发动机控制器

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地电压， 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。

附图说明

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(a motor 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。