用于制动电动机的电机控制器和具有该电机制动器的电机组件的制作方法
【专利摘要】一种用于制动电动机的电机控制器，用于具有定子和转子的电动机。该电机控制器包括用于从电源接收交流电力的电力输入；用于从控件接收控制信号的控制输入；以及用于响应于控制信号切换从电源到电动机的电力的电路。该电路可操纵以：在转子转动的同时向定子施加制动波形；监测定子的无功功率；检测定子的无功功率的增加以确定转子已经基本上停止转动；并且响应于检测无功功率的增加从定子移除制动波形。本实用新型还涉及具有该电机控制器的电机组件。
【专利说明】用于制动电动机的电机控制器和具有该电机制动器的电机组件
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及用于制动电动机的系统和方法。
【背景技术】
[0002]电动机通常包括称为定子的固定部件和称为转子的转动部件。当采用驱动波形来激励电机时，转子在定子之内(或围绕定子)转动。当从电机移除驱动波形时，由于转子的惯性和与转子耦合的任何部件，转子可能随时间滑行而停止。
[0003]在许多电机应用中，期望只要从电机移除驱动波形就停止转子的转动。例如，在洗衣机应用中，期望在高速转动周期之后停止洗衣机电机的转动，从而洗衣机可以被卸载或切换至低速清洗或冲洗周期。
[0004]因此，开发了各种用于制动电动机的各种技术。一种这样的技术使用制动衬块、皮带轮、和/或其他摩擦制动系统。不幸地，摩擦制动给电机增加了成本，并因此对于例如洗衣机的低成本应用来说是不期望的。摩擦制动同样最终随着使用磨损并需要维修或更换。
[0005]因此，许多电机应用采用电子制动系统，而非摩擦制动。一种类型的电子制动系统采用再生制动技术。尽管这样的技术是有效的和节能的，但是对于例如洗衣机电机的低成本应用来说太复杂和昂贵。另一类型的电子制动系统是直流注入制动，其中对电机的定子绕组施加直流(DC)电压以对转子进行制动。直流电压建立对转子施加静态扭矩的固定磁场。这减慢并最终停止转子的转动。只要在定子绕组上保持直流电压，转子则被保持在某位置并抵御转动。直流注入制动相对简单、成本有效并免维护，因此对于许多电机应用来说是一种普遍的制动选择；然而，在如下所述的一些应用中并未有效地使用。
[0006]通常，还期望确定电机的转子何时停止转动，由此转子可在相反的方向上以不同的速度等来驱动。这可采用例如霍尔效应传感器的电机轴传感器来实现，但是这样的传感器增加了电机的成本和复杂度，因此对于例如洗衣机电机的许多低成本应用来说是不期望的。
[0007]由此，开发了用于确定电机速度的无传感器技术。一种类型的无传感器速度检测采用基于测量的电气参数估计转子何时停止的各种算法。然而，当采用上述直流注入制动技术来对电机进行制动时，测量的电气参数是不精确的，因此算法的结果也是不精确的。因此，直流注入制动技术通常需要电机轴传感器。
[0008]确保电机已经停止转动的另一种无传感器技术是简单地在从电机移除电源之后具有必须经过的时间延迟。类似的技术采用直流注入制动以减慢上述电机，并持续直流注入直到已经经过时间延迟。这些方法的第一方面不幸地浪费在电机周期之间的时间，因为时间延迟必须考虑电机的最大可能滑行时间，并且这些方法的第二方面浪费了能量和时间，因为直流注入制动必须保持更久以考虑到最大可能中止时间，即使电机可能实际上更早停止。
[0009]以上部分提供了不一定是现有技术的与本公开相关的背景信息。实用新型内容
[0010]本实用新型的实施例通过提供用于制动电动机和用于确定电机的转子何时已经停止转动的改进系统和方法来解决上述问题。例如，本实用新型的实施例提供用于快速和有效地采用直流注入制动对电动机进行制动而不需要使用电机速度传感器和不需要时间延迟的系统和方法。
[0011]根据本实用新型的实施例构成的电机组件可用于洗衣机、HVAC系统、泵系统或任意其他应用。该电机组件概括地包括用于对电机进行供电和控制电机的电动机和电机控制器。电机可以是任意类型的电机并包括定子和转子。在一个实施例中，电机可以是三相交流感应电机。电机控制器包括用于从电源接收电力的电力输入和用于切换从电源到电动机的电力的电路以对电机进行供电并控制电机，并被编程或另外配置为执行在此所述的至少一些方法。在一个实施例中，电机控制器被编程或配置为在转子转动的同时对电机的定子施加直流注入制动波形，监测定子的无功功率，检测定子的无功功率的增加以确定转子已经基本上停止转动，以及响应于检测无功功率的增加从定子移除所施加的制动波形。
[0012]在相关实施例中，电机控制器监测定子的无功功率和有效功率，确定无功功率和有效功率之间的比率以确定定子的功率因数，并使用功率因数来确定转子何时已经基本上停止转动。在一个实施例中，电机控制器确定在功率因数大约为I时转子停止。因为指示转子已经停止的功率因数等级是相同的，而不管直流注入制动波形的大小，所以通过监测功率因数确定转子已经停止是有利的。
[0013]本实用新型的另一实施例中，制动波形是受控的电流波形。在这个实施例中，电机控制器被编程或配置为在转子转动的同时向定子施加受控电流制动波形，确定转子何时已经基本上停止转动，以及响应于确定转子已经基本上停止转动从定子移除所施加的受控电流制动波形。
[0014]本实用新型的又一实施例中，电机或电机控制器包括一个或多个电流分流。在这个实施例中，电机控制器被编程或配置为在定子转动的同时向定子施加制动波形，在向定子施加制动波形的同时监测通过电流分流中的一个的电流，使用所监测的通过电流分流的电流确定转子是否基本上停止转动，以及响应于确定转子已经基本上停止转动来从定子移除所施加的制动波形。
[0015]提供本概要以简化的形式介绍概念的选择，该概要在下面的具体描述中将进一步描述。本概要并非旨在确定所主张的主题的关键特征或基本特征，也并非旨在用于限制所主张主题的范围。本实用新型的其他方面和优点将从实施例的如下详细描述和所附附图变得显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]将参考附图详细描述本实用新型的实施例，在附图中:
[0017]图1是根据本实用新型的实施例构建的电机组件的框图。
[0018]图2是代表根据图1的电机组件的电机的定子和转子的示意图。
[0019]图3是根据本公开的一个示例性实施例的在一时间段上的转子速度图。
[0020]图4是在与图3相同的时间段上的定子的无功功率图。[0021]图5是示出在本实用新型的方法和/或本实用新型的计算机程序的代码段中的步骤的流程图。
[0022]图6是示出在本实用新型的另一方法和/或本实用新型的另一计算机程序的代码段中的步骤的流程图。
[0023]图7是示出在本实用新型的又一方法和/或本实用新型的又一计算机程序的代码段中的步骤的流程图。
[0024]附图并不将本实用新型限制于所公开并在此描述的特定实施例。附图无需按比例，而是将重点放在清楚示出的本实用新型的原理上。
【具体实施方式】
[0025]本实用新型实施例的以下详细描述参考了附图。所述实施例旨在以充分的细节描述本实用新型的各方面以使得本领域的技术人员能够实施本实用新型。可以使用其他实施例并且可以在不偏离权利要求的范围的情况下做出更改。因此，不应以限制的意义理解以下详细描述。仅由所附权利要求连同此类权利要求覆盖的等同物的全部范围来限定本实用新型的范围。
[0026]在本说明书中，对“一个实施例”、“一实施例”或“各实施例”的引用意味着被提及的一个或多个特征被包括在所述技术的至少一个实施例中。本说明书中对“一个实施例”、“一实施例”或“各实施例”的单独引用不一定指同一实施例并且并不相互排斥，除非如此声明和/或除非从说明书将对本领域的技术人员显而易见。例如，在一个实施例中描述的特征、结构、动作等也可以包括在其他实施例中，但是不必一定包括在其他实施例中。因此，本技术可以包括在此描述的实施例的多种组合和/或集成。
[0027]现在转到附图，首先转到图1，示出了根据本实用新型的各实施例构建的电机组件10。电机组件10可以用于任何应用，例如洗衣机、HVAC系统、泵系统或电器。在一个特定实施例中，电机组件10被设计为与水平轴、前装式(front loading)洗衣机一起使用，但是本实用新型的原理可等同地应用于电机组件的所有用途。
[0028]电机组件10的一个实施例概括地包括电动机12和电机控制器14。电机组件10还可以包括不与本实用新型相关的其他部件或与此类部件耦合。
[0029]如图2最佳地所示，电动机12包括转子16和定子18。电机12可以工作于直流(DC)或交流(AC)、可以是同步的或异步的，以及可以是单相或三相。电机12可以是任何类型，包括但不限于有刷直流电机、开关磁阻电机、无芯或无铁芯直流电机、串励通用电机、感应电机、力矩电机或步进电机。此外，所述电机可以是定速、多速或变速并且可以具有任意马力(HP)额定值。在本实用新型的一个特定实施例中，电机12是1/3-1马力三相可逆变速开关磁阻型电机。此类电机针对洗衣机应用(其要求较宽范围的工作速度和较高的启动转矩)以有竞争力的价格提供最大驱动性能。但是，本实用新型的原理并不限于任何特定电机类型、技术或尺寸。
[0030]电机控制器14为电动机12提供电力和控制电机12的运行，并且被编程为或以其他方式被配置为执行以下描述的功能或方法中的一个或多个。电机控制器14可以包括电路、硬件、固件和/或软件的任意组合。在一个特定实施例中，电机控制器14包括定制专用集成电路(ASIC)，所述集成电路具有控制和驱动3相逆变器和各种其他电子部件的微处理器。
[0031]如图1所示，电机控制器14可以从处于115VAC (通过连接LI和N提供)的单相交流供电电压接收电力，其中LI表示交流供电的“高压侧(hot side)”并且N表示中性，其通常处于地电势。交流供电电压也可以是230VAC，在此情况下中性线将被另一高压供电线取代。交流供电电压也可以是三相480VAC。
[0032]电机控制器14可以从诸如小键盘、开关或按钮之类的通常可在洗衣机或其他电器或设备上找到的一个或多个控件20接收命令或工作指令。所述控件可以是一个或多个单独的部件或可以集成在电机控制器14中。
[0033]电机控制器14还可以耦合到单个电流分流22用于如以下描述地确定定子电流。此单个电流分流22可以是耦合到电机控制器ASIC的印刷电路板的分离部件或可以结合在电机定子或电机控制器的逆变器模块内。
[0034]可以采用存储在计算机可读介质之中或之上的一个或多个计算机程序实现本实用新型的各方面，所述计算机程序位于电机控制器14的微处理器上或由电机控制器14的微处理器存取。每个计算机程序优选地包括用于实现电机控制器14的逻辑功能的可执行指令的有序列表。每个计算机程序可以实现在任何非暂态计算机可读介质中，以便由指令执行系统、设备或装置使用或与之结合，所述指令执行系统、设备或装置例如是基于计算机的系统、包含处理器的系统，或其他可以从指令执行系统、设备或装置提取并执行指令的系统。在本申请的上下文中，“计算机可读介质”可以是任何能够存储由指令执行系统、设备或装置使用或与之结合的程序的非暂态装置。所述计算机可读介质可以例如是(但不限于)电、磁、光、电-磁、红外线或半导体系统、设备或装置。更具体地说(尽管是非包括性的)，所述计算机可读介质的示例将包括以下项:具有一条或多条线的电气连接、便携计算机软盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPR0M或闪存)、光纤，以及便携光盘只读存储器(⑶ROM)。
[0035]根据本公开的一个方面，电机控制器14被编程为或以其他方式被配置为实现制动电动机12的方法500。所述方法概括地包括以下步骤:采用确定定子18的无功功率的制动波形对电机12的定子18供电；检测所确定的定子18无功功率的增加；以及响应于检测所确定的定子无功功率的增加，从定子18移除制动波形。无功功率的增加指示转子16已经基本上停止转动。
[0036]在一个相关的实施例中，电机控制器监测定子的无功功率和有功功率，确定在无功功率与有功功率之间的比率以便确定定子的功率因数，并且使用该功率因数来确定何时转子已经基本上停止转动。在一个实施例中，电机控制器确定:当功率因数接近I时，转子已经停止转动。通过监测功率因数来确定转子已经停止是有利的，这是因为指示转子已经停止的功率因数水平是相同的，而不管直流注入制动波形的幅度如何。
[0037]图5的流程图更详细地示出上面描述的方法500的优选实施例的功能和操作。在这一点上，流程图的一些块可以代表方法500和/或本实用新型的计算机程序的代码的模块片段或一部分。在一些可替换实现中，不同块中标注的功能可以不按照图5中描绘的顺序出现。例如，图5中连续示出的两个块在优势可以取决于涉及的功能以相反的顺序来执行。
[0038]方法500在电机12的转子16按照块502中所描述的移动同时开始。例如，在电机组件10用于洗衣机中的实施例中，电机12可以在旋转周期期间以高RPM来运行。
[0039]当电机12断电并且开始滑行的同时或者在此时稍后，电机控制器14可以接收或者在内部处理制动信号，如块504中所示。例如，电机控制器14可以接收来自内部或外部定时电路的信号，该信号指示旋转周期或其它电机周期已经结束并且转子应当减速或停止。
[0040]响应于制动信号或电机12已经断电的其他指示，电机控制器14对定子18供电以对转子施加制动力以便于制动转子，如块506中所示。可以采用受控的电流波形来驱动电子而对定子18供电，如结合方法600在下面更详细描述的。可替换地，可以采用电压受控波形来驱动定子18。
[0041]然后电机控制器14确定定子18的无功功率，如块508中所示。可以以任意常规方式来确定无功功率。例如，可以基于检测通过如结合方法700在下面更详细描述的电流分流22的电流来确定无功功率。还可以通过多个电流分流等来确定无功功率。
[0042]然后电机控制器14检测定子18的无功功率的增加，如块510中所示。无功功率的增加指示转子16已经基本上停止转动。作为该步骤的一部分，电机控制器可以检测转子无功功率的大小的增加。可替换地，电机控制器可以检测定子的所确定的无功功率与确定的有功功率的比率的增加，以便确定转子已经停止转动。
[0043]图3和图4示出说明方法500的特定实施例的图。图3显示了在一个时间段内的电机的转子速度，而图4显示了在相同时间段内的定子的无功功率。在第一时间段100期间，转子16转动，并且定子18的无功功率是O。制动开始于第二时间段102的开始，此时采用导致转子16减速的制动波形对定子18供电。在第二时间段102的结束处，转子16的速度接近O并且定子的无功功率增加。电机控制器14检测定子无功功率的增加，并且在第三时间段104的结束处，响应于检测到的定子无功功率的增加，电机控制器14从定子移除制动波形。
[0044]图3和图4显示的示例可以在不背离本实用新型的范围的情况下进行修改。例如，在第一周期100期间，定子无功功率可以大于O。另外，在第二周期期间，定子无功功率可以是O。第三周期104可以非常短以最小化定子耗散的功率。
[0045]上面描述的方法500提供了多种优点。例如，该方法使得采用制动波形对定子18供电的时间最小化以便节约能量并且使得可破坏定子的功率耗散最小化。特别地，当转子16已经基本上停止转动时，通过将定子18断电最小化定子的功率耗散。同样更短的制动循环时间增加了由电动机12驱动的装置吞吐量。例如，当电机组件10用于洗衣机中时，方法500允许在高速旋转循环之后电机12的快速有效的制动，从而洗衣机能够被卸载或者在不同的循环中运行。
[0046]根据本公开的另一方面，电机控制器14可以被编程或者以其他方式配置为实施制动电动机12的另一种方法600。正如方法500 —样，方法600概括地包括以下步骤:对电机12的定子18供电以制动电机,确定电子18的无功功率,检测定子18的所确定的无功功率的增加，以及响应于检测定子的所确定的无功功率的增加，从定子移除制动波形。如下面更详细解释的，方法600采用受控的电流制动波形来对电机的定子供电。
[0047]图6的流程图更详细地显示上面描述的方法600的优选实现的功能和操作。在这一点上，流程图的一些块可以代表方法600和/或本实用新型的计算机程序的代码的模块片段或一部分。在一些可替换实现中，不同块中标注的功能可以不按照图6中描绘的顺序出现。例如，图6中连续示出的两个块实际上可以同时执行，或者所述块有时候可以取决于涉及的功能以相反的顺序执行。
[0048]方法600的步骤602、604、608、610以及612基本上分别与方法500的步骤502、504、508、510、512相同，并且因此将不再描述。
[0049]在方法600的步骤606中，电动机控制器14采用受控电流波形对定子18供电以向转子16施加制动力从而制动转子。电动机控制器14还可以改变受控电流波形的幅度。在一个实施方式中，受控电流波形的幅度以固定频率变化。固定频率优选在大约IHz和大约IOHz之间。更优选地，固定频率是大约2Hz。
[0050]采用受控电流波形对定子18供电以制动转子16优于采用受控电压制动电动机。这是因为定子基于定子电流(不基于定子电压)来产生磁场并且这是与转子相互作用以对转子进行制动的磁场。由于定子电阻随定子变热而变化，所以受控定子电压能够生成可变的定子电流。因此，受控定子电流将导致比受控定子电压更为一致的转子制动。
[0051]根据本公开内容的另一方面，电动机控制器14被编程或以其他方式被配置为实现制动电动机12的另一方法700。方法700概括地包括以下步骤:对电动机的定子供电以制动电动机，确定转子何时停止转动；以及响应于确定转子已经停止以对定子18断电。如下面更为详细地解释的，方法700通过监测电流分流22来确定转子16已经停止转动。
[0052]图7的流程图更为详细地示出上面描述的方法700的优选实现方式的功能和操作。关于这一点，流程图的一些块可代表本实用新型的方法700和/或本实用新型的计算机程序的代码的模块片段或一部分。在一些可替换的实现方式中，在各个块中标注的功能可以按照图7中描述的顺序之外的顺序来出现。例如，实际上，图6中连续示出的两个块可以基本上并行地执行，或者有时块可以以取决于所涉及的功能相反的顺序来执行。
[0053]方法700的步骤702、704和706与方法500的步骤502、504和506分别实质上相同，并且因此将不会再次描述。
[0054]在方法700的步骤708，电动机控制器14确定通过单个电流分流22的电流。这个步骤可包括计算作为电流分流上的信号的函数的一个或多个电机相电流。所计算的相电流可提供转子已经基本上停止转动的指示。此外，在单个电流分流上的信号可指示定子的无功功率的增加。可替换地，信号可指示电机功率因数的增加等。
[0055]单个电流分流与多个电流分流相比成本更低；因此，实现该方法可以比实现需要多个电流分流的方法成本更低。
[0056]在方法700的步骤710，电动机控制器14对定子18断电以移除在转子16上的制动力。这可以响应于指示转子16已经停止转动的电流分流22上的信号来完成。
[0057]尽管参照附图中示出的优选实施例描述了本实用新型，但应注意的是，在不脱离如权利要求中记载的本实用新型的范围的情况下，此处可采用等同方式并且进行替代。
[0058]已经据此描述本实用新型的优选实施方式，作为新颖的要求保护的内容和期望由专利证书所保护的包括如下内容。
【权利要求】
1.一种电机控制器,用于具有定子和转子的电动机,其特征在于,该电机控制器包括: 电力输入，用于从电源接收电力；以及 电路，用于切换从电源到电动机的电力， 其中该电路可操作以: 在转子转动的同时向定子施加制动波形； 监测定子的无功功率； 检测定子的无功功率的增加以确定转子已经基本上停止转动；以及 响应于检测无功功率的增加，从定子移除制动波形。
2.根据权利要求1所述的电机控制器，其特征在于，其中该电路可操作以检测定子的无功功率的大小的增加以确定转子已经停止。
3.根据权利要求1所述的电机控制器，其特征在于，其中该电路可操作以监测定子的实际功率并且检测无功功率与实际功率的比率的增加以确定转子已经停止。
4.根据权利要求1所述的电机控制器，其特征在于，其中制动波形是受控或恒定的电流号。
5.根据权利要求4所述的电机控制器，其特征在于，其中电机或电机控制器包括一个或多个电流分流，并且其中电机控制器可操作以监测通过电流分流中的一个的电流来监测定子的无功功率并因此确定转子已经停止转动。
6.根据权利要求1所述的电机控制器，其特征在于，该电机控制器还包括用于从向电路发信号的控件中接收控制信号以施加制动波形的控制输入。
7.根据权利要求1所述的电机控制器，其特征在于，其中该电路具有含有编程的微处理器的专用集成电路(ASIC)。
8.—种电机控制器,用于具有定子和转子的电动机,其特征在于,该电机控制器包括: 电力输入，用于从电源接收交流电力； 控制输入，用于从控件接收控制信号； 电路，用于响应于控制信号，切换从电源到电动机的电力，其中该电路可操作以: 在转子转动的同时向定子施加受控的电流制动波形； 确定何时转子已经基本上停止转动；以及 响应于确定转子已经基本上停止转动，从定子移除受控的电流制动波形。
9.根据权利要求8所述的电机控制器，其特征在于，其中受控的电流波形具有固定频率。
10.根据权利要求9所述的电机控制器，其特征在于，其中固定频率在大约IHz和大约IOHz之间。
11.根据权利要求10所述的电机控制器，其特征在于，其中该电路改变所施加的受控电流波形的幅度。
12.根据权利要求8所述的电机控制器，其特征在于，其中该电路可操作以通过监测定子的无功功率并检测定子的无功功率的增加来确定转子已经停止转动。
13.—种电机控制器,用于具有定子和转子的电动机，其特征在于，该电机控制器包括: 电力输入，用于从电源接收交流电力；控制输入，用于从控件接收控制信号； 电路，用于响应于控制信号，切换从电源到电动机的电力，其中该电路可操作以: 在转子转动的同时向定子施加制动波形； 在制动波形被施加到定子的同时监测通过电流分流的电流； 使用监测的通过电流分流的电流来确定转子是否已经基本上停止转动； 响应于确定转子已经基本上停止转动，从定子移除所施加的制动波形。
14.根据权利要求13所述的电机控制器，其特征在于，其中电机控制器通过使用所监测的通过电流分流的电流计算电机的一个或多个相电流，来确定转子已经停止转动。
15.根据权利要求14所述的电机控制器，其特征在于，其中电机控制器通过使用所计算的相电流监测定子的无功功率的增加，来确定转子已经停止转动。
16.一种电机组件，其特征在于，该电机组件包括: 电动机，其具有定子和转子；以及 电机控制器，用于驱动和控制电动机，该电机控制器包括: 电力输入，用于从电源接收交流电力； 控制输入，用于从控件接收控制信号； 电路，用于响应于控制信号，切换从电源到电动机的电力，其中该电路可操作以: 在转子转动的同时向定子施加制动波形； 监测定子的无功功率； 检测定子的无功功率的增加以确定转子已经基本上停止转动；以及 响应于检测无功功率的增加，从定子移除制动波形。
17.根据权利要求16所述的电机组件，其特征在于，其中该电路可操作以通过检测定子的无功功率的大小的增加来确定转子已经停止转动。
18.根据权利要求16所述的电机组件，其特征在于，其中电路可操作以通过监测定子的实际功率并检测无功功率与实际功率的比率的增加，来确定转子已经停止转动。
【文档编号】H02P3/24GK203691298SQ201320653993
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2013年10月22日 优先权日:2012年10月22日
【发明者】D·马塞迪克, T·希翰 申请人:尼得科电机有限公司