参照附图，其中附图仅用于演示优选实施例，而不是限制所述优选实施例。图1是用于控制三相交流感应发动机18的操作的发动机控制器16的方框图。发动机18可以是传统的交流感应型发动机，或者为共同提交待审的专利申请No.10/821797(律师事务所代号No.146962-900002)和No.10/894688(律师事务所代号No.146962-999006)的受让人所述的利用增大的间隙运行的发动机(amotor operative with an increased gap)，上述申请的内容一并在此作为参考。
发动机的负荷由速度感测器20和电流感测器22确定。具体地，速度感测器20通过公知的传感器或无传感器检测机制来测量发动机18的旋转速度(ω)。速度感测器20产生关于旋转速度(ω)的速度感测信号。类似地，电流感测器22测量发动机18使用的电流(I)。对于三相发动机而言，电流感测器22针对每一相测量RMS相位电流。电流感测器22产生电流感测信号，表示发动机使用的总电流(I)。关于这一点，电流(I)和旋转速度(ω)表示发动机18所承载的负荷。
控制器16使用电流(I)和旋转速度(ω)来确定要施加到发动机18的频率和电压量，以使发动机18以高效的方式运行。控制器16具有电源24，产生要施加到发动机18的规定电压。如图2所示，例如，交流感应发动机18为三相发动机。因此，电源24调节施加到发动机18的三相输入电源。
控制器16具有电压控制器26，响应发动机的速度(ω)和电流(I)产生电压控制信号。具体地，来自速度感测器20的速度感测信号和来自电流感测器22的电流感测信号被输入到电压控制器26。如前所述，根据发动机18的电流使用和速度来确定发动机18的负荷。电压控制器26基于电流感测信号和速度感测信号来确定应当施加到发动机18的电压量，以实现发动机18的最大效率。
类似地，控制器16具有频率控制器28，用于控制施加电压的频率。来自速度感测器20的速度感测信号和来自电流感测器22的电流感测信号被输入到频率控制器26。频率控制器28基于电流感测信号和速度感测信号来确定应当施加到发动机18的电压的频率，以实现发动机18的最大效率。
频率控制器28和电压控制器26基于发动机18的负荷和效率来确定要施加的频率和电压量。具体地，每个控制器26、28具有针对发动机18的每个运行速度的电压/频率曲线。电压/频率曲线可表示为数学公式或包含数值的表格。通过发动机18的实验测试来确定电压/频率曲线，从而确定为实现最大效率而施加的电压量和频率，或通过发动机18的仿真来确定电压/频率曲线。
电压/频率曲线(如，电压是旋转速度的函数)通过在高负荷下过激励发动机来最大化发动机的效率。关于这一点，在任意负荷下可以获得发动机的最大效率，并且发动机可以在任意速度下超过其扭矩范围以最大效率运行。控制施加于发动机的电压频率，以允许发动机运行于限制了发动机钢材的内部饱和的速度下，并由此最大化发动机的运行频率。同时，当发动机运行于低于发动机额定扭矩的恒定速度时，通过减少发动机的运行电压来提高发动机的效率。电压/频率曲线考虑到了发动机的运行特性，以便确定应当施加以使发动机18高效运行的电压量和频率。控制输入30允许操作器改变曲线，并以期望的设定值运行发动机。
来自电压控制器26的电压控制信号和来自频率控制器28频率控制信号被输入到将信号合并到一起的信号乘法器32。乘法器32将控制信号应用于来自电源24的功率，以便控制提供给发动机18的功率的频率和电压。具体地，乘法器32响应电压控制信号和频率控制信号调节来自电源24的功率。关于这一点，施加到电动机18的电源将对于给定负荷高效地运行发动机。参照图1，线14示出了使用控制器16的发动机的效率。采用控制器16的发动机对所有运行负荷的运行效率大约在85％～95％之间。
参照图3，示出了控制器16的操作的流程图。在步骤40和42，确定发动机18的负荷。具体地，在步骤40，确定发动机18的速度，而在步骤42，确定电动机18正在使用的电流。在步骤44，电压控制器26计算应当施加到发动机的电压。在步骤46，频率控制器28计算施加到发动机18的电压的频率。在步骤48，将计算的电压和频率应用到发动机18。
本领域的普通技术人员可以理解，控制器16可以体现为离散的电子元件或在多功能计算机上执行的指令。因此，图3中所描述的方法可以体现为在处理器或包括处理器的系统上实现的、存储在计算机可读介质(即，硬盘驱动器、存储器等)上的程序指令。类似地，电压控制器26、频率控制器28和乘法器32可以实现为计算机程序的指令或程序模块。
本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明实质特性的前提下，此处所描述的内容和技术可体现为各种特定的形式。无论从哪一点来看，当前所公开的实施例被认为是描述性的，而不是限制性的。本发明的范围通过所附的权利要求来限定，而不是前面的描述，并且意欲包括处于本方法及其等同物的意义和范围内的所有改变。
权利要求
1.一种用于具有旋转速度并利用电流的电动机的控制器，所述控制器包括电压控制器，用于响应发动机的速度和电流使用来产生电压控制信号，其中，所述电压控制信号表示发动机的高效运行模式；频率控制器，用于响应发动机的速度和电流使用来产生频率控制信号，其中，所述频率控制信号表示发动机的高效运行模式；和乘法器，用于合并频率控制信号和电压控制信号，以便将合并信号应用到运行发动机的电压。
2.如权利要求1中所述的控制器，其中，所述频率控制器被配置成控制发动机的频率以限制发动机的饱和。
3.如权利要求1中所述的控制器，其中，所述电压控制器包括针对发动机的运行负荷的电压/频率曲线，所述电压/频率曲线被配置成确定发动机的运行电压以使效率最大化。
4.如权利要求1中所述的控制器，其中，所述频率控制器包括针对发动机的运行负荷的电压/频率曲线，所述电压/频率曲线被配置成确定发动机的运行频率以使效率最大化。
5.如权利要求1中所述的控制器，其中，所述发动机具有操作用于产生速度感测信号的速度传感器，所述电压控制器被配置成响应速度感测信号来产生所述电压控制信号。
6.如权利要求1中所述的控制器，其中，所述发动机具有操作用于产生电流感测信号的电流传感器，所述电压控制器被配置成响应电流感测信号来产生所述电压控制信号。
7.如权利要求1中所述的控制器，其中，所述发动机包括操作用于产生电流感测信号的电流传感器以及操作用于产生速度感测信号的速度传感器，所述电压和频率控制器被配置成响应电流感测信号和速度感测信号来产生相应的电压控制信号和频率控制信号。
8.如权利要求7中所述的控制器，其中，频率控制器和电压控制器被配置成操作交流感应发动机。
9.一种控制电动机的方法，所述方法包括以下步骤响应发动机的速度和发动机的电流使用产生电压控制信号，其中，所述电压控制信号表示发动机的高效运行模式；响应发动机的速度和发动机的电流使用产生频率控制信号，其中，所述频率控制信号表示发动机的高效运行模式；合并所述电压控制信号和所述频率控制信号，并将合并信号应用到运行发动机的电压，以使发动机在给定的负荷下高效运行。
10.如权利要求9所述的方法，在产生电压和频率控制信号之前，还包括步骤利用速度传感器来确定发动机速度。
11.如权利要求10所述的方法，在产生电压和频率控制信号之前，还包括步骤利用电流传感器来确定发动机的电流使用。
12.如权利要求9所述的方法，还包括步骤将电压施加到交流感应发动机。
13.如权利要求12所述的方法，还包括步骤将电压施加到三相交流感应发动机。
14.一种控制电动机速度的系统，所述系统包括速度传感器，用于测量电动机的旋转速度，并产生速度感测信号；电流传感器，用于测量电动机的电流使用，并产生电流感测信号；电压控制器，用于响应所述速度感测信号和所述电流感测信号来产生电压控制信号，其中，所述电压控制信号表示发动机的高效运行模式；频率控制器，用于响应所述速度感测信号和所述电流感测信号来产生频率控制信号，其中，所述频率控制信号表示电动机的高效运行模式；和乘法器，用于合并所述频率控制信号和所述电压控制信号，以便将合并信号施加到运行发动机的电压。
15.如权利要求14所述的系统，其中，电压控制器包括针对发动机的运行负荷的电压/频率曲线，所述电压/频率曲线被配置成确定发动机的运行电压，以使效率最大化。
16.如权利要求14所述的系统，其中，频率控制器包括针对发动机的运行负荷的电压/频率曲线，所述电压/频率曲线被配置成确定发动机的运行频率，以使效率最大化。
17.如权利要求14所述的系统，其中，所述发动机为交流感应发动机。
18.如权利要求19所述的系统，其中，所述发动机为三相交流感应发动机。
19.一种控制电动机的方法，所述方法包括以下步骤确定电动机的运行负荷；响应运行负荷来计算施加到电动机的电压，其中，所述电压以高效模式运行所述发动机；响应运行负荷计算施加到电动机的电压的频率，其中，要施加的电压的频率以高效模式运行所述电压；和以计算出的频率施加电压，以便以高效模式运行所述发动机。
20.如权利要求19所述的方法，还包括步骤通过确定电动机的速度和电动机电流使用来确定电动机的运行负荷。
21.如权利要求20所述的方法，其中，计算施加到电动机的电压的步骤包括通过运行负荷的电压/频率曲线来确定电压。
22.如权利要求20所述的方法，其中，计算施加到电动机的电压的频率的步骤包括通过运行负荷的电压/频率曲线来确定频率。
23.如权利要求8中所述的控制器，其中，交流感应发动机为三相感应发动机。
全文摘要
公开了一种用于控制电动机的系统和方法。该方法包括确定电动机的运行负荷，并响应该运行负荷计算施加到电动机上的电压。要施加的电压按照对于给定负荷高效地方式来运行电动机。响应运行负荷来计算要施加到电动机的电压的频率，以使要施加的电压的频率以高效地方式运行发动机。将具有计算得到的电压和频率的功率施加到发动机，以便按照对于给定负荷高效地方式来运行发动机。
文档编号H02P27/04GK101015115SQ200580022683
公开日2007年8月8日 申请日期2005年6月30日 优先权日2004年7月7日
发明者乔治·霍林, 内德·沃纳 申请人:Rt专利有限公司