提高dc电动机冷却风扇效率的方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001]
技术领域一般涉及通过低频脉冲宽度调制（PffM)进行的直流（DC)电动机速度控 制，并且更具体来说，涉及通过根据PWM切换设备和DC电动机速度条件调整PffM切换频率 和其占空比来提高车辆冷却风扇DC电动机的效率。
【背景技术】
[0002] 低频脉冲宽度调制（PffM)切换是用来改变控制驱动冷却风扇的DC电动机的速度 的电压的重要技术。这是因为驱动PWM的场效应晶体管（FET)的低频切换比高频切换产生 较少热量。较低的热量产生允许较小的散热器，散热器重且相对高成本。"高"或"低"频率 的定义是根据具有特定DC电动机特征的电动机的确定的，所述特征诸如：额定速度、电极 数量、电感特征和指定的温度考虑。作为非限制性实例，本文中将"低频率"定义为低于1 kHz 〇
[0003] 脉冲宽度调制（PffM)或脉冲持续时间调制（PDM)是基于调制器信号信息来符合电 压脉冲的宽度（即，脉冲持续时间）的调制技术。尽管此调制技术可以用来编码信息用于传 输，但是其主要用途是允许控制供应给电气设备的功率，特别是供应给诸如电动机的惯性 负载的功率。在使用中，通过将电源与负载之间的开关(即，晶体管）以快节奏"接通"和"断 开"来控制馈送到负载的电压(和电流）的平均值。开关"接通"相对于"断开"时间越长，则 供应到负载的功率越高。
[0004] "周期"是信号完成接通和断开周期所花费的时间。作为公式，占空比可以表达为：
其中"是占空比，7是信号有效的时间，并且尸是信号的总周期。因此，60%占空比意味 着信号在60%的时间接通并且在40%的时间断开。取决于周期的长度，用于60%占空比的 "接通时间"可以是一秒、一天或者甚至一周的一小部分。
[0005] 对于实践的目的，PffM切换频率(或1/P)必须比将会影响负载(也就是说，使用功 率的设备）的频率快得多。通常，PWM切换用于诸如灯调光器、电动机驱动器、电炉、音频放 大器和计算机电源的设备中，其中切换频率从几 Hz变化到几百kHz。
[0006] 术语"占空比"描述"接通"时间与有规律间隔或时间的"周期"的比例；低占空比 对应于低功率，因为功率在大部分时间断开。占空比以百分比表达，其中100%是完全接通。 图5是不同占空比对电压的影响的图。周期P 1的脉冲提供电SV1。随着脉冲的周期增加 (例如，P2)，V 2增加，其中T sysclk是时钟增量。
[0007] 通常，通过与电动机串联的电阻卡来控制DC电动机的速度，然而存在由于电阻中 的热量而耗散的功率损耗，能量浪费。因此，PWM由于设备中的较低功率损耗而在控制DC电 动机速度方面具有较高效率，并且提供较精细的速度控制。切换设备功率损耗|^@是电阻 和切换频率的函数，由以下提供： 方程I 其中：
Ediss是由FET耗散的能量， VFETofT是处于断开状态下的晶体管电压降， IFETofT是通过处于断开状态下的晶体管的电流， Rds是指处于接通状态下的晶体管电阻， IFETon是通过处于接通状态下的晶体管的电流， Vturnon是处于接通状态下的晶体管电压降， Iturnon是通过处于接通状态下的晶体管的电流， VturnofT是处于断开状态下的晶体管电压降， IturnofT是通过处于断开状态下的晶体管的电流， t是在某个周期T期间累计的时间。
[0008] 参照方程1，图9描绘其中耗散相应的功率的场效应晶体管（FET)内的电流和电压 的说明性波形。图9包括具有关于X轴的时间（t)和关于y轴的电流、电压（I，V)的第一 曲线图902和具有关于X轴的时间（t)和关于y轴的功率（P)的第二曲线图904。第一曲 线图包括其中场效应晶体管（FET)被断开的第一区域906、其中FET被接通的第二区域908 和其中FET被断开的第三区域910。第二曲线图904包括其中传导损耗被接通的第一区域 912、其中传导损耗发生的第二区域914和其中传导损耗被断开的第三区域916。
[0009] 将某个时间周期考虑为参考，由于饱和(切换设备接通）与切断(切换设备断开）区 域之间的较高转变量，所耗散的能量(?^)趋向于在高频下操作时较高。因此，使用低频切 换PffM来驱动电动机减少FET变热，从而使得可以减小散热器尺寸和系统成本。
[0010] 然而，低频PWM控制就每单位的电功率输入的机械扭矩输出而言对效率具有不利 影响。这是因为在每个PWM周期中对电动机不输入功率的时间量在低频下大于在高频下。 这减少该周期期间的速度和扭矩。因此，由于在"断开"时间期间损失的速度，使得在"接通" 时间期间传递到电动机的电流将较高，这导致较低的效率。此效应还不利地影响电动机起 动，并且在达到所需速度和较高峰值电流的较长时间内明显，这导致对系统的压力。
[0011]因此，需要提供改进控制系统以有效地控制车辆的冷却风扇的方法和系统。此外， 需要根据DC电动机操作条件(诸如电动机起动、占空比和FET温度)来动态地改变PffM切换 频率。此外，本发明的其他所需特征和特性将从结合附图和以上技术领域和背景进行的以 下详细描述和随附权利要求变得显而易见。
【发明内容】
[0012] 提供一种用于基于电动机的速度和传递函数通过晶体管来控制脉冲宽度调制电 流的方法。方法包括接收指示所需电动机速度增加的电子信号并且将电子信号与传递函数 相比较以确定实现电动机速度增加所需的电动机电流的占空比。当速度增加高于预定值 时，则将用于脉冲宽度调制的切换频率增加到指定的高水平，但是处于或低于指定的最大 频率，并且基于将占空比与占空比输出值相关联的占空比改变函数来改变占空比。
[0013] 提供一种用于基于电动机的速度通过晶体管来控制脉冲宽度调制的系统。在一个 实施例中，系统包括：存储传递函数的存储器；具有调制输入电压和调制的输出电流的晶 体管；通过晶体管将电流提供给电动机的直流电源；配置成从晶体管吸收由于电流产生的 热量的散热器；以及计算设备。计算设备被配置成接收表示所需的电动机速度的电子信号 并且被配置成控制调制输入电压，其中晶体管基于晶体管温度在切换频率下从直流电源产 生调制的输出电流，并且具有占空比是基于作为对传递函数的输入的电子信号。
[0014] 提供一种车辆，该车辆包括：电动机；具有调制输入电压和调制的输出电流的晶 体管；通过晶体管将直流电流提供给电动机的电源；以及计算设备。
[0015] 本发明包括以下技术方案： 1. 一种用于基于具有最大切换频率的电动机速度和传递函数通过晶体管来控制脉冲 宽度调制电流的方法，包括： 接收指示所需电动机速度增加的电子信号； 将所述电子信号与所述传递函数相比较以确定实现电动机速度所需的电动机电流的 占空比； 当所述速度增加高于预定值时，则将用于所述脉冲宽度调制的切换频率增加到指定的 高水平，但是处于或低于指定的最大频率，并且基于将新的所需占空比值与当前占空比值 相关联的占空比改变函数来改变所述占空比。
[0016] 2.如技术方案1所述的方法，其进一步包括： 当所述速度增加低于所述预定值时，则根据输出传递函数保持所述占空比并且基于晶 体管温度调整所述切换频率，目标在于处于给定温度极限内的最大可能频率，以增加与用 于给定输入功率的电动冷却风扇直流电动机工作有关的能量效率。
[0017] 3.如技术方案2所述的方法，其进一步包括在存储器中建立晶体管温度极限、第 一预定频率值、数字计数器（N)、第一预定计数器值（NI)以及第二预定计数器值（N2);其中 所述第一预定计数器值（Nl)小于所述第二预定计数器值（N2 )。
[0018] 4.如技术方案3所述的方法，其中当所述晶体管温度小于所述晶体管温度极限 时，则将所述计数器（N)减量1并且将所述切换频率设置为所述最大切换频率。
[0019] 5.如技术方案3所述的方法，其中当所述晶体管温度大于或等于所述晶体管温 度极限时，则将所述数字计数器（N)与所述第二预定计数器值（N2)相比较，其中进一步当 所述数字计数器（N)小于所述第二预定计数器值（N2)时，将所述切换频率设置为零。
[0020] 6.如技术方案5所述的方法，其中当所述晶体管温度小于所述晶体管温度极限 时，则将所述数字计数器（N)重置为所述第一预定计数器值（N1)。
[0021] 7.如技术方案5所述的方法，其中当所述数字计数器（N)小于所述第二预定计数 器值（N2)时，则确定所述数字计数器（N)是否大于或等于所述第一预定计数器值（N1)，其 中当所述数字计数器（N)大于或等于所述第一预定计数