专利名称：具有锁定和停止转子检测的无刷和无感应器的直流电机控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及直流(DC)电机控制器，并且尤其涉及包括对无刷和无感应器的直流电机的锁定和锁定失败的转子进行检测的电机控制系统。
背景技术：
对于诸如驱动压缩机或泵之类的某些电动电机应用，采用直流电机通常比采用交流(AC)电机更有利。例如，在以较低速度启动时，压缩机的启动需要较高的扭矩，其典型地不能由AC电机尤其是具有开环控制器的AC电机较好地操纵。另外，在较低的压缩机负载下，压缩机以较低的速度运行更有效率。典型地，直流电机相对AC电机和控制系统能更有效地处理可变速度和高扭矩、低速度的应用。
因此，在需要高扭矩、低速度操作的应用中，通常采用变速直流电机，特别是无刷直流(BLDC)电机。然而，使用BLDC电机的一个困难是检测诸如由于电机轴承失灵或碎片阻碍运动或损坏相位线圈而锁定的电机转子。另一个困难是检测由于转子相位锁定失败而停止的转子，电机控制器需要该转子用于BLDC电机中的相位线圈的正确电子交换。
尽管很多应用采取转子位置感应器用于维持转子相位锁定或用于检测锁定的转子，但在诸如泵或压缩机之类的密封的应用中，空间和环境的考虑仍然限制了这种感应器的使用。例如，全封闭压缩机通常包括润滑剂和制冷剂，当因压缩机操作而受热和暴露于湿气中时，润滑剂和制冷剂会形成腐蚀感应器的酸。同时，如果采用电机感应器，额外的电连接必须通过全封闭室的壁面实现而不破坏这种全封闭，这增加了另外的费用和这种全封闭的额外的可能故障点。
一种用以在电动电机应用中检测锁定或停止的转子的通用解决方案是感应由电机线圈引起的、高于运行中电机的额定电流的电机电流。例如，典型的不可变电动电机中的锁定转子的情况有可能使电机电流超过80安，而正常的高速电机操作仅需10-15安的电流。然而，在BLDC电机的情况下，锁定或停止转子的情况还有可能引起比正常运行电流更小的电流，例如对于停止的转子，引起30安的电流，而正常的高可靠性能测定(RPM)操作有可能引起40安的电流。因此，常规的过电流感应检测不提供用于检测锁定或停止的转子的解决方案。
在压缩机应用中，除了轴承失灵、碎片或转子锁定失败，有可能引起BLDC电机不正常运行的另一个典型问题是在压缩机关闭后不久就尝试重启该电机。在关闭后，压缩机的制冷剂头压可以提供比电动电机所能克服的可用扭矩更大的阻力，从而引起暂时锁定转子的情况。随着时间的推移，头压最终会在整个系统中相等，将电机和压缩机冷却至再次正常工作。
所需要的是BLDC电机控制器，其提供锁定和停止的转子检测而不使用转子位置感应器或过电流检测。
发明内容
本发明提供了一种方法和电机控制系统，用于检测无刷和无感应器的直流电机系统中的锁定或停止的转子，或用于其他方面例如检测阀或螺线管驱动器中锁定或停止的传动器。该电机控制系统包括能够对反电动势(EMF)进行采样的保护和故障检测电路，以及具有现成的电机集成电路(IC)的电机控制电路。通过向该电机控制IC提供过电流指示，该保护和故障检测电路短暂地禁止该电机控制IC相位驱动器输出。尽管禁止了相位驱动器输出，但如果电机转子仍在旋转，则该电机产生反电动势。因此，在禁止相位驱动器输出后，该故障检测电路测量反电动势以确定电机转子是正在旋转还是停止了。
虽然示例性实施例专注于用以驱动不具有感应器的密封压缩机或密封泵的无刷直流(BLDC)电机，但发明原理还可以应用于其他类型的电机和应用，例如未密封的泵、阀或螺线管驱动器。在不具有转子位置感应器或其他感应器的BLDC电机应用中，电机控制电路难以确定电机转子已经锁定或转子的电子交换相位锁定已经失败，使得转子停止的情况。
反电动势检测通过暂时禁止电机控制IC的相位线圈驱动器输出来完成。通过向电机控制IC的可用控制输入提供信号可以禁止驱动器输出。例如，向电流过载控制输入提供信号，从而模拟过电流情况并暂时关闭电机控制IC的相位驱动器输出。在电机相位线圈不是电驱动的短暂时间期间，反电动势采样电路测量该反电动势以确定转子是否仍在旋转。在未驱动的相位线圈中由电机的磁铁经过该相位线圈的运动而产生反电动势。短暂地禁止驱动器输出的期间具有足够的持续时间以使至少一块磁铁以最低的电机速度经过一个相位线圈，但不具有足够的持续时间例如约1.0毫秒以充分地影响电机速度和扭矩。如果检测到反电动势的门限电平，则切换提供给控制输入的信号状态，例如模拟过电流情况；并且电机控制IC将恢复对该电机供电。如果未检测到反电动势的门限电平，则在预定的延迟之后，保护和故障检测电路可以用电机控制IC来尝试一系列的电机重启。
包括反电动势采样电路的保护和故障检测电路可以包括光隔离器，用于从检测电路隔离较高的相位线圈电压。在示例性的实施例中，该电路包括用于收集待检测的反电动势的电容器，以及用于测量该反电动势、控制该反电动势采样过程以及处理故障和系统保护测量的具有模-数转换器的微控制器。例如，故障处理和系统保护测量可以包括尝试重启系统、在备份模式下操作系统或关闭系统。
所发明的电机控制还有可能能够检测其他故障，例如过大或不足的电机电压，过大或不足的电机电流，过高的功率桥接电路、电机或压缩机温度，以及过大或不足的电机速度。所发明的电机控制还提供能够防止对电机控制、电机以及相关的组件和系统的损害的保护和诊断的特征，并且其还基于所检测的参数以及重启或其他纠正或诊断故障处理步骤的结果来提供对故障潜在原因的确定。
BLDC电机控制锁定和停止的检测器的一个优点是，提供转子检测而不需要转子位置或速度感应器或依靠过电流检测电路。本发明的另一个优点是，具有控制输入，例如电流过载输入端口的商用现成的电机控制IC，可以用于接通或断开相位线图的驱动和电机控制的大多数其他方面。因此，本发明提供了与现有电机控制系统和电机控制IC的容易的接口连接。此外，本发明的另一个优点是故障检测电路可以包括由软件激活的微控制器，因此对参数和控制方法的修改可以容易地进行而不改变硬件。
在一种形式中，本发明提供了一种用于控制具有多个相位线圈的无刷和无感应器的直流电机系统的电机控制系统，包括电机控制集成电路，其具有多个电机驱动器输出和一个用于操作该多个输出驱动器的控制输入，该多个电机驱动器输出耦合到多个相位线圈；以及故障检测电路，其与所述控制输入耦合并能够有选择地切换上述控制信号以短暂地禁止所述多个输出驱动器，所述故障检测电路耦合到多个相位线圈中的至少一个相位线圈并能够从多个相位线圈中的至少一个相位线圈中检测到门限反电动势电压。
在另一种形式中，本发明提供了一种用于控制具有多个相位线圈的无刷和无感应器的直流电机系统的电机控制系统，包括电机控制集成电路，其具有多个电机驱动器输出和一个用于操作该多个输出驱动器的控制输入，该多个电机驱动器输出耦合到多个相位线圈；以及故障检测电路，其与所述控制输入耦合并能够检测电机系统的多个电的和非电的故障情况，该故障检测电路能够向该控制输入提供控制信号，以在检测到多个电的和非电的故障情况中的至少一个情况时禁止该多个输出驱动器。
在另一种形式中，本发明提供了一种用于在电机控制系统中检测故障的方法，该电机控制系统用于具有多个相位线圈的无刷和无感应器的直流电机系统，该方法包括步骤提供电机控制集成电路，其具有耦合到多个相位线圈的多个功率驱动器并具有能够选择性地激活该多个功率驱动器的控制输入；通过在多个相位线圈的至少一个相位线圈上测量电动势来检测电机系统故障；以及在检测到由所测得的电动势低于预定门限所指示的电机系统故障时，切换控制输入，以禁止该多个功率驱动器，从而停止电机操作。
在又一种形式中，本发明提供了一种用于在电机控制系统中检测锁定或停止的转子的方法，该电机控制系统用于具有由功率驱动器驱动的多个相位线圈的无刷和无感应器的直流电机系统，该方法包括步骤禁止功率驱动器；然后测量从该多个相位线圈中产生的反电动势；然后根据所测得的反电动势，在一个时间段之后激活该功率驱动器。
在另一种形式中，本发明提供了一种流体处理系统，包括泵；无刷直流电机，用于驱动该泵，该电机具有多个相位线圈；以及电机控制系统，其耦合到该电机，该电机控制系统包括电机控制电路，其具有耦合到多个相位线圈的至少一个电机驱动器输出；以及微控制器，其具有耦合到多个相位线圈中的至少一个相位线圈的A/D转换器，并具有软件使其提供输出信号到上述电机控制电路从而短暂地禁止至少一个电机驱动器输出，当禁止至少一个电机驱动器输出时，该微控制器能够测量在多个相位线圈中的至少一个相位线圈中产生的反电动势的电压电平。
结合附图，参考对本发明实施例的描述，本发明的上述和其他特征和优点以及获得这些特征和优点的方式将变得更加明显，并且发明本身能得到更好理解，其中图1是根据本发明的，具有锁定和停止的转子检测器的电机控制系统的框图；图2是图1的电机控制系统的一部分的示意框图；图3A-3C是图1的电机控制系统的一部分的示意图，包括保护和故障检测电路；图4A-4C是图1的电机控制系统的一部分的示意图，包括电机控制集成电路；图5是图1的电机控制系统的一部分的示意图，包括低电流相位驱动器；图6是图1的电机控制系统的一部分的示意图，包括低电流相位汇(sink)；图7A-7B是图1的电机控制系统的一部分的示意图和平面图，包括晶体管功率桥接电路；图8是图1的电机控制系统的一部分的示意图，包括电机电流感应放大器；图9A-9B是图1的电机控制系统的一部分的示意图，包括电源电路；以及图10A-10G是说明根据本发明来控制直流电机的步骤的流程图。
在全部的几个视图中，相应的参考符号指示相应的部分。此处说明的本发明的示例性实施例不应理解为以任何方式对本发明范围的限制。
具体实施例方式
本发明包括用于控制无刷直流(BLDC)电机的电机控制系统。电机控制系统20能够检测锁定和停止的转子26，而不需要转子位置和速度感应器。如图1所示，电机控制系统20的示例性实施例通常包括电动电机22、晶体管功率桥接电路30、相位驱动器电路32、电机控制电路38以及保护/故障检测电路42。
本示例性实施例中的电动电机22是BLDC电机，其具有三个相位线圈，分别为相位A 24a、相位B 24b以及相位C 24c。多个相位线圈24a-24c由包括相位源驱动FET(场效应晶体管)Q2、Q6和Q10以及相位汇驱动FET Q3、Q9和Q11的晶体管功率桥接电路30驱动。
晶体管功率桥接电路30由包括电机控制IC 40的电机控制电路38控制，其中的电机控制IC 40可以是具有控制输入的商用现成的电机控制IC，该控制输入用于选择性地激活或禁止相位驱动器输出。例如，该控制输入可以是在电流过载的情况下用于禁止相位驱动器输出的端口。
在本示例性实施例中，电机控制IC 40提供多个方面的电机控制，包括启动、相位锁定的电子交换以及对电机22的速度检测。电子交换由无感应器的相位检测提供，例如，通过对未驱动的相位检测信号过零(zero crossing)来提供电子交换。电机控制IC 40可以是能够处理操作压缩机、泵等所需的较高扭矩和从低到高的速度斜升(ramping)的变速电机控制器。电机控制IC 40包括控制输入，用于选择性地激活或禁止晶体管功率桥接电路30的驱动。晶体管功率桥接电路30为电机22的相位线圈24a-24c供电。因此，切换控制输入会选择性地激活和禁止相位线圈24a-24c的电源。在本示例性实施例中，可以短暂地切换控制输入状态，以便进行反电动势检测，并且在检测到需要系统保护的故障的情况下，还可以短暂地切换控制输入状态以禁止电机22。
故障检测电路42包括光耦合隔离器U14和U15，用于将相位线圈24a、24b和24c耦合到反电动势感应电容器C7。通过选择性地驱动电机控制IC 40的控制输入至其激活状态并测量电容器C7两端的反电动势，微控制器44提供控制以及锁定和停止的转子检测。
本发明中也可以包括另外的故障检测和系统保护特征。例如，电机控制器20的示例性实施例包括耦合到保护电路42的若干其他故障检测设备。机壳温度感应器29可以热耦合到电机22或压缩机28，以便检测超温(over-temperature)情况。功率桥接温度感应器31可以热耦合到晶体管功率桥接30，以便检测晶体管Q2、Q3、Q6、Q9、Q10和Q11的超温。电压感应电路52可以耦合到电源34，以便感应高于或低于预定门限的电压源电平。电流感应电路60和62可以耦合到至少一个相位线圈24a-24c，以便感应高于或低于预定门限的电机电源电流。有利的是，微控制器44不仅可以检测故障，而且还可以执行保护和诊断功能。例如，在检测到预定数目的故障或故障持续时间大于预定时间之后，微控制器44可以关闭电机22。另外，通过检测故障类型或故障的组合，以及如果尝试恢复，则判断是否成功地恢复了电机22的正常运行，微控制器44可以指示故障情况的可能潜在来源。例如，微控制器44可以包括查找表(未示出)，以便执行这样的诊断功能。
参考图2，框图示出了示例性电机控制系统20，其为驱动压缩机28的电机22供电。电机22和压缩机28完全封闭在机架27中，并且可以是例如制冷系统的一部分。虽然本示例性实施例中的由电机22驱动的负载是压缩机，但本发明可以用于控制驱动很多负载的电机或其他电动传动器，这些负载例如有液体和气体之类的流体泵、阀等。在本示例性实施例中，低电流相位驱动器32耦合到电机控制电路38，并为晶体管功率桥接电路30提供参考信号。电机控制系统20的电源通过切换电源34来提供。
系统保护元件包括功率桥接温度感应器31和机壳温度感应器29。功率桥接温度感应器31热耦合到晶体管功率桥接电路30的高功率组件，例如热安装到散热片56(图7A)。功率桥接温度感应器31电耦合到微控制器44，从而在晶体管功率桥接电路30过热的情况下提供热监控和电机关闭能力。与此类似，机壳温度感应器29热耦合到至少电机22和压缩机28之一，例如热安装到机架27。例如双金属开关之类的机壳温度感应器29也同样地耦合到微控制器44，从而在电机22和压缩机28达到有可能引起系统损害的操作温度的情况下提供热监控和电机22关闭能力。
参考图3A-3C，保护/故障检测电路42包括微控制器44，其包括输入和输出(IO)端口、模-数(A/D)转换器以及用于控制故障检测、诊断功能、系统保护和电机关闭的软件；功率桥接温度感应器31(图7B)；电机电压感应电路52；以及反电动势检测电路54(图4B)。
微控制器44包括用于通过向电机控制IC 40提供控制输入来测量各种电机情况、检测故障、进行诊断和系统保护以停止、重启或关闭电机22的软件。具体地说，微控制器44在管脚1处获得+5V直流电源，在管脚8处获得电路接地，在管脚4处获得来自检测电路54(图4B)的反电动势信号，在管脚7处获得来自电机电流感应放大器60(图8)的电机电源电流，在管脚5处获得来自电机电压感应电路52的电机电源电压，在管脚11处获得来自电机控制IC 40的电机速度，在管脚23处获得机壳温度故障检测结果，并在管脚3处获得来自功率桥接温度感应器31的温度测量结果。另外，微控制器44提供IO端口，在管脚26处用于禁止电机控制IC 40的相位驱动器输出，在管脚14处用于故障指示输出，在管脚22处用于选择电机控制IC 40的斜变模式，在管脚25处用于重置电机控制IC 40，在管脚13处用于向电机控制IC 40提供速度信号VSPEED，以及在管脚15和16处用于为网络电机补偿电容器C17和C45进行电机启动前充电。
微控制器44可以是例如可从美国亚利桑那州钱德勒市的微芯片技术有限公司(Microchip Technology Inc.of Chandler，Arizona)购买的16F870号零件。微处理器44可以由软件激活，如图10A-10G中的流程图所示。作为替代，微控制器44可以替代性地包括替代逻辑处理设备，例如微处理器、数字信号处理器或离散电路。
微控制器44的管脚3是A/D转换器输入端口，其接收来自功率桥接温度感应器电路31(图7B)的温度信号TEMP OUT。参考图7B，功率桥接温度感应器电路31从温度感应器U3的管脚2接收温度信号，该管脚2热耦合到功率桥接FET Q2、Q3、Q6、Q9、Q10和Q11。例如，感应器U3可以安装在散热片56上。温度感应器U3可以是例如可从美国加州圣克拉拉市的国家半导体公司(NationalSemiconductor of Santa Clara，California)购买的LM34TH号零件，即一种提供与华氏度数成正比的线性毫伏信号的精密华氏温度感应器。
再次参考图3A和3B，将来自温度感应器U3的温度信号TEMP-OUT提供给输入管脚3，并且机壳温度感应电路50耦合到微控制器44的管脚23。因此，当由温度感应器U3测量的散热片56的温度超过由微控制器44确定的预定限度时，可以由微控制器44执行诸如暂时关闭电机22之类的保护措施。
可以通过连接器JP4将机壳温度感应器29耦合到包括电阻器R3、R4、R20和R24，晶体管Q7，电容器C50以及二极管D2的机壳温度感应电路50。当激活机壳温度感应器29时，机壳温度感应电路50接通晶体管Q7，Q7提供通过二极管D2的信号，以便激发电机控制IC 40(图4C)的ISENSE控制输入管脚1至高电平的逻辑状态，以禁止相位驱动器输出。Q7还提供用于激发微控制器44的温度故障IO管脚23至高电平的逻辑状态以指示超温故障的信号。
当微控制器44检测到这种温度故障时，以及检测到其他故障时，微控制器44可以经由外部控制器接口JP1的管脚8，在管脚14处提供指示故障情况的故障输出信号。另外，通过在微控制器44的电机禁止输出管脚26处提供激活的高输出信号从而禁止电机控制IC 40的相位驱动器输出，微控制器44可以停止电机22，其中该管脚26与电机控制IC 40的ISENSE输入管脚1连接，电机电压感应电路52包括分担电机电源电压并与微控制器44的管脚5耦合的电阻器R46、R16和R12。另外，齐纳二极管D4保护微控制器44不受到破坏性电压电平的损害。电机电压输入管脚5是一个A/D转换器，其测量电机电源电压并能够检测过电压或欠电压情况。在过电压情况下，微控制器44可以关闭电机22，以防止对电机22、电机控制系统20或其他相连的系统组件造成损害。在欠电压的情况下，微控制器44也可以关闭电机22，例如对于电池驱动的系统，关闭电机22以便保持电池电源对于监控和控制功能可用且不会由于驱动电机22而全部耗尽。
微控制器44的电机电流输入管脚7是一个A/D转换器，其可以配置为提供高于或低于预定限度的电流感应。参考图8，电机电流感应放大器60接收来自电路节点64(图7B)的0.25mV/A的信号，电路节点64在相位驱动汇FET Q3、Q9和Q11的源极端与低阻率高功率电阻器R43和R44之间，R43和R44接地。运算放大器(Op amp)U8B放大信号并设置为固定增益50，以此修正信号使得能利用微控制器44管脚7处A/D转换器的5伏的范围。通过监控电机电流，微控制器44可以检测除锁定和停止的转子之外的故障模式，诸如相位线圈24a-24c中的短路之类。
再次参考图3B，微控制器44的管脚4是一个A/D转换器，用于测量电机的反电动势，该反电动势在由微控制器44控制的周期性采样期间由相位线圈24a-24c在电容器C7(图4B)两端在产生。在反电动势的周期性采样期间，电机控制IC 40短暂地禁止在电机控制IC40的管脚2-4和9-11(图4C)处的相位驱动器输出，因此如果电机22的转子26(图2)相对于电机定子绕组即相位线圈24a-24c仍在转动，则相位线圈24a-24c作为发电机而运行。相位驱动器输出由微控制器44的电机禁止输出管脚26来禁止，管脚26通过电阻器R13和二极管D3(图4B)耦合，激发电机控制IC 40的ISENSE控制输入管脚1至高电平的逻辑状态。
如图4B所示，反电动势检测电路54包括通过电阻器R6、R8、R32、R33、R39和R45连接到电机相位线圈24a-24c的光耦合隔离器U14和U15。微控制器44的电机禁止输出管脚26还向光耦合隔离器U14和U15的输出晶体管提供电源电压。当受到发光二极管(LED)激发时，U14和U15的输出晶体管为电容器C7充电。LED在U14和U15内部，并由接收到的来自电机22相位线圈24a-24c的反电动势供电。光耦合隔离器U14和U15可以是例如由美国纽约州梅尔维尔市的NEC公司(NEC Corporation of Melville，New York)制造的PS2505-1号零件。
用于控制电机22的示例性实施例电机控制电路38主要由电机控制IC 40来实现，电机控制IC 40诸如可从美国缅因州波特兰市的仙童半导体公司(Fairchild Semiconductor Corporation of South Portland，Maine)购买的ML4425CS号零件。电机控制IC 40对BLDC电机22提供脉冲宽度调制(PWM)斜升和速度控制。如图4A和4C所示，电机控制IC 40需要许多相关联的组件，基于电机类型、电压、应用等并根据制造商的规范来选择这些组件。如图3A所示，电机22的运行速度由通过外部控制接口JP1管脚7提供的速度信号确定，并由微控制器44的A/D转换器输入管脚2接收。同样如图3A所示，电阻器R1和R5以及电容器C1调节速度信号。基于该信号以及微控制器44的控制和保护逻辑，微控制器44的IO端口管脚13向电机控制IC40的管脚8提供由电阻器R7和R11以及电容器C44和C46调节的速度命令信号VSPEED。
如图4A和4C所示，为确定相位交换，电机控制IC 40在未驱动的相位线圈24a-24c上使用通过管脚22-24接收的反电动势检测结果。电机控制IC 40驱动相位驱动器输出管脚2-4和9-11，用以对电机相位线圈24a-24c供电，然后提供电机22的锁相环(PLL)电子交换并且斜升至由在管脚8处接收的速度命令信号VSPEED确定的电机运行速度。如图3A所示，基于电机控制IC 40的PLL交换，管脚13向外部控制接口JP1管脚5提供速度反馈信号VCO/TACH，并向微控制器44的IO端口管脚11提供速度反馈信号VCO/TACH。
通过监控电机22的速度，微控制器44可以确定电机速度是低于最小预定电机速度还是高于最大预定电机速度。例如，发明人已经认识到，在诸如本示例性实施例之类的全封闭的压缩机应用中，为每个压缩机应用确定的小于预定最小速度例如小于1500RPM的电机RPM对于正确地润滑压缩机28是不够的。因此，如果故障情况使得电机22降至低于预定速度达到预定的一段时间，则微控制器44可以对故障情况作标记并关闭电机22。与此类似，发明人已经认识到，以高于预定最大速度例如高于6500RPM的RPM操作电机22有可能对压缩机28的阀组件造成损害。与此类似，可以检测超速故障，并且使电机22的操作停止以防止系统损害。
参考图4，三个源向电机控制IC 40的ISENSE控制输入管脚1提供逻辑输入。微控制器44的电机禁止输出管脚26激发电机控制IC40的电机电路过载ISENSE输入管脚1至高电平的逻辑状态，用于电机22反电动势的周期性采样，以便检测锁定和停止的转子。在本示例性实施例中，周期性采样包括大约每秒一次地驱动ISENSE管脚1至高电平，并持续约1.0毫秒，例如，用以检测电机22的转子是否已经由于锁定和停止的转子情况而停止。如图3A和3B所示，在正常的操作情况下，电机22的运行将提供反电动势，其为电容器C7充电，并在例如大约0.9毫秒的预定延迟之后，由反电动势A/D转换器在微控制器44的管脚4处检测该反电动势。在锁定或停止转子的情况下，相位线圈24a-24c将不会产生反电动势，并且不会为电容器C7充电，因此在管脚4处将检测到低于预定电机运行门限的电压。然后，微控制器44可以向电机控制IC 40的电机电流过载ISENSE管脚1提供控制信号，并在微控制器44的管脚4处提供故障输出信号。
如图3C所示，电机控制IC 40的电机电流过载ISENSE管脚1的输入信号也由机壳温度感应器电路50提供，该输入信号在机壳温度开关29打开的情况下激发ISENSE管脚1到高电平状态，去除连续接地并允许管脚1浮动到5V，例如在超温情况打开了双金属开关29的情况。
耦合到电机控制IC 40的ISENSE管脚1的控制信号还可以由图8所示的电机电流感应放大器62来提供。电机电流感应放大器62接收并放大电流感应电阻器R43和R44两端以及来自晶体管功率桥接电路30的汇FET Q3、Q9和Q11的源极端的0.25mV/A的信号。电机电流感应放大器62提供数值为5的信号增益并耦合到电机控制IC 40的ISENSE管脚1。在电机电流超过预定门限的情况下，选择放大器62的信号增益以提供快速的ISENSE管脚1切换，以防止对功率桥接电路30的损害。
参考图5，来自电机控制IC 40的管脚2-4的高端(high-side)相位驱动器输出驱动低电流单通道驱动器U1、U6和U9。如后面的图7A和7B所示，驱动器U1、U6和U9驱动源FET Q2、Q6和Q10的栅极端。低电流驱动器U1、U6和U9可以是例如由美国加州埃尔塞贡多的国际整流器公司(International Rectifier of El Segundo，California)制造的IR2118S号零件。
参考图6，电机控制IC 52的低端(low-side)相位驱动器输出管脚9-11驱动低电流单输出驱动器U4、U7和U11，如图7A和7B所示，驱动器U4、U7和U11驱动晶体管功率桥接电路30的汇FET Q3、Q9和Q11的栅极端。低电流驱动器U4、U7和U11可以是例如由美国亚利桑那州钱德勒市的微芯片技术有限公司(Microchip TechnologyInc.of Chandler，Arizona)生产的TC442COA号零件。
参考图7A和7B，相位线圈驱动器FET Q2、Q3、Q6、Q9、Q10和Q11热耦合到散热片56并为电机22的相位线圈24a-24c提供高端和低端切换。温度感应器U3也热耦合到散热片56，并向功率桥接温度感应器31提供温度信号，功率桥接温度感应器31耦合到微控制器44的IO管脚3(图3A和3B)，以便感应如上所述的晶体管功率桥接电路30中的超温情况。
参考图9A和9B，通过外部控制接口连接器JP1管脚，切换电源34接收例如8-30VDC范围内的直流输入电压。电压调整器U12和U10以及其他调节和保护组件为电机控制系统20提供例如调整到12V和5V的电源。
图10A-10G示出了说明用于监控和控制电机控制系统20的步骤的示例性流程图，这些步骤包括检测锁定的转子、停止的转子、高电压或低电压、高电流或低电流、超温以及超速或欠速的情况。在本示例性实施例中，以激活微控制器44的软件的方式提供了方法200和方法300。
子程序200开始于步骤202，并且是根据本发明用于电机控制的该方法和装置的示例性实施例。在步骤202中，微控制器44初始化内部中断、A/D转换器以及时钟，并清空寄存器。在步骤204中，微控制器44清除内部故障标记，例如过电流、超温以及锁定或停止的转子。
在步骤206中，微控制器44测量在管脚5处提供给A/D转换器的电机电压。在步骤208中，微控制器44检查温度故障输入管脚3和23的逻辑状态。在步骤209中，微控制器44分别激发IO管脚16和15至高电平和高电平状态，以将电机补偿网络电容器C17和C45预充电至正常运行状态，基本上在上电(power-up)时消除了电机22RPM过冲(overshoot)。在步骤210中，通过在电机禁止输出管脚26处提供低逻辑输出，微控制器44开启电机22，管脚26耦合到电机控制IC 40的ISENSE管脚1。在步骤212中，微控制器44延迟预定的一段时间，例如2秒，而电机控制IC 40将电机22的速度斜变至指定的操作速度。
在步骤214中，微控制器44确定对于周期性的电机控制系统状态检查，例如一秒的预定周期是否已经过去。如果预定周期已经过去，则完成步骤216。如果还没有过去一秒，则完成步骤218。在首次执行子程序200时，当首先完成步骤214时，预定周期还没有过去，因此将完成步骤218以确定电机22是否正在运行。在步骤218中，如果微控制器44确定电机22正在运行，则子程序200继续步骤214。如果微控制器44确定电机22不在运行，则子程序200继续步骤204，以便再次检查参数并尝试电机启动。
执行步骤216后，完成子程序300，其也是根据本发明用于电机控制的该方法和装置的示例性实施例。参考图10B，从步骤302开始，子程序300检查电机控制系统20的状态并对系统20提供诊断、故障检测和保护。在步骤302中，微控制器44禁止内部中断并激发电机禁止输出管脚26至高电平的状态，以禁止电机控制IC 40的相位驱动器输出并提供跨接电容器C7上的反电动势检测。在步骤304中，微控制器44延迟例如0.9毫秒。如果电机22正在运行，则该延迟为反电动势的产生和该反电动势对电容器C7的充电提供了时间。在步骤306中，微控制器44激活内部中断。在步骤308中，微控制器44将出现在A/D转换器管脚4处的电压转换为数字形式。在步骤310中，微控制器44读出所测量的电容器C7两端的电压的数字结果。在步骤312中，微控制器44使电机禁止输出管脚26返回其高电平的状态，因此电机控制IC 40将再次驱动相位驱动器输出，以便对电机22进行供电和交换。
在步骤314中，微控制器44确定反电动势是否存在，即是否电机22的转子仍在旋转并因此该转子没有锁定并且电机控制IC 40还没有发生转子相位锁定失败。如果在步骤314中微控制器44确定反电动势存在，就完成步骤316，否则就完成步骤322。如果反电动势不存在并且完成了步骤322，则微控制器44将通过激发电机禁止输出管脚26至高电平以禁止电机控制IC 40的相位驱动器输出，从而关掉电机22。
在步骤324中，微控制器44重置电机运行时钟。在步骤326中，在尝试重启电机22之前，微控制器44将延迟例如10秒。在步骤328中，微控制器44在微控制器44的内部状态寄存器中设置反电动势故障位。
参考图10C，在步骤330中，微控制器44递增反电动势故障计数器。在步骤332中，微控制器44确定该反电动势故障计数器是否已经超过预定限度。如图10B所示，如果在步骤332中，微控制器44确定已经发生了太多的反电动势故障，则完成步骤334，否则就完成步骤316。
在步骤334中，通过设置电机禁止输出管脚26到高电平状态以禁止电机控制IC 40的相位驱动器输出，微控制器44关掉电机22。在步骤336中，由于过多的故障，微控制器44能够基于故障情况来完成诊断测试和/或确定，以确定例如制冷剂较少之类的潜在的系统问题以及是否尝试重启或备份模式的操作，从而保护系统组件不受损害。在步骤338中，子程序300结束并返回图10A中所示的子程序200的步骤216。
如果在步骤332中确定还没有超过故障的预定限度，则在步骤316中，微控制器44在该微控制器44的内部状态寄存器中重置反电动势故障位。在步骤318中，微控制器44重置微控制器44内部的反电动势标记。在完成步骤318之后，子程序300继续图10D中所示的步骤340。
在步骤340中，完成供给到微控制器44的管脚5的电机电压的模-数转换。在步骤342中，微控制器44确定电机电压是否高于预定门限。如果电压较高，则完成步骤354，否则就完成步骤344。在步骤344中，微控制器44确定电机22是否正在运行。如果电机22正在运行，则完成步骤352，否则就完成步骤346。如果电机22不在运行，则在步骤346中，微控制器44确定是否存在启动欠电压情况，即供给到管脚5的电机电压是否低于预定门限。如果存在欠电压情况，则完成步骤354，否则就完成步骤348。在步骤348中，微控制器44重置电压状态位。在完成步骤348之后，子程序300继续图10E中所示的步骤364。
在步骤344中，微控制器44确定电机22正在运行，则完成步骤352。在步骤352中，微控制器44确定是否存在欠电压情况。如果存在欠电压情况，则完成步骤354，否则就完成步骤348。在步骤354中，微控制器44确定是否设置了微控制器44的状态寄存器中的电压故障位。如果设置了电压故障位，则完成步骤362，否则就完成步骤356。
在步骤356中，微控制器44设置微控制器44的状态寄存器中的电压故障状态位。在步骤358中，通过激发电机禁止输出管脚26至高电平从而禁止电机控制IC 40的相位驱动器输出，微控制器44关掉电机22。在步骤360中，微控制器44递增电压故障计数。在步骤362中，在重复开始于步骤340的电机控制系统状态检查的一部分之前，电机控制IC 40延迟例如10秒。
参考图10E，在步骤364中，微控制器44确定是否存在热过载情况，即在管脚23处是否存在温度故障信号或在管脚3处温度信号是否大于预定门限。如果存在热过载情况，则完成步骤366，否则就完成步骤378。在步骤366中，通过激发电机禁止输出管脚26至高电平从而禁止电机控制IC 40的相位驱动器输出，微控制器44关掉电机22。在步骤368中，微控制器44设置热故障状态位。在步骤370中，微控制器44递增热故障计数器。在步骤372中，微控制器44确定热故障计数器是否超过了预定限度。如果热故障计数器超过了预定限度，则子程序300继续图10C中所示的步骤334。如果热故障计数器没有超过预定限度，则完成步骤374。
在步骤374中，微控制器44延迟例如5秒，以便在再次检查温度信号输入之前使系统可以冷却。在步骤376中，微控制器44确定在管脚3或管脚23处是否接收到了温度故障信号。如果在管脚3或管脚23处接收到了温度故障信号，则再次完成步骤374，以提供进一步的冷却延迟。如果没有检测到热过载情况，则完成步骤378。在步骤378中，微控制器44重置温度故障状态位。
在步骤380中，微控制器44确定在微控制器44的管脚7处接收到的电机电流源信号是大于预定的最大电流限度还是小于预定的最小电流限度。如果已经超过了预定的电流限度，则完成步骤384，否则就完成步骤382。在步骤384中，微控制器44设置电流故障状态位。在步骤386中，微控制器44递增电流故障计数器。在步骤388中，微控制器44确定电流故障计数器是否超过了预定限度。如果电流故障计数器超过了预定限度，则子程序300继续图10C中所示的步骤334。如果电流故障计数器还没有超过预定限度，则完成步骤390。在步骤390中，在再次检查电机电源电流之前，微控制器44延迟例如2秒。在完成步骤390之后，子程序300继续步骤382，再一次检查电流限度。如果在步骤380中没有超过电流限度，则在步骤382中，微控制器44重置电流故障位，并且子程序300继续图10G中所示的步骤392。
在步骤392中，微控制器44确定在该微控制器44的管脚11处接收到的电机速度信号是大于预定的最大限速还是小于预定的最小限速。如果已经超过了预定限度，则完成步骤398。在步骤398中，微控制器44设置速度故障状态位。在步骤400中，微控制器44递增速度故障计数器。在步骤402中，微控制器44确定速度故障计数器是否已经超过了预定限度。如果速度故障计数器已经超过了预定限度，则子程序300继续图10C中所示的步骤334。如果速度故障计数器还没有超过预定限度，则完成步骤404。
在步骤404中，在子程序300继续步骤392以再次检查电机速度之前，微控制器44延迟例如2秒。如果在步骤392中超过了预定的电机限速，则在步骤394中，微控制器44重置速度故障位。在步骤396中，子程序300完成，并返回图10A中所示的子程序200的步骤216。
在下面的表1中给出图3-图9中所示的电路组件的值。
表1
尽管已经将本发明描述为具有示例性实施例和方案，但是可以在本公开内容的实质和范围内对本发明进行进一步的修改。因此，本申请意在用本发明的一般原理覆盖本发明的任何变更、使用或适应性改变。此外，本申请意在覆盖在本发明所适用的本领域中的已知或惯例的实现之内以及在所附权利要求的范围内的根据本公开内容的改变。
权利要求
1.一种用于控制具有多个相位线圈(24a-24c)的无刷和无感应器的直流电机系统(22，27，28)的电机控制系统(20)，包括电机控制集成电路(40)，其具有多个电机驱动器输出(N1-N3，P1-P3)和一个用于操作所述多个输出驱动器的控制输入(ISENSE)，所述多个电机驱动器输出耦合到多个相位线圈；故障检测电路(42)，其耦合到所述控制输入并能够选择性地切换所述控制输入信号的状态以短暂地禁止所述多个输出驱动器，所述故障检测电路耦合到多个相位线圈中的至少一个相位线圈，并能够检测来自多个相位线圈中的至少一个相位线圈的门限反电动势电压。
2.根据权利要求1所述的电机控制系统，其中所述故障检测电路包括耦合到多个相位线圈中的至少一个相位线圈的电容器(C7)，所述电容器接收反电动势，所述故障检测电路检测所述电容器两端上的所述门限反电动势电压。
3.根据权利要求2所述的电机控制系统，其中所述故障检测电路包括至少一个光隔离器(U14，U15)，其耦合到多个相位线圈中的至少一个相位线圈和所述电容器。
4.根据权利要求1所述的电机控制系统，其中所述故障检测电路包括微控制器(44)，其具有耦合到多个相位线圈中的至少一个相位线圈的模-数转换器和耦合到所述控制输入的输出端口。
5.根据权利要求4所述的电机控制系统，还包括至少一个将所述模-数转换器与多个相位线圈中的至少一个相位线圈耦合在一起的光耦合隔离器。
6.根据权利要求4所述的电机控制系统，还包括激活所述微控制器的软件(200，300)，用以切换耦合到所述控制输入的控制信号，短暂地禁止所述多个电机驱动器输出；测量由多个相位线圈中的至少一个相位线圈产生并由所述模-数转换器接收的反电动势；以及在测量到高于门限电平的反电动势时，切换耦合到所述控制输入的控制信号，激活所述多个电机驱动器输出。
7.根据权利要求6所述的电机控制系统，其中所述软件还能使所述微控制器在测量到低于门限电平的反电动势时，延迟预定的时间来切换所述控制信号，以便延迟再激活所述多个电机驱动器输出的时间。
8.根据权利要求7所述的电机控制系统，其中所述微控制器能够提供故障信号，并且所述软件还能使所述微控制器切换所述控制信号以禁止所述多个电机驱动器输出，并在测量到反电动势低于门限电平的情况多于预定数目的次数时，提供所述故障信号。
9.一种用于控制具有多个相位线圈(24a-24c)的无刷和无感应器的直流电机系统(22，27，28)的电机控制系统(20)，包括电机控制集成电路(40)，其具有多个电机驱动器输出(N1-N3，P1-P3)和一个用于操作所述多个输出驱动器的控制输入(ISENSE)，所述多个电机驱动器输出耦合到多个相位线圈；故障检测电路(42)，其耦合到所述控制输入并能够检测电机系统的多个电和非电的故障情况，所述故障检测电路能够在检测到所述多个电和非电的故障情况中的至少一种情况时为所述控制输入提供控制信号以禁止所述多个输出驱动器。
10.根据权利要求9所述的电机控制系统，还包括耦合到所述故障检测电路的温度感应电路(31，50)。
11.根据权利要求10所述的电机控制系统，还包括电机机架(27)和热耦合到所述电机机架并且电耦合到所述温度感应电路的温度感应器(29)。
12.根据权利要求10所述的电机控制系统，还包括温度感应器(29)和由所述电机驱动并具有机架(27)的压缩机(28)，所述温度感应器热耦合到所述机架并且电耦合到所述温度感应电路。
13.根据权利要求10所述的电机控制系统，还包括晶体管功率桥接电路(30)，其耦合在所述多个电机驱动器输出与多个相位线圈之间；散热片(56)，其热耦合到所述晶体管功率桥接电路；功率桥接温度感应器(31)，其热耦合到所述散热片并且电耦合到所述温度感应电路。
14.根据权利要求9所述的电机控制系统，还包括耦合到系统电压源的电压感应电路(52)，所述电压感应电路耦合到所述故障检测电路，所述故障检测电路能够在所述电压源高于或低于预定限度时切换所述控制输入以禁止所述多个电机驱动器输出。
15.根据权利要求9所述的电机控制系统，还包括耦合到多个相位线圈中的至少一个相位线圈的电流感应电路(60，62)，所述电流感应电路耦合到所述故障检测电路，所述故障检测电路能够在检测到相位线圈电流高于或低于预定限度时切换所述控制输入以禁止所述多个电机驱动器。
16.根据权利要求9所述的电机控制系统，其中所述电机控制集成电路输出有关电机速度的速度信号，并且所述故障检测电路能够接收所述速度信号并在所述电机速度高于或低于预定的电机限速时切换所述控制输入以禁止所述多个电机驱动器。
17.根据权利要求9所述的电机控制系统，其中所述控制输入是所述电机控制集成电路的过电流保护输入。
18.一种用于检测用于控制具有多个相位线圈(24a-24c)的无刷和无感应器的直流电机系统(22，27，28)的电机控制系统(20)中的故障的方法(200，300)，包括步骤提供电机控制集成电路(40)，其具有耦合到多个相位线圈的多个功率驱动器(N1-N3，P1-P3)，还具有能够选择性地激活多个功率驱动器的控制输入；通过测量所述多个相位线圈中的至少一个相位线圈上的电动势来检测电机系统故障(314)；以及在检测到由所测电动势低于当前门限的次数太多而表明的电机系统故障时，切换控制输入以禁止多个功率驱动器，从而停止电机操作(322)。
19.根据权利要求18所述的方法，其中检测电机系统故障的步骤进一步包括步骤切换控制输入以短暂地禁止多个功率驱动器(302)；然后测量在多个相位线圈中产生的反电动势(308)；以及然后切换控制输入以激活多个输出驱动器(312)。
20.根据权利要求18所述的方法，其中检测电机系统故障的步骤包括测量一部分电机系统的温度(364)；并在所测得的温度超出预定门限时确定故障(368)。
21.根据权利要求18所述的方法，其中检测电机系统故障的步骤包括测量电机的源电压(340)；并在所测得的源电压高于或低于预定电压门限时确定故障(342，346，352)。
22.根据权利要求18所述的方法，其中检测电机系统故障的步骤包括测量多个相位线圈中的至少一个相位线圈的源电流(380)；并在所测得的源电流高于或低于预定电流门限时确定故障(384)。
23.根据权利要求18所述的方法，其中电机系统包括由电机驱动的压缩机(28)，并且其中检测电机系统故障的步骤包括确定最小电机速度，如果低于该最小电机速度，则压缩机有可能由于缺少足够的润滑而损坏；测量电机速度(392)；以及在所测得的电机速度高于或低于最小电机速度时确定故障(398)。
24.根据权利要求18所述的方法，其中电机系统包括由电机驱动的压缩机，并且其中检测电机系统故障的步骤包括确定最大电机速度，如果高于该最大电机速度，则有可能发生压缩机阀损坏；测量电机速度(392)；以及在所测得的电机速度超过最大电机速度时确定故障(398)。
25.一种用于检测用于控制具有多个由功率输出器驱动的相位线圈的无刷和无感应器的直流电机系统的电机控制系统中锁定或停止的转子的方法，包括步骤禁止功率输出器(302)；然后测量在多个相位线圈中产生的反电动势(308)；以及然后在由所测得的反电动势决定的时间间隔后激活功率驱动器(312)。
26.根据权利要求25所述的方法，还包括在测量反电动势步骤之后的下述步骤如果所测得的反电动势高于预定门限，将时间间隔设置为0。
27.根据权利要求26所述的方法，还包括步骤每次当所测得的反电动势低于预定门限时递增计数器计数(330)；并当计数器计数超过预定限度时，禁止所述功率驱动器(334)。
28.根据权利要求25所述的方法，还包括步骤测量一部分电机系统的温度(364)；并在所测得的温度超过门限时，禁止所述功率输出器(334)。
29.根据权利要求25所述的方法，还包括步骤测量电机源电压(340)；并在所测得的电压高于或低于预定范围时，禁止所述功率驱动器(334)。
30.根据权利要求25所述的方法，还包括步骤测量供给多个相位线圈中的至少一个相位线圈的电机源电流(380)；并在所测得的源电流高于或低于预定范围时，禁止到多个相位线圈的功率输出器(334)。
31.根据权利要求25所述的方法，其中电机系统包括有阀并由电机驱动的压缩机，所述方法还包括步骤确定最小电机速度，如果低于该最小电机速度，则压缩机有可能由于缺少足够的润滑而受到损坏；确定电机速度(392)；以及在电机速度低于最小电机速度时，禁止所述功率输出器。
32.根据权利要求25所述的方法，其中电机系统包括有阀并由电机驱动的压缩机，所述方法还包括步骤确定最大电机速度，如果高于该最大电机速度，则有可能发生压缩机阀损坏；测量电机速度(392)；以及在电机速度超过最大电机速度时，禁止所述功率输出器。
33.一种流体处理系统，包括泵；用于驱动所述泵的无刷直流电机(22)，所述电机包括多个相位线圈(24a-24c)；以及耦合到所述电机的电机控制系统(20)；所述电机控制系统(20)包括电机控制电路(38)，其具有至少一个耦合到所述多个相位线圈的电机驱动器输出(N1-N3，P1-P3)；微控制器(44)，其具有耦合到所述多个相位线圈中的至少一个相位线圈的A/D转换器，还具有能够使所述微控制器提供耦合到所述电机控制电路的输出信号以禁止所述至少一个电机驱动器输出的软件(200，300)，所述微控制器能够在所述至少一个电机驱动器输出被禁止时，测量在所述多个相位线圈中的至少一个相位线圈上产生的反电动势的电压电平。
34.根据权利要求33所述的流体处理系统，其中所述泵包括压缩机(28)。
35.根据权利要求33所述的流体处理系统，其中所述软件能够使所述微控制器在所述电压电平低于预定限度时提供所述输出信号以保持所述至少一个电机驱动器输出被禁止。
36.一种用于控制具有线圈的无刷直流传动器的传动器控制系统(20)，包括传动器控制集成电路(40)，其具有控制输入和输出驱动器，所述控制输入适用于选择性地禁止所述输出驱动器，所述输出驱动器耦合到所述线圈；以及电压测量电路(42)，其耦合到所述线圈并提供耦合到所述控制输入的控制信号，所述电压测量电路在所述电压测量电路短暂地提供所述控制信号时测量从所述线圈接受的电压，所述电压测量电路还在所述接收到的电压低于预定门限时提供所述控制信号。
37.根据权利要求36所述的传动器控制系统，其中所述传动器包括无刷直流电机(22)和适用于无刷直流电机控制的传动器控制集成电路。
38.根据权利要求37所述的传动器控制系统，其中所述电压测量电路包括微控制器(44)。
39.根据权利要求37所述的传动器控制系统，其中所述电压测量电路包括耦合到所述线圈的电容器(C7)，并且所述接收的电压在所述电容器两端测量。
全文摘要
一种用于无刷和无感应器的直流电机的电机控制系统，该无刷和无感应器的直流电机用于驱动压缩机、泵或其他应用，该电机控制系统包括保护和故障检测电路，用于检测锁定的转子和由于转子相位锁定失败而已经停止的转子。该电机控制系统还包括现成的电机控制集成电路(40)，其具有用于禁止到电机相位线圈(24)的功率输出的输入。保护和故障检测电路(42)采用耦合到电机相位线圈的反电动势采样电路，并通过该电机控制集成电路的输入，短暂地禁止对这些电机相位线圈供电，以确定电机转子是否正在旋转。该系统还监控电源电压、电源电流、温度以及电机限速，以检测故障并保护系统组件。
文档编号H02P6/08GK1742427SQ200480002729
公开日2006年3月1日 申请日期2004年1月23日 优先权日2003年1月24日
发明者阿诺德·G·怀亚特, 罗伯特·特里 申请人:特库姆塞制品公司