用于电动机控制的系统和方法

专利名称：用于电动机控制的系统和方法
用于电动才几控制的系统和方法技术领域^^开一般涉及控制系统和方法，具体涉及用于控制电动机的系统和 方法。
背景技术：
冷却系统典型地使冷却介质循环，以便为多种工业系统提供散热。这 些冷却系统可包含由电动机驱动的泵以及用于调节电动4几的一个或一个以 上的运行方面的控制器。典型地，控制器包含多个导线，以便提供电力以 及泵、电动机和控制器之间的通信。这多个导线可能增加冷却系统的复杂 性和成本，降低冷却系统的可靠性。另外，具有分立的电动机、泵和控制 器单元的冷却系统的空间要求可能降低设计的灵活性。2004年3月9日授予Allen等人的美国专利No.6,702,555 ( " '555 专利")中介绍了设计较为简单、较为紧凑的冷却系统的一种努力。"'555 专利，，介绍了布置在一个共用外壳中的流体泵、电动机和电路板。电力和 通信信号通过位于流体泵外壳上的短端子(stud terminal)被提供给电动 机。这种将电动机、泵、电路包含在共用外壳中的集成方法产生了紧凑的 布置，且短端子可简化外部布线。尽管'555专利的系统可能是紧凑的且在外部是简单的，其在内部仍 然是复杂、昂贵、缺乏可靠性的。例如，电路板可仍使用多个导线来对电 动机、泵、控制器进行互连。这多个导线可增大成本并降低冷却系统的可 靠性。另外，'555专利的系统可使用一个或一个以上的短端子以提供通 过流体泵外壳壁的多个连接，从而向电动机供给电力和通信。这多个连接 可增大流体通过泵外壳壁泄漏的可能性。当前公开的电动机控制系统和方法被指向克服上面所述的 一个或一个以上的问题。 发明内容根据一个实施形态，本公开被指向电动机控制系统。电动机控制系统 可包含外壳和布置在外壳内的电动机。电动机控制系统还可包含致动器， 其被有效耦合到电动机并被配置为对电动机的运行做出响应地运行。电动 机控制系统还可包含布置在外壳内并可通信地耦合到电动机的控制器。电 动机控制系统还包含可通信地将电动机耦合到控制器的第一电导体，其中， 控制器被配置为通过第 一 电导体向电动机供给电力以及与电动机传送数据 信号。根据另一实施形态，本公开被指向一种运行电动机的方法。该方法可 包含通过第一电导体向电动机提供电力信号。该方法还可包含通过第一电 导体将控制信号从控制器指引到电动机。


图1示出了示例性公开冷却系统；以及图2示出了用于运行图1的冷却系统的示例性公开方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了示例性冷却系统10。冷却系统10可包含协作以使z使冷却 介质在整个工作系统中循环以调节工作系统的温度的部件。例如，冷却系 统10可包含净皮配置为容纳冷却介质储备的池(tank) 11。冷却系统10还 可包含一个或一个以上的冷却管路12以及电动机控制系统13。尽管冷却 系统10被示为用于对内燃机14进行冷却的流体系统，可以想到，冷却系 统10可包含其他类型的冷却系统，例如喷射空气系统(未示出)、油系统 (未示出)、基于凝胶的系统、压缩气体系统或任何其他类型的冷却系统。 另外，冷却系统IO可被配置为冷却多种设备系统，例如个人计算机、车辆 变速器、电池、燃料电池或任何这些可产生热的系统。冷却系统10的冷却介质可包含任何可适用于沿着冷却系统10的流动路径从一个或一个以上的部件吸收热的材料。例如，冷却介质可包含水、 基于乙二醇的冷却剂、基于石油的润滑油、合成油、基于二氧化硅的凝胶、 空气、气态冷却剂或任何其他合适的用于吸收和/或耗散热的材料。冷却管路12可包含用于指引冷却介质在整个冷却系统10中以及一个 或一个以上的发热部件附近的流动以^f更从该部件获取热的部件。特别地， 冷却管路12可包含一个或一个以上的流体传输线15和/或一个或一个以上 的阀16,阀16被配置为控制冷却介质的流速和路径。尽管冷却管路12被 示为与一个部件系统(即内燃机14)相关联，可以想到，冷却管路12可具有用于对附加部件和/或部件系统进行冷却的多个流动路径。例如，冷却 管路12可进一步耦合到热交换器17、散热器、空调系统或任何可包含循 环冷却介质的其他装置。阀16可净皮操作为更改流体在整个冷却系统10中的流速。例如，如果 冷却管路12的主干线的流动路径中的一个或一个以上的部件需要提高的 冷却介质流速， 一个或一个以上的阀16可净皮关闭，以限制冷却介质向冷却 管路12的非关键部件的流动。可以想到，阀16可被手动操作或电气致动。热交换器17可被布置在冷却管路12的流动路径内，并可包含一个或 一个以上的4皮配置为从一流体向另一个传送热的装置。例如，热交换器17 可包含用于汽车冷却系统的空气冷却散热器，其中，高温冷却剂经过多个 线圏，这些线圏通过在线圏之间和线圏周围流动的空气的循环来冷却。还 可想到，热交换器17可实现其他类型的热交换器，例如壳状(shell)和管 状(tube)热交换器、盘型热交换器、蒸汽型热交换器或任何其他合适的 热交换装置。电动机控制系统13可包含用于监视以及可操作地控制冷却系统10的 一个或一个以上方面的部件。例如，电动才几控制系统13可监4见和控制供给 冷却系统10的一个或一个以上部件的电力、冷却介质的压缩、冷却介质通 过冷却系统10的流速、冷却介质的温度和/或冷却系统的任何其他运行方 面。除其他的以外，电动机控制系统13可包含外壳18、致动器19、电动机20、控制器21、第一电导体22以及视情况可选的第二电导体23。外壳18可容纳冷却系统10的一个或一个以上的部件，并可-皮配置为 将冷却系统10的部件与周围环境隔离。外壳18还可提供对于冷却介质的 一个或一个以上的流动路径。外壳18可由多种材料构建，例如聚合物、铝、 合金、钢、PVC、橡胶和任何其他合适的材料。电动机20可被布置在外壳18中，并被配置为提供用于移动致动器19 的机械力。例如，电动机20可包含可被耦合到推进器以提供用于压缩冷却 介质的旋转力的无刷DC电动机。另外，还可想到，电动机20可包含用于 提供机械能输出的任何合适的电动机，例如AC感应电动机、通用电动机、 线性电动4几、脉沖驱动器或能够移动致动器19的任何其他类型的装置。电动机20可包含定子、与定子通过气隙分离的转子、 一个或一个以上 与定子相关联的电导体。在一个实施例中，转子可包含永磁体、铁心或铜 心或者任何其他具有高磁导率的金属材料，其被配置为在存在可变电场的 情况下相对于定子旋转。可变电场可通过使电流经过一个或一个以上与定 子相关联的场导体来提供。电动机20可包含一个或一个以上的电驱动电路，以便基于所希望的转 子速度或转矩控制流经场导体的电流。在一个实施例中，电驱动电路可包 含一个或一个以上的电开关，该开关在纟皮操作时可向所述一个或一个以上 的场导体提供电流。基于开关操作的定时序列和开关持续时间，场导体中 的瞬时电流可产生用于移动转子的可预测的时变电磁场。所述一个或一个 以上的电驱动电路可被操作为提供直流电力信号或交流电力信号。另外， 由于所述一个或一个以上的电驱动电路可包含一个或一个以上的开关元 件，可以想到，交流电力信号可被分为变化的直流电力信号的不连续片段。致动器19可,皮有效耦合到电动4几20并可包含一个或一个以上的^皮配 置为对电动机20的运行做出响应地运行的装置。致动器19可包含任何可 被配置为基于电动机的运行而移动的机械装置，例如扇叶、振动机构、活 塞、轴臂、用于使冷却介质循环的加压装置或任何其他这类机械装置。例 如，在一个实施例中，致动器19可包含被耦合到轴的推进器，其在^L旋转在整个冷却系统10中循环。还可想到，致动器19 可包含用于压缩冷却介质的其他装置，例如封装在泵室内的活塞、齿轮位 移系统、旋转叶片、加压喷射器(pressurizationjet)或任何其他这类装置。 控制器21可包含^皮配置为运行和控制电动机20的一个或一个以上的 运行方面的部件。例如，控制器21可被配置为提供电力信号、电驱动功能、 电子开关、速度控制或电动机20的任何其他运行或控制功能。控制器21 可包含用于运行软件应用的多个部件(未示出)。例如，控制器21可包含 中央处理单元(CPU)(未示出)、计算机可读存储器(未示出)、随机 访问存储器(RAM)(未示出)、输入/输出(I/O)元件(未示出)等。 控制器21可为独立单元，或者作为替代地可被集成在电动机20的一部分 内。控制器21可被可通信地耦合到外部电源25,并适用于向电动机20提 供电力。控制器21可直接或通过配电模块被耦合到外部电源，配电模块被 配置为向部件系统的一个或一个以上的部件供给电力。例如，控制器21 可通过电子控制单元24被耦合到车辆的交流发电机，电子控制单元24可 被配置为对交流发电机所产生的电能的至少 一部分进行分配。在这种配置 中，控制器21可被间接耦合到电子控制单元25。还可想到，控制器21经 由第二电导体23被直接耦合到电源25 。控制器21可被配置为向电动机提供电力信号。例如，控制器21可接 收来自电源25的电力信号并通过第一电导体22直接将该信号传送到电动 机20。或者，控制器21可被配置为在将电力信号提供给电动机20之前对 电力信号进行操纵(例如将AC电力信号转换为DC信号)。控制器21可#:配置为监视电动机的一个或一个以上的运行特性并基于所监视的运行特性控制到电动机20的场导体的电流。例如，控制器21 可监视冷却介质的温度、压力和/或流速，并判断各个被监视的特性是否在 所希望的范围内。如果例如所监视的温度在所希望范围之外，控制器21 可通过改变电动4几20的速度来调节冷却介质通过冷却系统10的流速。速 度控制可通过改变流过电动机20的一个或一个以上的场导体的瞬时电流8来实现。增大通过场导体的电流可改变电动机20的轴的角速度，导致增大 的冷却介质流速。控制器21可被配置为通过通用接口向电动机20提供电力和开关控制 信号。在一个实施例中，控制器21可被配置为具有用于将多个信号集成到 通用接口上的通信电路。例如，控制器21可通过通用接口以对于高效能量 传送的适当频率(典型地以DC与几百赫兹(例如60Hz的AC信号)之 间的基频)向电动机20提供电力信号，同时，以适合于快速高效数据传输 的较高频率(例如千赫兹范围、兆赫兹范围、吉赫兹范围等)传送开关控 制信号。或者，控制器21可使用一系列电开关周期性地提供部分电力信号。 在这种实施例中，可使用电子开关将电力信号(以供给电动机的直流的形 式)分为电流脉沖。结果，控制与数据信号可在接口上不存在开关活动的 开关周期内在通用接口上#1传输。控制器21可被配置为通过监视对于电力信号的电开关周期来确定对 于到电动机20的数据通信的时间段。所确定的数据通信时间段可基于电子 开关的开关速度。例如，控制器21可确定保持与电动机20相关联的轴的 所希望的角速度需要的开关速度。控制器21可确定与没有电力信号被提供 给电动机20的开关周期部分相关联的通信时间段。控制器21可在所确定 的通信时间段内传送数据与控制信号。控制器21可被可通信地耦合到电动机20并被配置为接收来自电动机 20的数据和/或控制信息。例如，控制器21可包含发送器(未示出)、接 收器(未示出)、调制与解调电路(未示出)和/或一个或一个以上的复用 器(未示出)，其用于将数据和控制信号化(signalization)处理成为对于 高效数据传送的多种频域和/或时域波形。电子驱动器26可被可通信地耦合到电动机20并可操作地通过电力布 线提供到电动机20的电力信号化。例如，电子驱动器26可实现用于无刷 DC电动机的开关电路，其在有效时提供到一个或一个以上的场导体的预 定电流，以<更运4亍电动才几20。电子驱动器26可纟皮可操作地提供直流电力 信号或交流电力信号。例如，由于电子驱动器26可包含一个或一个以上的开关元件，可以想到，交流电力信号可被分为变化的电力等级与脉冲宽度 的不连续片段。在一个实施例中，电子驱动器26可被可通信地耦合到控制器21，并 适用于可选择地耦合电动机20以及控制器21，以便通过电力布线向电动 机20提供控制信号。例如，控制器21可确定用于数据通信的时间段，并 有选择地将控制器21耦合到电动机20。这种有选择的耦合可提供用于通 过电力布线将控制信号传送到电动机20的信号流动路径。电子驱动器26可被配置为提供与电动才M目关联的转子的位置反馈，以 1"更确定激励序列(energizing sequence )的定时。例如，电子驱动器26可 包含用于监视与电动机相关联的转子的位置的电路和/或逻辑算法，并将所 监视的位置信号传送到控制器21。第一电导体22可以可通信地将控制器21耦合到电动机20和电源25。 第一电导体22可被设计为控制器21与电动机20之间的电力控制以及数据 数字化的主要介质。第一电导体22可包含金属线、导电轨迹、电力总线或 现有技术中已知的用于传导电气信号的任何其它装置。另外，可以想到，笫 一电导体22可包含用于传导覆盖多个频率范围的电气信号的介质，在频 率范围上有着基本上很低的衰减。尽管第一电导体22被示为一个导体，可 以想到，第二电导体22包含一个或一个以上的导体。类似地，第二电导体23可被可通信地耦合到控制器21，并可被适用 为到电动才几控制系统13以外的一个或一个以上部件——例如电源25、电 子控制单元24、主控制器、数据分析器、诊断系统、计算机和/或任何其它 适用于传送电力和/或数据信号的装置一一的电力控制以及数据数字化的 主要介质。第二电导体23可包含金属线、导电轨迹、电力总线或现有技术 中已知的用于传导电信号的任何其它装置。另外，可以想到，第一电导体 22可包含用于传导覆盖多个频率范围的电信号的介质，在频率范围上有着 基本上很低的衰减。尽管第二电导体23被示为一个导体，可以想到，第二 电导体22包含一个或一个以上的导体。图2示出了运行冷却系统10的示例性公开方法。图2将在下面的章节中讨论，以便进一步说明所公开的系统及其运行。 工业应用'性所公开的控制系统可被应用到任何系统，其中，简单、紧凑、电驱动 致动器可能是有利的。具体而言，所公开的控制系统可提供包含最小布线的高效冷却电驱动制动器。现将详细介绍电动机控制系统13的运行。如图2的流程图30所示，电动机控制系统13的运行可在电力信号被 提供给电动机20时^ (步骤31)。例如，提供给电动机20的电力可旋 转电动机的输出轴以便移动致动器19，致动器19于是可对冷却介质加压， 以便在整个冷却管路12中分布。可基于冷却系统10的一个或一个以上的 初始条件预先确定冷却系统10的初始角速度、轴速和/或压力。电力可由 外部电源25经由第一电导体22提供。或者，电力可由外部电源25经由第 二电导体23提供给控制器21 ，并接着经由第 一电导体22提供给电动机20。 一旦电动机20可操作，所希望的电动机20轴的角速度可基于一个或 一个以上的、电动机20和/或冷却系统10的运行特性进行修改(步骤32)。 例如，提高的冷却介质温度可表示冷却系统10的流速不足以保持被耦合到 冷却系统10的一个或一个以上机械装置的、所希望的环境温度。结果，控 制器21可判断为电动机20的轴的角速度应被提高以便提高冷却介质的流 动。为了改变电动机20的轴的角速度，有必要改变由电动机20的场导体 中流动的电流产生的电磁场。控制器21可计算开关速度定时序列，以确定 提供产生所希望角速度的电流需要的开关序列和速度(步骤33)。例如，定电流相关联的电磁场。使用电子开关，提供给场导体的电流可被操纵， 以便控制电磁场，由此提供所希望的角速度。控制器21可判断为了提供所希望的角速度可能需要电气开关的定时 序列的调节(步骤34)。如果判断为需要定时序列的调节，控制器21可 提供到电子驱动器26的控制信号，以修改开关序列，从而提供所希望的角 速度(步骤35)。例如，用于串联绕巻的DC电动机的开关序列可需要保持lms/圈的开关速度，以便向场导体供给适当的电流，从而对应于所希望 的角速度。如果当前的开关速度为1，2ms/圏，控制器21可向电子驱动器 26提供控制信号，以便对计算得到的定时序列做出响应地修改开关速度。在调节开关速度定时序列时，如果需要，可基于电流定时序列建立数 据通信时间段(步骤36)。例如，如果电流开关速度为lms/圏，且一圏用 2ms，则可存在电流不流到电动机20的时间段。例如，这种时间段可被指 定为数据通信时间段，由于在此时间段内没有发生与开关相关联的变化事 件，可减少来自电力信号的、数据信号的干扰。一旦数据通信时间段已被建立，控制器21可使用多种不同方法监视并 检测时间段(步骤37)。例如，控制器21可在存储器中存储最后的时间 序列，并基于电动机20的轴位置主动跟踪数据通信时间段。或者，控制器 21可接收来自电子驱动器26的反馈信号以检测数据通信时间段。如果数 据收集时间段未在预定量的时间内被检测，处理可从所希望的角速度的确 定开始重复(步骤31)。在检测数据通信时间段时，控制器21可提供到电动机20的数据通信 传送(步骤38)。例如，基于冷却系统10的运行，外部电子控制单元24 可经由第二电导体23向控制器21提供请求提高通过冷却管路12的冷却介 质的流速的指示。控制器21可在下一个数据通信时间段内通过第一电导体 22向电动机20提供指示所希望的角速度增大的控制信号。取决于所实现的实施例，当前公开的电动机控制系统可具有几个优点。 例如，由于数据和电力信号可通过通用连接提供，对于电动机20的电力与 控制信号化可需要更少的导线。减少数量的导线可减少电动机控制系统13 的成本。另外，电动机控制系统13的可靠性可通过减少电导体的数量而增 大，特别是在高压与提高的湿度等级可增大电气问题的可能性或电动机控 制系统13的潜在危险的外壳中。另夕卜，由于电动机控制系统13可被配置为通过电力布线传送数据与电 力信号，可需要更少的导体来提供到电动机控制系统13的外部连接性。数 据信号沿着电力布线的传送可降低与离开外壳18的多个连接相关联的风险，例如与多个信号承载线相关联的电磁干扰。另外，除了减少的电磁发 射以外，更少的连接可带来具有多个离开外壳的导体的系统上的、改进的 防水性。结果，与泄漏相关联的冷却介质损失可基本上得到减少，产生更 低的维护与维修成本。本领域技术人员将会明了，在不脱离本发明的范围的情况下，可对所 公开的电动机控制系统进行多种修改和变化。考虑^^开的细节和实践， 本领域技术人员可想到本公开的其他实施例。这些细节和实例应当仅^J"作是示例性的，；^^开的真实范围由所附权利要求及其等价内容指示。
权利要求
1.一种电动机控制系统(13)，其包含外壳(18)；电动机(20)，其被布置在所述外壳内；致动器(19)，其被有效耦合到所述电动机，并被配置为对所述电动机的运行做出响应地运行；控制器(21)，其被布置在所述外壳内，并被可通信地耦合到所述电动机；以及第一电导体(22)，其可通信地将电动机耦合到所述控制器；其中，所述控制器被配置为通过所述第一电导体向所述电动机提供电力以及与所述电动机传送数据信号。
2. 根据权利要求l的控制系统，其还包含第二电导体(23)，所述第 二电导体将所述控制器可通信地耦合到所述外壳外部的电子控制单元(24)。
3. 根据权利要求2的控制系统，其中，所述控制器被配置为 通过所述第二电导体发送表示所述电动机的运行方面的信号； 通过所述第一电导体接收调节所述电动机的运行的控制信号；以及 通过所述第二电导体接收电力信号。
4. 根据权利要求l的控制系统，其中，所述控制器还包含适用于通过 所述第一电导体提供电力的电子驱动器(26)。
5. 根据权利要求4的控制系统，其中，所述电子驱动器被配置为顺序 地激励所述电动^ti的多个场导体。
6. 根据权利要求5的控制系统，其中，所述控制器被进一步配置为 确定激励序列的定时；基于所述定时通过所述第一电导体传送数据信号。
7. —种冷却系统(10)，其包含 冷却介质(11)的源；冷却管路(12),其与所述冷却介质源流体连通；以及 根据权利要求1-6中任意一项的电动机控制系统，其与所述冷却管路 流体连通。
8. —种运4亍电动机(20)的方法，该方法包含 通过第一电导体(22)向所述电动机提供电力信号；以及 通过所述第一电导体将控制信号从控制器指引到所述电动机。
9. 根据权利要求8的方法，其还包含确定通过所述第一电导体的数据 通信的时间段。
10. 根据权利要求9的方法，其中，确定时间段包含 确定所述电动机的转子的所希望的角速度； 基于所希望的角速度计算开关速度； 基于所述开关速度建立用于数据通信的时间段。
全文摘要
一种电动机控制系统(13)，其包含外壳(18)与布置在外壳内的电动机(20)。电动机控制系统还包含致动器(19)，其有效耦合到电动机并被配置为对电动机运行做出响应地运行。控制系统还包含布置在外壳内且可通信地耦合到电动机的控制器(21)。控制系统还包含将电动机可通信地耦合到控制器的第一电导体(22)，其中，控制器被配置为通过第一电导体向电动机供给电力以及与电动机传送数据信号。
文档编号H02P6/00GK101253679SQ200680031735
公开日2008年8月27日 申请日期2006年7月28日 优先权日2005年8月31日
发明者L·W·林赛 申请人:卡特彼勒公司