專利名稱：具有鎖定和停止轉(zhuǎn)子檢測(cè)的無刷和無感應(yīng)器的直流電機(jī)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及直流(DC)電機(jī)控制器，并且尤其涉及包括對(duì)無刷和無感應(yīng)器的直流電機(jī)的鎖定和鎖定失敗的轉(zhuǎn)子進(jìn)行檢測(cè)的電機(jī)控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
對(duì)于諸如驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)或泵之類的某些電動(dòng)電機(jī)應(yīng)用，采用直流電機(jī)通常比采用交流(AC)電機(jī)更有利。例如，在以較低速度啟動(dòng)時(shí)，壓縮機(jī)的啟動(dòng)需要較高的扭矩，其典型地不能由AC電機(jī)尤其是具有開環(huán)控制器的AC電機(jī)較好地操縱。另外，在較低的壓縮機(jī)負(fù)載下，壓縮機(jī)以較低的速度運(yùn)行更有效率。典型地，直流電機(jī)相對(duì)AC電機(jī)和控制系統(tǒng)能更有效地處理可變速度和高扭矩、低速度的應(yīng)用。
因此，在需要高扭矩、低速度操作的應(yīng)用中，通常采用變速直流電機(jī)，特別是無刷直流(BLDC)電機(jī)。然而，使用BLDC電機(jī)的一個(gè)困難是檢測(cè)諸如由于電機(jī)軸承失靈或碎片阻礙運(yùn)動(dòng)或損壞相位線圈而鎖定的電機(jī)轉(zhuǎn)子。另一個(gè)困難是檢測(cè)由于轉(zhuǎn)子相位鎖定失敗而停止的轉(zhuǎn)子，電機(jī)控制器需要該轉(zhuǎn)子用于BLDC電機(jī)中的相位線圈的正確電子交換。
盡管很多應(yīng)用采取轉(zhuǎn)子位置感應(yīng)器用于維持轉(zhuǎn)子相位鎖定或用于檢測(cè)鎖定的轉(zhuǎn)子，但在諸如泵或壓縮機(jī)之類的密封的應(yīng)用中，空間和環(huán)境的考慮仍然限制了這種感應(yīng)器的使用。例如，全封閉壓縮機(jī)通常包括潤(rùn)滑劑和制冷劑，當(dāng)因壓縮機(jī)操作而受熱和暴露于濕氣中時(shí)，潤(rùn)滑劑和制冷劑會(huì)形成腐蝕感應(yīng)器的酸。同時(shí)，如果采用電機(jī)感應(yīng)器，額外的電連接必須通過全封閉室的壁面實(shí)現(xiàn)而不破壞這種全封閉，這增加了另外的費(fèi)用和這種全封閉的額外的可能故障點(diǎn)。
一種用以在電動(dòng)電機(jī)應(yīng)用中檢測(cè)鎖定或停止的轉(zhuǎn)子的通用解決方案是感應(yīng)由電機(jī)線圈引起的、高于運(yùn)行中電機(jī)的額定電流的電機(jī)電流。例如，典型的不可變電動(dòng)電機(jī)中的鎖定轉(zhuǎn)子的情況有可能使電機(jī)電流超過80安，而正常的高速電機(jī)操作僅需10-15安的電流。然而，在BLDC電機(jī)的情況下，鎖定或停止轉(zhuǎn)子的情況還有可能引起比正常運(yùn)行電流更小的電流，例如對(duì)于停止的轉(zhuǎn)子，引起30安的電流，而正常的高可靠性能測(cè)定(RPM)操作有可能引起40安的電流。因此，常規(guī)的過電流感應(yīng)檢測(cè)不提供用于檢測(cè)鎖定或停止的轉(zhuǎn)子的解決方案。
在壓縮機(jī)應(yīng)用中，除了軸承失靈、碎片或轉(zhuǎn)子鎖定失敗，有可能引起B(yǎng)LDC電機(jī)不正常運(yùn)行的另一個(gè)典型問題是在壓縮機(jī)關(guān)閉后不久就嘗試重啟該電機(jī)。在關(guān)閉后，壓縮機(jī)的制冷劑頭壓可以提供比電動(dòng)電機(jī)所能克服的可用扭矩更大的阻力，從而引起暫時(shí)鎖定轉(zhuǎn)子的情況。隨著時(shí)間的推移，頭壓最終會(huì)在整個(gè)系統(tǒng)中相等，將電機(jī)和壓縮機(jī)冷卻至再次正常工作。
所需要的是BLDC電機(jī)控制器，其提供鎖定和停止的轉(zhuǎn)子檢測(cè)而不使用轉(zhuǎn)子位置感應(yīng)器或過電流檢測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種方法和電機(jī)控制系統(tǒng)，用于檢測(cè)無刷和無感應(yīng)器的直流電機(jī)系統(tǒng)中的鎖定或停止的轉(zhuǎn)子，或用于其他方面例如檢測(cè)閥或螺線管驅(qū)動(dòng)器中鎖定或停止的傳動(dòng)器。該電機(jī)控制系統(tǒng)包括能夠?qū)Ψ措妱?dòng)勢(shì)(EMF)進(jìn)行采樣的保護(hù)和故障檢測(cè)電路，以及具有現(xiàn)成的電機(jī)集成電路(IC)的電機(jī)控制電路。通過向該電機(jī)控制IC提供過電流指示，該保護(hù)和故障檢測(cè)電路短暫地禁止該電機(jī)控制IC相位驅(qū)動(dòng)器輸出。盡管禁止了相位驅(qū)動(dòng)器輸出，但如果電機(jī)轉(zhuǎn)子仍在旋轉(zhuǎn)，則該電機(jī)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)。因此，在禁止相位驅(qū)動(dòng)器輸出后，該故障檢測(cè)電路測(cè)量反電動(dòng)勢(shì)以確定電機(jī)轉(zhuǎn)子是正在旋轉(zhuǎn)還是停止了。
雖然示例性實(shí)施例專注于用以驅(qū)動(dòng)不具有感應(yīng)器的密封壓縮機(jī)或密封泵的無刷直流(BLDC)電機(jī)，但發(fā)明原理還可以應(yīng)用于其他類型的電機(jī)和應(yīng)用，例如未密封的泵、閥或螺線管驅(qū)動(dòng)器。在不具有轉(zhuǎn)子位置感應(yīng)器或其他感應(yīng)器的BLDC電機(jī)應(yīng)用中，電機(jī)控制電路難以確定電機(jī)轉(zhuǎn)子已經(jīng)鎖定或轉(zhuǎn)子的電子交換相位鎖定已經(jīng)失敗，使得轉(zhuǎn)子停止的情況。
反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)通過暫時(shí)禁止電機(jī)控制IC的相位線圈驅(qū)動(dòng)器輸出來完成。通過向電機(jī)控制IC的可用控制輸入提供信號(hào)可以禁止驅(qū)動(dòng)器輸出。例如，向電流過載控制輸入提供信號(hào)，從而模擬過電流情況并暫時(shí)關(guān)閉電機(jī)控制IC的相位驅(qū)動(dòng)器輸出。在電機(jī)相位線圈不是電驅(qū)動(dòng)的短暫時(shí)間期間，反電動(dòng)勢(shì)采樣電路測(cè)量該反電動(dòng)勢(shì)以確定轉(zhuǎn)子是否仍在旋轉(zhuǎn)。在未驅(qū)動(dòng)的相位線圈中由電機(jī)的磁鐵經(jīng)過該相位線圈的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)。短暫地禁止驅(qū)動(dòng)器輸出的期間具有足夠的持續(xù)時(shí)間以使至少一塊磁鐵以最低的電機(jī)速度經(jīng)過一個(gè)相位線圈，但不具有足夠的持續(xù)時(shí)間例如約1.0毫秒以充分地影響電機(jī)速度和扭矩。如果檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)的門限電平，則切換提供給控制輸入的信號(hào)狀態(tài)，例如模擬過電流情況；并且電機(jī)控制IC將恢復(fù)對(duì)該電機(jī)供電。如果未檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)的門限電平，則在預(yù)定的延遲之后，保護(hù)和故障檢測(cè)電路可以用電機(jī)控制IC來嘗試一系列的電機(jī)重啟。
包括反電動(dòng)勢(shì)采樣電路的保護(hù)和故障檢測(cè)電路可以包括光隔離器，用于從檢測(cè)電路隔離較高的相位線圈電壓。在示例性的實(shí)施例中，該電路包括用于收集待檢測(cè)的反電動(dòng)勢(shì)的電容器，以及用于測(cè)量該反電動(dòng)勢(shì)、控制該反電動(dòng)勢(shì)采樣過程以及處理故障和系統(tǒng)保護(hù)測(cè)量的具有模-數(shù)轉(zhuǎn)換器的微控制器。例如，故障處理和系統(tǒng)保護(hù)測(cè)量可以包括嘗試重啟系統(tǒng)、在備份模式下操作系統(tǒng)或關(guān)閉系統(tǒng)。
所發(fā)明的電機(jī)控制還有可能能夠檢測(cè)其他故障，例如過大或不足的電機(jī)電壓，過大或不足的電機(jī)電流，過高的功率橋接電路、電機(jī)或壓縮機(jī)溫度，以及過大或不足的電機(jī)速度。所發(fā)明的電機(jī)控制還提供能夠防止對(duì)電機(jī)控制、電機(jī)以及相關(guān)的組件和系統(tǒng)的損害的保護(hù)和診斷的特征，并且其還基于所檢測(cè)的參數(shù)以及重啟或其他糾正或診斷故障處理步驟的結(jié)果來提供對(duì)故障潛在原因的確定。
BLDC電機(jī)控制鎖定和停止的檢測(cè)器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，提供轉(zhuǎn)子檢測(cè)而不需要轉(zhuǎn)子位置或速度感應(yīng)器或依靠過電流檢測(cè)電路。本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，具有控制輸入，例如電流過載輸入端口的商用現(xiàn)成的電機(jī)控制IC，可以用于接通或斷開相位線圖的驅(qū)動(dòng)和電機(jī)控制的大多數(shù)其他方面。因此，本發(fā)明提供了與現(xiàn)有電機(jī)控制系統(tǒng)和電機(jī)控制IC的容易的接口連接。此外，本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是故障檢測(cè)電路可以包括由軟件激活的微控制器，因此對(duì)參數(shù)和控制方法的修改可以容易地進(jìn)行而不改變硬件。
在一種形式中，本發(fā)明提供了一種用于控制具有多個(gè)相位線圈的無刷和無感應(yīng)器的直流電機(jī)系統(tǒng)的電機(jī)控制系統(tǒng)，包括電機(jī)控制集成電路，其具有多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出和一個(gè)用于操作該多個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器的控制輸入，該多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出耦合到多個(gè)相位線圈；以及故障檢測(cè)電路，其與所述控制輸入耦合并能夠有選擇地切換上述控制信號(hào)以短暫地禁止所述多個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器，所述故障檢測(cè)電路耦合到多個(gè)相位線圈中的至少一個(gè)相位線圈并能夠從多個(gè)相位線圈中的至少一個(gè)相位線圈中檢測(cè)到門限反電動(dòng)勢(shì)電壓。
在另一種形式中，本發(fā)明提供了一種用于控制具有多個(gè)相位線圈的無刷和無感應(yīng)器的直流電機(jī)系統(tǒng)的電機(jī)控制系統(tǒng)，包括電機(jī)控制集成電路，其具有多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出和一個(gè)用于操作該多個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器的控制輸入，該多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出耦合到多個(gè)相位線圈；以及故障檢測(cè)電路，其與所述控制輸入耦合并能夠檢測(cè)電機(jī)系統(tǒng)的多個(gè)電的和非電的故障情況，該故障檢測(cè)電路能夠向該控制輸入提供控制信號(hào)，以在檢測(cè)到多個(gè)電的和非電的故障情況中的至少一個(gè)情況時(shí)禁止該多個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器。
在另一種形式中，本發(fā)明提供了一種用于在電機(jī)控制系統(tǒng)中檢測(cè)故障的方法，該電機(jī)控制系統(tǒng)用于具有多個(gè)相位線圈的無刷和無感應(yīng)器的直流電機(jī)系統(tǒng)，該方法包括步驟提供電機(jī)控制集成電路，其具有耦合到多個(gè)相位線圈的多個(gè)功率驅(qū)動(dòng)器并具有能夠選擇性地激活該多個(gè)功率驅(qū)動(dòng)器的控制輸入；通過在多個(gè)相位線圈的至少一個(gè)相位線圈上測(cè)量電動(dòng)勢(shì)來檢測(cè)電機(jī)系統(tǒng)故障；以及在檢測(cè)到由所測(cè)得的電動(dòng)勢(shì)低于預(yù)定門限所指示的電機(jī)系統(tǒng)故障時(shí)，切換控制輸入，以禁止該多個(gè)功率驅(qū)動(dòng)器，從而停止電機(jī)操作。
在又一種形式中，本發(fā)明提供了一種用于在電機(jī)控制系統(tǒng)中檢測(cè)鎖定或停止的轉(zhuǎn)子的方法，該電機(jī)控制系統(tǒng)用于具有由功率驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的多個(gè)相位線圈的無刷和無感應(yīng)器的直流電機(jī)系統(tǒng)，該方法包括步驟禁止功率驅(qū)動(dòng)器；然后測(cè)量從該多個(gè)相位線圈中產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)；然后根據(jù)所測(cè)得的反電動(dòng)勢(shì)，在一個(gè)時(shí)間段之后激活該功率驅(qū)動(dòng)器。
在另一種形式中，本發(fā)明提供了一種流體處理系統(tǒng)，包括泵；無刷直流電機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)該泵，該電機(jī)具有多個(gè)相位線圈；以及電機(jī)控制系統(tǒng)，其耦合到該電機(jī)，該電機(jī)控制系統(tǒng)包括電機(jī)控制電路，其具有耦合到多個(gè)相位線圈的至少一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出；以及微控制器，其具有耦合到多個(gè)相位線圈中的至少一個(gè)相位線圈的A/D轉(zhuǎn)換器，并具有軟件使其提供輸出信號(hào)到上述電機(jī)控制電路從而短暫地禁止至少一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出，當(dāng)禁止至少一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出時(shí)，該微控制器能夠測(cè)量在多個(gè)相位線圈中的至少一個(gè)相位線圈中產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)的電壓電平。


結(jié)合附圖，參考對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的描述，本發(fā)明的上述和其他特征和優(yōu)點(diǎn)以及獲得這些特征和優(yōu)點(diǎn)的方式將變得更加明顯，并且發(fā)明本身能得到更好理解，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的，具有鎖定和停止的轉(zhuǎn)子檢測(cè)器的電機(jī)控制系統(tǒng)的框圖；圖2是圖1的電機(jī)控制系統(tǒng)的一部分的示意框圖；圖3A-3C是圖1的電機(jī)控制系統(tǒng)的一部分的示意圖，包括保護(hù)和故障檢測(cè)電路；圖4A-4C是圖1的電機(jī)控制系統(tǒng)的一部分的示意圖，包括電機(jī)控制集成電路；圖5是圖1的電機(jī)控制系統(tǒng)的一部分的示意圖，包括低電流相位驅(qū)動(dòng)器；圖6是圖1的電機(jī)控制系統(tǒng)的一部分的示意圖，包括低電流相位匯(sink)；圖7A-7B是圖1的電機(jī)控制系統(tǒng)的一部分的示意圖和平面圖，包括晶體管功率橋接電路；圖8是圖1的電機(jī)控制系統(tǒng)的一部分的示意圖，包括電機(jī)電流感應(yīng)放大器；圖9A-9B是圖1的電機(jī)控制系統(tǒng)的一部分的示意圖，包括電源電路；以及圖10A-10G是說明根據(jù)本發(fā)明來控制直流電機(jī)的步驟的流程圖。
在全部的幾個(gè)視圖中，相應(yīng)的參考符號(hào)指示相應(yīng)的部分。此處說明的本發(fā)明的示例性實(shí)施例不應(yīng)理解為以任何方式對(duì)本發(fā)明范圍的限制。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明包括用于控制無刷直流(BLDC)電機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)。電機(jī)控制系統(tǒng)20能夠檢測(cè)鎖定和停止的轉(zhuǎn)子26，而不需要轉(zhuǎn)子位置和速度感應(yīng)器。如圖1所示，電機(jī)控制系統(tǒng)20的示例性實(shí)施例通常包括電動(dòng)電機(jī)22、晶體管功率橋接電路30、相位驅(qū)動(dòng)器電路32、電機(jī)控制電路38以及保護(hù)/故障檢測(cè)電路42。
本示例性實(shí)施例中的電動(dòng)電機(jī)22是BLDC電機(jī)，其具有三個(gè)相位線圈，分別為相位A 24a、相位B 24b以及相位C 24c。多個(gè)相位線圈24a-24c由包括相位源驅(qū)動(dòng)FET(場(chǎng)效應(yīng)晶體管)Q2、Q6和Q10以及相位匯驅(qū)動(dòng)FET Q3、Q9和Q11的晶體管功率橋接電路30驅(qū)動(dòng)。
晶體管功率橋接電路30由包括電機(jī)控制IC 40的電機(jī)控制電路38控制，其中的電機(jī)控制IC 40可以是具有控制輸入的商用現(xiàn)成的電機(jī)控制IC，該控制輸入用于選擇性地激活或禁止相位驅(qū)動(dòng)器輸出。例如，該控制輸入可以是在電流過載的情況下用于禁止相位驅(qū)動(dòng)器輸出的端口。
在本示例性實(shí)施例中，電機(jī)控制IC 40提供多個(gè)方面的電機(jī)控制，包括啟動(dòng)、相位鎖定的電子交換以及對(duì)電機(jī)22的速度檢測(cè)。電子交換由無感應(yīng)器的相位檢測(cè)提供，例如，通過對(duì)未驅(qū)動(dòng)的相位檢測(cè)信號(hào)過零(zero crossing)來提供電子交換。電機(jī)控制IC 40可以是能夠處理操作壓縮機(jī)、泵等所需的較高扭矩和從低到高的速度斜升(ramping)的變速電機(jī)控制器。電機(jī)控制IC 40包括控制輸入，用于選擇性地激活或禁止晶體管功率橋接電路30的驅(qū)動(dòng)。晶體管功率橋接電路30為電機(jī)22的相位線圈24a-24c供電。因此，切換控制輸入會(huì)選擇性地激活和禁止相位線圈24a-24c的電源。在本示例性實(shí)施例中，可以短暫地切換控制輸入狀態(tài)，以便進(jìn)行反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)，并且在檢測(cè)到需要系統(tǒng)保護(hù)的故障的情況下，還可以短暫地切換控制輸入狀態(tài)以禁止電機(jī)22。
故障檢測(cè)電路42包括光耦合隔離器U14和U15，用于將相位線圈24a、24b和24c耦合到反電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)電容器C7。通過選擇性地驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制IC 40的控制輸入至其激活狀態(tài)并測(cè)量電容器C7兩端的反電動(dòng)勢(shì)，微控制器44提供控制以及鎖定和停止的轉(zhuǎn)子檢測(cè)。
本發(fā)明中也可以包括另外的故障檢測(cè)和系統(tǒng)保護(hù)特征。例如，電機(jī)控制器20的示例性實(shí)施例包括耦合到保護(hù)電路42的若干其他故障檢測(cè)設(shè)備。機(jī)殼溫度感應(yīng)器29可以熱耦合到電機(jī)22或壓縮機(jī)28，以便檢測(cè)超溫(over-temperature)情況。功率橋接溫度感應(yīng)器31可以熱耦合到晶體管功率橋接30，以便檢測(cè)晶體管Q2、Q3、Q6、Q9、Q10和Q11的超溫。電壓感應(yīng)電路52可以耦合到電源34，以便感應(yīng)高于或低于預(yù)定門限的電壓源電平。電流感應(yīng)電路60和62可以耦合到至少一個(gè)相位線圈24a-24c，以便感應(yīng)高于或低于預(yù)定門限的電機(jī)電源電流。有利的是，微控制器44不僅可以檢測(cè)故障，而且還可以執(zhí)行保護(hù)和診斷功能。例如，在檢測(cè)到預(yù)定數(shù)目的故障或故障持續(xù)時(shí)間大于預(yù)定時(shí)間之后，微控制器44可以關(guān)閉電機(jī)22。另外，通過檢測(cè)故障類型或故障的組合，以及如果嘗試恢復(fù)，則判斷是否成功地恢復(fù)了電機(jī)22的正常運(yùn)行，微控制器44可以指示故障情況的可能潛在來源。例如，微控制器44可以包括查找表(未示出)，以便執(zhí)行這樣的診斷功能。
參考圖2，框圖示出了示例性電機(jī)控制系統(tǒng)20，其為驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)28的電機(jī)22供電。電機(jī)22和壓縮機(jī)28完全封閉在機(jī)架27中，并且可以是例如制冷系統(tǒng)的一部分。雖然本示例性實(shí)施例中的由電機(jī)22驅(qū)動(dòng)的負(fù)載是壓縮機(jī)，但本發(fā)明可以用于控制驅(qū)動(dòng)很多負(fù)載的電機(jī)或其他電動(dòng)傳動(dòng)器，這些負(fù)載例如有液體和氣體之類的流體泵、閥等。在本示例性實(shí)施例中，低電流相位驅(qū)動(dòng)器32耦合到電機(jī)控制電路38，并為晶體管功率橋接電路30提供參考信號(hào)。電機(jī)控制系統(tǒng)20的電源通過切換電源34來提供。
系統(tǒng)保護(hù)元件包括功率橋接溫度感應(yīng)器31和機(jī)殼溫度感應(yīng)器29。功率橋接溫度感應(yīng)器31熱耦合到晶體管功率橋接電路30的高功率組件，例如熱安裝到散熱片56(圖7A)。功率橋接溫度感應(yīng)器31電耦合到微控制器44，從而在晶體管功率橋接電路30過熱的情況下提供熱監(jiān)控和電機(jī)關(guān)閉能力。與此類似，機(jī)殼溫度感應(yīng)器29熱耦合到至少電機(jī)22和壓縮機(jī)28之一，例如熱安裝到機(jī)架27。例如雙金屬開關(guān)之類的機(jī)殼溫度感應(yīng)器29也同樣地耦合到微控制器44，從而在電機(jī)22和壓縮機(jī)28達(dá)到有可能引起系統(tǒng)損害的操作溫度的情況下提供熱監(jiān)控和電機(jī)22關(guān)閉能力。
參考圖3A-3C，保護(hù)/故障檢測(cè)電路42包括微控制器44，其包括輸入和輸出(IO)端口、模-數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器以及用于控制故障檢測(cè)、診斷功能、系統(tǒng)保護(hù)和電機(jī)關(guān)閉的軟件；功率橋接溫度感應(yīng)器31(圖7B)；電機(jī)電壓感應(yīng)電路52；以及反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路54(圖4B)。
微控制器44包括用于通過向電機(jī)控制IC 40提供控制輸入來測(cè)量各種電機(jī)情況、檢測(cè)故障、進(jìn)行診斷和系統(tǒng)保護(hù)以停止、重啟或關(guān)閉電機(jī)22的軟件。具體地說，微控制器44在管腳1處獲得+5V直流電源，在管腳8處獲得電路接地，在管腳4處獲得來自檢測(cè)電路54(圖4B)的反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，在管腳7處獲得來自電機(jī)電流感應(yīng)放大器60(圖8)的電機(jī)電源電流，在管腳5處獲得來自電機(jī)電壓感應(yīng)電路52的電機(jī)電源電壓，在管腳11處獲得來自電機(jī)控制IC 40的電機(jī)速度，在管腳23處獲得機(jī)殼溫度故障檢測(cè)結(jié)果，并在管腳3處獲得來自功率橋接溫度感應(yīng)器31的溫度測(cè)量結(jié)果。另外，微控制器44提供IO端口，在管腳26處用于禁止電機(jī)控制IC 40的相位驅(qū)動(dòng)器輸出，在管腳14處用于故障指示輸出，在管腳22處用于選擇電機(jī)控制IC 40的斜變模式，在管腳25處用于重置電機(jī)控制IC 40，在管腳13處用于向電機(jī)控制IC 40提供速度信號(hào)VSPEED，以及在管腳15和16處用于為網(wǎng)絡(luò)電機(jī)補(bǔ)償電容器C17和C45進(jìn)行電機(jī)啟動(dòng)前充電。
微控制器44可以是例如可從美國(guó)亞利桑那州錢德勒市的微芯片技術(shù)有限公司(Microchip Technology Inc.of Chandler，Arizona)購(gòu)買的16F870號(hào)零件。微處理器44可以由軟件激活，如圖10A-10G中的流程圖所示。作為替代，微控制器44可以替代性地包括替代邏輯處理設(shè)備，例如微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器或離散電路。
微控制器44的管腳3是A/D轉(zhuǎn)換器輸入端口，其接收來自功率橋接溫度感應(yīng)器電路31(圖7B)的溫度信號(hào)TEMP OUT。參考圖7B，功率橋接溫度感應(yīng)器電路31從溫度感應(yīng)器U3的管腳2接收溫度信號(hào)，該管腳2熱耦合到功率橋接FET Q2、Q3、Q6、Q9、Q10和Q11。例如，感應(yīng)器U3可以安裝在散熱片56上。溫度感應(yīng)器U3可以是例如可從美國(guó)加州圣克拉拉市的國(guó)家半導(dǎo)體公司(NationalSemiconductor of Santa Clara，California)購(gòu)買的LM34TH號(hào)零件，即一種提供與華氏度數(shù)成正比的線性毫伏信號(hào)的精密華氏溫度感應(yīng)器。
再次參考圖3A和3B，將來自溫度感應(yīng)器U3的溫度信號(hào)TEMP-OUT提供給輸入管腳3，并且機(jī)殼溫度感應(yīng)電路50耦合到微控制器44的管腳23。因此，當(dāng)由溫度感應(yīng)器U3測(cè)量的散熱片56的溫度超過由微控制器44確定的預(yù)定限度時(shí)，可以由微控制器44執(zhí)行諸如暫時(shí)關(guān)閉電機(jī)22之類的保護(hù)措施。
可以通過連接器JP4將機(jī)殼溫度感應(yīng)器29耦合到包括電阻器R3、R4、R20和R24，晶體管Q7，電容器C50以及二極管D2的機(jī)殼溫度感應(yīng)電路50。當(dāng)激活機(jī)殼溫度感應(yīng)器29時(shí)，機(jī)殼溫度感應(yīng)電路50接通晶體管Q7，Q7提供通過二極管D2的信號(hào)，以便激發(fā)電機(jī)控制IC 40(圖4C)的ISENSE控制輸入管腳1至高電平的邏輯狀態(tài)，以禁止相位驅(qū)動(dòng)器輸出。Q7還提供用于激發(fā)微控制器44的溫度故障IO管腳23至高電平的邏輯狀態(tài)以指示超溫故障的信號(hào)。
當(dāng)微控制器44檢測(cè)到這種溫度故障時(shí)，以及檢測(cè)到其他故障時(shí)，微控制器44可以經(jīng)由外部控制器接口JP1的管腳8，在管腳14處提供指示故障情況的故障輸出信號(hào)。另外，通過在微控制器44的電機(jī)禁止輸出管腳26處提供激活的高輸出信號(hào)從而禁止電機(jī)控制IC 40的相位驅(qū)動(dòng)器輸出，微控制器44可以停止電機(jī)22，其中該管腳26與電機(jī)控制IC 40的ISENSE輸入管腳1連接，電機(jī)電壓感應(yīng)電路52包括分擔(dān)電機(jī)電源電壓并與微控制器44的管腳5耦合的電阻器R46、R16和R12。另外，齊納二極管D4保護(hù)微控制器44不受到破壞性電壓電平的損害。電機(jī)電壓輸入管腳5是一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，其測(cè)量電機(jī)電源電壓并能夠檢測(cè)過電壓或欠電壓情況。在過電壓情況下，微控制器44可以關(guān)閉電機(jī)22，以防止對(duì)電機(jī)22、電機(jī)控制系統(tǒng)20或其他相連的系統(tǒng)組件造成損害。在欠電壓的情況下，微控制器44也可以關(guān)閉電機(jī)22，例如對(duì)于電池驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)，關(guān)閉電機(jī)22以便保持電池電源對(duì)于監(jiān)控和控制功能可用且不會(huì)由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)22而全部耗盡。
微控制器44的電機(jī)電流輸入管腳7是一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，其可以配置為提供高于或低于預(yù)定限度的電流感應(yīng)。參考圖8，電機(jī)電流感應(yīng)放大器60接收來自電路節(jié)點(diǎn)64(圖7B)的0.25mV/A的信號(hào)，電路節(jié)點(diǎn)64在相位驅(qū)動(dòng)匯FET Q3、Q9和Q11的源極端與低阻率高功率電阻器R43和R44之間，R43和R44接地。運(yùn)算放大器(Op amp)U8B放大信號(hào)并設(shè)置為固定增益50，以此修正信號(hào)使得能利用微控制器44管腳7處A/D轉(zhuǎn)換器的5伏的范圍。通過監(jiān)控電機(jī)電流，微控制器44可以檢測(cè)除鎖定和停止的轉(zhuǎn)子之外的故障模式，諸如相位線圈24a-24c中的短路之類。
再次參考圖3B，微控制器44的管腳4是一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，用于測(cè)量電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，該反電動(dòng)勢(shì)在由微控制器44控制的周期性采樣期間由相位線圈24a-24c在電容器C7(圖4B)兩端在產(chǎn)生。在反電動(dòng)勢(shì)的周期性采樣期間，電機(jī)控制IC 40短暫地禁止在電機(jī)控制IC40的管腳2-4和9-11(圖4C)處的相位驅(qū)動(dòng)器輸出，因此如果電機(jī)22的轉(zhuǎn)子26(圖2)相對(duì)于電機(jī)定子繞組即相位線圈24a-24c仍在轉(zhuǎn)動(dòng)，則相位線圈24a-24c作為發(fā)電機(jī)而運(yùn)行。相位驅(qū)動(dòng)器輸出由微控制器44的電機(jī)禁止輸出管腳26來禁止，管腳26通過電阻器R13和二極管D3(圖4B)耦合，激發(fā)電機(jī)控制IC 40的ISENSE控制輸入管腳1至高電平的邏輯狀態(tài)。
如圖4B所示，反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路54包括通過電阻器R6、R8、R32、R33、R39和R45連接到電機(jī)相位線圈24a-24c的光耦合隔離器U14和U15。微控制器44的電機(jī)禁止輸出管腳26還向光耦合隔離器U14和U15的輸出晶體管提供電源電壓。當(dāng)受到發(fā)光二極管(LED)激發(fā)時(shí)，U14和U15的輸出晶體管為電容器C7充電。LED在U14和U15內(nèi)部，并由接收到的來自電機(jī)22相位線圈24a-24c的反電動(dòng)勢(shì)供電。光耦合隔離器U14和U15可以是例如由美國(guó)紐約州梅爾維爾市的NEC公司(NEC Corporation of Melville，New York)制造的PS2505-1號(hào)零件。
用于控制電機(jī)22的示例性實(shí)施例電機(jī)控制電路38主要由電機(jī)控制IC 40來實(shí)現(xiàn)，電機(jī)控制IC 40諸如可從美國(guó)緬因州波特蘭市的仙童半導(dǎo)體公司(Fairchild Semiconductor Corporation of South Portland，Maine)購(gòu)買的ML4425CS號(hào)零件。電機(jī)控制IC 40對(duì)BLDC電機(jī)22提供脈沖寬度調(diào)制(PWM)斜升和速度控制。如圖4A和4C所示，電機(jī)控制IC 40需要許多相關(guān)聯(lián)的組件，基于電機(jī)類型、電壓、應(yīng)用等并根據(jù)制造商的規(guī)范來選擇這些組件。如圖3A所示，電機(jī)22的運(yùn)行速度由通過外部控制接口JP1管腳7提供的速度信號(hào)確定，并由微控制器44的A/D轉(zhuǎn)換器輸入管腳2接收。同樣如圖3A所示，電阻器R1和R5以及電容器C1調(diào)節(jié)速度信號(hào)?；谠撔盘?hào)以及微控制器44的控制和保護(hù)邏輯，微控制器44的IO端口管腳13向電機(jī)控制IC40的管腳8提供由電阻器R7和R11以及電容器C44和C46調(diào)節(jié)的速度命令信號(hào)VSPEED。
如圖4A和4C所示，為確定相位交換，電機(jī)控制IC 40在未驅(qū)動(dòng)的相位線圈24a-24c上使用通過管腳22-24接收的反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)結(jié)果。電機(jī)控制IC 40驅(qū)動(dòng)相位驅(qū)動(dòng)器輸出管腳2-4和9-11，用以對(duì)電機(jī)相位線圈24a-24c供電，然后提供電機(jī)22的鎖相環(huán)(PLL)電子交換并且斜升至由在管腳8處接收的速度命令信號(hào)VSPEED確定的電機(jī)運(yùn)行速度。如圖3A所示，基于電機(jī)控制IC 40的PLL交換，管腳13向外部控制接口JP1管腳5提供速度反饋信號(hào)VCO/TACH，并向微控制器44的IO端口管腳11提供速度反饋信號(hào)VCO/TACH。
通過監(jiān)控電機(jī)22的速度，微控制器44可以確定電機(jī)速度是低于最小預(yù)定電機(jī)速度還是高于最大預(yù)定電機(jī)速度。例如，發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，在諸如本示例性實(shí)施例之類的全封閉的壓縮機(jī)應(yīng)用中，為每個(gè)壓縮機(jī)應(yīng)用確定的小于預(yù)定最小速度例如小于1500RPM的電機(jī)RPM對(duì)于正確地潤(rùn)滑壓縮機(jī)28是不夠的。因此，如果故障情況使得電機(jī)22降至低于預(yù)定速度達(dá)到預(yù)定的一段時(shí)間，則微控制器44可以對(duì)故障情況作標(biāo)記并關(guān)閉電機(jī)22。與此類似，發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，以高于預(yù)定最大速度例如高于6500RPM的RPM操作電機(jī)22有可能對(duì)壓縮機(jī)28的閥組件造成損害。與此類似，可以檢測(cè)超速故障，并且使電機(jī)22的操作停止以防止系統(tǒng)損害。
參考圖4，三個(gè)源向電機(jī)控制IC 40的ISENSE控制輸入管腳1提供邏輯輸入。微控制器44的電機(jī)禁止輸出管腳26激發(fā)電機(jī)控制IC40的電機(jī)電路過載ISENSE輸入管腳1至高電平的邏輯狀態(tài)，用于電機(jī)22反電動(dòng)勢(shì)的周期性采樣，以便檢測(cè)鎖定和停止的轉(zhuǎn)子。在本示例性實(shí)施例中，周期性采樣包括大約每秒一次地驅(qū)動(dòng)ISENSE管腳1至高電平，并持續(xù)約1.0毫秒，例如，用以檢測(cè)電機(jī)22的轉(zhuǎn)子是否已經(jīng)由于鎖定和停止的轉(zhuǎn)子情況而停止。如圖3A和3B所示，在正常的操作情況下，電機(jī)22的運(yùn)行將提供反電動(dòng)勢(shì)，其為電容器C7充電，并在例如大約0.9毫秒的預(yù)定延遲之后，由反電動(dòng)勢(shì)A/D轉(zhuǎn)換器在微控制器44的管腳4處檢測(cè)該反電動(dòng)勢(shì)。在鎖定或停止轉(zhuǎn)子的情況下，相位線圈24a-24c將不會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，并且不會(huì)為電容器C7充電，因此在管腳4處將檢測(cè)到低于預(yù)定電機(jī)運(yùn)行門限的電壓。然后，微控制器44可以向電機(jī)控制IC 40的電機(jī)電流過載ISENSE管腳1提供控制信號(hào)，并在微控制器44的管腳4處提供故障輸出信號(hào)。
如圖3C所示，電機(jī)控制IC 40的電機(jī)電流過載ISENSE管腳1的輸入信號(hào)也由機(jī)殼溫度感應(yīng)器電路50提供，該輸入信號(hào)在機(jī)殼溫度開關(guān)29打開的情況下激發(fā)ISENSE管腳1到高電平狀態(tài)，去除連續(xù)接地并允許管腳1浮動(dòng)到5V，例如在超溫情況打開了雙金屬開關(guān)29的情況。
耦合到電機(jī)控制IC 40的ISENSE管腳1的控制信號(hào)還可以由圖8所示的電機(jī)電流感應(yīng)放大器62來提供。電機(jī)電流感應(yīng)放大器62接收并放大電流感應(yīng)電阻器R43和R44兩端以及來自晶體管功率橋接電路30的匯FET Q3、Q9和Q11的源極端的0.25mV/A的信號(hào)。電機(jī)電流感應(yīng)放大器62提供數(shù)值為5的信號(hào)增益并耦合到電機(jī)控制IC 40的ISENSE管腳1。在電機(jī)電流超過預(yù)定門限的情況下，選擇放大器62的信號(hào)增益以提供快速的ISENSE管腳1切換，以防止對(duì)功率橋接電路30的損害。
參考圖5，來自電機(jī)控制IC 40的管腳2-4的高端(high-side)相位驅(qū)動(dòng)器輸出驅(qū)動(dòng)低電流單通道驅(qū)動(dòng)器U1、U6和U9。如后面的圖7A和7B所示，驅(qū)動(dòng)器U1、U6和U9驅(qū)動(dòng)源FET Q2、Q6和Q10的柵極端。低電流驅(qū)動(dòng)器U1、U6和U9可以是例如由美國(guó)加州埃爾塞貢多的國(guó)際整流器公司(International Rectifier of El Segundo，California)制造的IR2118S號(hào)零件。
參考圖6，電機(jī)控制IC 52的低端(low-side)相位驅(qū)動(dòng)器輸出管腳9-11驅(qū)動(dòng)低電流單輸出驅(qū)動(dòng)器U4、U7和U11，如圖7A和7B所示，驅(qū)動(dòng)器U4、U7和U11驅(qū)動(dòng)晶體管功率橋接電路30的匯FET Q3、Q9和Q11的柵極端。低電流驅(qū)動(dòng)器U4、U7和U11可以是例如由美國(guó)亞利桑那州錢德勒市的微芯片技術(shù)有限公司(Microchip TechnologyInc.of Chandler，Arizona)生產(chǎn)的TC442COA號(hào)零件。
參考圖7A和7B，相位線圈驅(qū)動(dòng)器FET Q2、Q3、Q6、Q9、Q10和Q11熱耦合到散熱片56并為電機(jī)22的相位線圈24a-24c提供高端和低端切換。溫度感應(yīng)器U3也熱耦合到散熱片56，并向功率橋接溫度感應(yīng)器31提供溫度信號(hào)，功率橋接溫度感應(yīng)器31耦合到微控制器44的IO管腳3(圖3A和3B)，以便感應(yīng)如上所述的晶體管功率橋接電路30中的超溫情況。
參考圖9A和9B，通過外部控制接口連接器JP1管腳，切換電源34接收例如8-30VDC范圍內(nèi)的直流輸入電壓。電壓調(diào)整器U12和U10以及其他調(diào)節(jié)和保護(hù)組件為電機(jī)控制系統(tǒng)20提供例如調(diào)整到12V和5V的電源。
圖10A-10G示出了說明用于監(jiān)控和控制電機(jī)控制系統(tǒng)20的步驟的示例性流程圖，這些步驟包括檢測(cè)鎖定的轉(zhuǎn)子、停止的轉(zhuǎn)子、高電壓或低電壓、高電流或低電流、超溫以及超速或欠速的情況。在本示例性實(shí)施例中，以激活微控制器44的軟件的方式提供了方法200和方法300。
子程序200開始于步驟202，并且是根據(jù)本發(fā)明用于電機(jī)控制的該方法和裝置的示例性實(shí)施例。在步驟202中，微控制器44初始化內(nèi)部中斷、A/D轉(zhuǎn)換器以及時(shí)鐘，并清空寄存器。在步驟204中，微控制器44清除內(nèi)部故障標(biāo)記，例如過電流、超溫以及鎖定或停止的轉(zhuǎn)子。
在步驟206中，微控制器44測(cè)量在管腳5處提供給A/D轉(zhuǎn)換器的電機(jī)電壓。在步驟208中，微控制器44檢查溫度故障輸入管腳3和23的邏輯狀態(tài)。在步驟209中，微控制器44分別激發(fā)IO管腳16和15至高電平和高電平狀態(tài)，以將電機(jī)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電容器C17和C45預(yù)充電至正常運(yùn)行狀態(tài)，基本上在上電(power-up)時(shí)消除了電機(jī)22RPM過沖(overshoot)。在步驟210中，通過在電機(jī)禁止輸出管腳26處提供低邏輯輸出，微控制器44開啟電機(jī)22，管腳26耦合到電機(jī)控制IC 40的ISENSE管腳1。在步驟212中，微控制器44延遲預(yù)定的一段時(shí)間，例如2秒，而電機(jī)控制IC 40將電機(jī)22的速度斜變至指定的操作速度。
在步驟214中，微控制器44確定對(duì)于周期性的電機(jī)控制系統(tǒng)狀態(tài)檢查，例如一秒的預(yù)定周期是否已經(jīng)過去。如果預(yù)定周期已經(jīng)過去，則完成步驟216。如果還沒有過去一秒，則完成步驟218。在首次執(zhí)行子程序200時(shí)，當(dāng)首先完成步驟214時(shí)，預(yù)定周期還沒有過去，因此將完成步驟218以確定電機(jī)22是否正在運(yùn)行。在步驟218中，如果微控制器44確定電機(jī)22正在運(yùn)行，則子程序200繼續(xù)步驟214。如果微控制器44確定電機(jī)22不在運(yùn)行，則子程序200繼續(xù)步驟204，以便再次檢查參數(shù)并嘗試電機(jī)啟動(dòng)。
執(zhí)行步驟216后，完成子程序300，其也是根據(jù)本發(fā)明用于電機(jī)控制的該方法和裝置的示例性實(shí)施例。參考圖10B，從步驟302開始，子程序300檢查電機(jī)控制系統(tǒng)20的狀態(tài)并對(duì)系統(tǒng)20提供診斷、故障檢測(cè)和保護(hù)。在步驟302中，微控制器44禁止內(nèi)部中斷并激發(fā)電機(jī)禁止輸出管腳26至高電平的狀態(tài)，以禁止電機(jī)控制IC 40的相位驅(qū)動(dòng)器輸出并提供跨接電容器C7上的反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)。在步驟304中，微控制器44延遲例如0.9毫秒。如果電機(jī)22正在運(yùn)行，則該延遲為反電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生和該反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電容器C7的充電提供了時(shí)間。在步驟306中，微控制器44激活內(nèi)部中斷。在步驟308中，微控制器44將出現(xiàn)在A/D轉(zhuǎn)換器管腳4處的電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。在步驟310中，微控制器44讀出所測(cè)量的電容器C7兩端的電壓的數(shù)字結(jié)果。在步驟312中，微控制器44使電機(jī)禁止輸出管腳26返回其高電平的狀態(tài)，因此電機(jī)控制IC 40將再次驅(qū)動(dòng)相位驅(qū)動(dòng)器輸出，以便對(duì)電機(jī)22進(jìn)行供電和交換。
在步驟314中，微控制器44確定反電動(dòng)勢(shì)是否存在，即是否電機(jī)22的轉(zhuǎn)子仍在旋轉(zhuǎn)并因此該轉(zhuǎn)子沒有鎖定并且電機(jī)控制IC 40還沒有發(fā)生轉(zhuǎn)子相位鎖定失敗。如果在步驟314中微控制器44確定反電動(dòng)勢(shì)存在，就完成步驟316，否則就完成步驟322。如果反電動(dòng)勢(shì)不存在并且完成了步驟322，則微控制器44將通過激發(fā)電機(jī)禁止輸出管腳26至高電平以禁止電機(jī)控制IC 40的相位驅(qū)動(dòng)器輸出，從而關(guān)掉電機(jī)22。
在步驟324中，微控制器44重置電機(jī)運(yùn)行時(shí)鐘。在步驟326中，在嘗試重啟電機(jī)22之前，微控制器44將延遲例如10秒。在步驟328中，微控制器44在微控制器44的內(nèi)部狀態(tài)寄存器中設(shè)置反電動(dòng)勢(shì)故障位。
參考圖10C，在步驟330中，微控制器44遞增反電動(dòng)勢(shì)故障計(jì)數(shù)器。在步驟332中，微控制器44確定該反電動(dòng)勢(shì)故障計(jì)數(shù)器是否已經(jīng)超過預(yù)定限度。如圖10B所示，如果在步驟332中，微控制器44確定已經(jīng)發(fā)生了太多的反電動(dòng)勢(shì)故障，則完成步驟334，否則就完成步驟316。
在步驟334中，通過設(shè)置電機(jī)禁止輸出管腳26到高電平狀態(tài)以禁止電機(jī)控制IC 40的相位驅(qū)動(dòng)器輸出，微控制器44關(guān)掉電機(jī)22。在步驟336中，由于過多的故障，微控制器44能夠基于故障情況來完成診斷測(cè)試和/或確定，以確定例如制冷劑較少之類的潛在的系統(tǒng)問題以及是否嘗試重啟或備份模式的操作，從而保護(hù)系統(tǒng)組件不受損害。在步驟338中，子程序300結(jié)束并返回圖10A中所示的子程序200的步驟216。
如果在步驟332中確定還沒有超過故障的預(yù)定限度，則在步驟316中，微控制器44在該微控制器44的內(nèi)部狀態(tài)寄存器中重置反電動(dòng)勢(shì)故障位。在步驟318中，微控制器44重置微控制器44內(nèi)部的反電動(dòng)勢(shì)標(biāo)記。在完成步驟318之后，子程序300繼續(xù)圖10D中所示的步驟340。
在步驟340中，完成供給到微控制器44的管腳5的電機(jī)電壓的模-數(shù)轉(zhuǎn)換。在步驟342中，微控制器44確定電機(jī)電壓是否高于預(yù)定門限。如果電壓較高，則完成步驟354，否則就完成步驟344。在步驟344中，微控制器44確定電機(jī)22是否正在運(yùn)行。如果電機(jī)22正在運(yùn)行，則完成步驟352，否則就完成步驟346。如果電機(jī)22不在運(yùn)行，則在步驟346中，微控制器44確定是否存在啟動(dòng)欠電壓情況，即供給到管腳5的電機(jī)電壓是否低于預(yù)定門限。如果存在欠電壓情況，則完成步驟354，否則就完成步驟348。在步驟348中，微控制器44重置電壓狀態(tài)位。在完成步驟348之后，子程序300繼續(xù)圖10E中所示的步驟364。
在步驟344中，微控制器44確定電機(jī)22正在運(yùn)行，則完成步驟352。在步驟352中，微控制器44確定是否存在欠電壓情況。如果存在欠電壓情況，則完成步驟354，否則就完成步驟348。在步驟354中，微控制器44確定是否設(shè)置了微控制器44的狀態(tài)寄存器中的電壓故障位。如果設(shè)置了電壓故障位，則完成步驟362，否則就完成步驟356。
在步驟356中，微控制器44設(shè)置微控制器44的狀態(tài)寄存器中的電壓故障狀態(tài)位。在步驟358中，通過激發(fā)電機(jī)禁止輸出管腳26至高電平從而禁止電機(jī)控制IC 40的相位驅(qū)動(dòng)器輸出，微控制器44關(guān)掉電機(jī)22。在步驟360中，微控制器44遞增電壓故障計(jì)數(shù)。在步驟362中，在重復(fù)開始于步驟340的電機(jī)控制系統(tǒng)狀態(tài)檢查的一部分之前，電機(jī)控制IC 40延遲例如10秒。
參考圖10E，在步驟364中，微控制器44確定是否存在熱過載情況，即在管腳23處是否存在溫度故障信號(hào)或在管腳3處溫度信號(hào)是否大于預(yù)定門限。如果存在熱過載情況，則完成步驟366，否則就完成步驟378。在步驟366中，通過激發(fā)電機(jī)禁止輸出管腳26至高電平從而禁止電機(jī)控制IC 40的相位驅(qū)動(dòng)器輸出，微控制器44關(guān)掉電機(jī)22。在步驟368中，微控制器44設(shè)置熱故障狀態(tài)位。在步驟370中，微控制器44遞增熱故障計(jì)數(shù)器。在步驟372中，微控制器44確定熱故障計(jì)數(shù)器是否超過了預(yù)定限度。如果熱故障計(jì)數(shù)器超過了預(yù)定限度，則子程序300繼續(xù)圖10C中所示的步驟334。如果熱故障計(jì)數(shù)器沒有超過預(yù)定限度，則完成步驟374。
在步驟374中，微控制器44延遲例如5秒，以便在再次檢查溫度信號(hào)輸入之前使系統(tǒng)可以冷卻。在步驟376中，微控制器44確定在管腳3或管腳23處是否接收到了溫度故障信號(hào)。如果在管腳3或管腳23處接收到了溫度故障信號(hào)，則再次完成步驟374，以提供進(jìn)一步的冷卻延遲。如果沒有檢測(cè)到熱過載情況，則完成步驟378。在步驟378中，微控制器44重置溫度故障狀態(tài)位。
在步驟380中，微控制器44確定在微控制器44的管腳7處接收到的電機(jī)電流源信號(hào)是大于預(yù)定的最大電流限度還是小于預(yù)定的最小電流限度。如果已經(jīng)超過了預(yù)定的電流限度，則完成步驟384，否則就完成步驟382。在步驟384中，微控制器44設(shè)置電流故障狀態(tài)位。在步驟386中，微控制器44遞增電流故障計(jì)數(shù)器。在步驟388中，微控制器44確定電流故障計(jì)數(shù)器是否超過了預(yù)定限度。如果電流故障計(jì)數(shù)器超過了預(yù)定限度，則子程序300繼續(xù)圖10C中所示的步驟334。如果電流故障計(jì)數(shù)器還沒有超過預(yù)定限度，則完成步驟390。在步驟390中，在再次檢查電機(jī)電源電流之前，微控制器44延遲例如2秒。在完成步驟390之后，子程序300繼續(xù)步驟382，再一次檢查電流限度。如果在步驟380中沒有超過電流限度，則在步驟382中，微控制器44重置電流故障位，并且子程序300繼續(xù)圖10G中所示的步驟392。
在步驟392中，微控制器44確定在該微控制器44的管腳11處接收到的電機(jī)速度信號(hào)是大于預(yù)定的最大限速還是小于預(yù)定的最小限速。如果已經(jīng)超過了預(yù)定限度，則完成步驟398。在步驟398中，微控制器44設(shè)置速度故障狀態(tài)位。在步驟400中，微控制器44遞增速度故障計(jì)數(shù)器。在步驟402中，微控制器44確定速度故障計(jì)數(shù)器是否已經(jīng)超過了預(yù)定限度。如果速度故障計(jì)數(shù)器已經(jīng)超過了預(yù)定限度，則子程序300繼續(xù)圖10C中所示的步驟334。如果速度故障計(jì)數(shù)器還沒有超過預(yù)定限度，則完成步驟404。
在步驟404中，在子程序300繼續(xù)步驟392以再次檢查電機(jī)速度之前，微控制器44延遲例如2秒。如果在步驟392中超過了預(yù)定的電機(jī)限速，則在步驟394中，微控制器44重置速度故障位。在步驟396中，子程序300完成，并返回圖10A中所示的子程序200的步驟216。
在下面的表1中給出圖3-圖9中所示的電路組件的值。
表1




盡管已經(jīng)將本發(fā)明描述為具有示例性實(shí)施例和方案，但是可以在本公開內(nèi)容的實(shí)質(zhì)和范圍內(nèi)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的修改。因此，本申請(qǐng)意在用本發(fā)明的一般原理覆蓋本發(fā)明的任何變更、使用或適應(yīng)性改變。此外，本申請(qǐng)意在覆蓋在本發(fā)明所適用的本領(lǐng)域中的已知或慣例的實(shí)現(xiàn)之內(nèi)以及在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的根據(jù)本公開內(nèi)容的改變。
權(quán)利要求
1.一種用于控制具有多個(gè)相位線圈(24a-24c)的無刷和無感應(yīng)器的直流電機(jī)系統(tǒng)(22，27，28)的電機(jī)控制系統(tǒng)(20)，包括電機(jī)控制集成電路(40)，其具有多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出(N1-N3，P1-P3)和一個(gè)用于操作所述多個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器的控制輸入(ISENSE)，所述多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出耦合到多個(gè)相位線圈；故障檢測(cè)電路(42)，其耦合到所述控制輸入并能夠選擇性地切換所述控制輸入信號(hào)的狀態(tài)以短暫地禁止所述多個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器，所述故障檢測(cè)電路耦合到多個(gè)相位線圈中的至少一個(gè)相位線圈，并能夠檢測(cè)來自多個(gè)相位線圈中的至少一個(gè)相位線圈的門限反電動(dòng)勢(shì)電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機(jī)控制系統(tǒng)，其中所述故障檢測(cè)電路包括耦合到多個(gè)相位線圈中的至少一個(gè)相位線圈的電容器(C7)，所述電容器接收反電動(dòng)勢(shì)，所述故障檢測(cè)電路檢測(cè)所述電容器兩端上的所述門限反電動(dòng)勢(shì)電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電機(jī)控制系統(tǒng)，其中所述故障檢測(cè)電路包括至少一個(gè)光隔離器(U14，U15)，其耦合到多個(gè)相位線圈中的至少一個(gè)相位線圈和所述電容器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機(jī)控制系統(tǒng)，其中所述故障檢測(cè)電路包括微控制器(44)，其具有耦合到多個(gè)相位線圈中的至少一個(gè)相位線圈的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器和耦合到所述控制輸入的輸出端口。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電機(jī)控制系統(tǒng)，還包括至少一個(gè)將所述模-數(shù)轉(zhuǎn)換器與多個(gè)相位線圈中的至少一個(gè)相位線圈耦合在一起的光耦合隔離器。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電機(jī)控制系統(tǒng)，還包括激活所述微控制器的軟件(200，300)，用以切換耦合到所述控制輸入的控制信號(hào)，短暫地禁止所述多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出；測(cè)量由多個(gè)相位線圈中的至少一個(gè)相位線圈產(chǎn)生并由所述模-數(shù)轉(zhuǎn)換器接收的反電動(dòng)勢(shì)；以及在測(cè)量到高于門限電平的反電動(dòng)勢(shì)時(shí)，切換耦合到所述控制輸入的控制信號(hào)，激活所述多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電機(jī)控制系統(tǒng)，其中所述軟件還能使所述微控制器在測(cè)量到低于門限電平的反電動(dòng)勢(shì)時(shí)，延遲預(yù)定的時(shí)間來切換所述控制信號(hào)，以便延遲再激活所述多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出的時(shí)間。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電機(jī)控制系統(tǒng)，其中所述微控制器能夠提供故障信號(hào)，并且所述軟件還能使所述微控制器切換所述控制信號(hào)以禁止所述多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出，并在測(cè)量到反電動(dòng)勢(shì)低于門限電平的情況多于預(yù)定數(shù)目的次數(shù)時(shí)，提供所述故障信號(hào)。
9.一種用于控制具有多個(gè)相位線圈(24a-24c)的無刷和無感應(yīng)器的直流電機(jī)系統(tǒng)(22，27，28)的電機(jī)控制系統(tǒng)(20)，包括電機(jī)控制集成電路(40)，其具有多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出(N1-N3，P1-P3)和一個(gè)用于操作所述多個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器的控制輸入(ISENSE)，所述多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出耦合到多個(gè)相位線圈；故障檢測(cè)電路(42)，其耦合到所述控制輸入并能夠檢測(cè)電機(jī)系統(tǒng)的多個(gè)電和非電的故障情況，所述故障檢測(cè)電路能夠在檢測(cè)到所述多個(gè)電和非電的故障情況中的至少一種情況時(shí)為所述控制輸入提供控制信號(hào)以禁止所述多個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電機(jī)控制系統(tǒng)，還包括耦合到所述故障檢測(cè)電路的溫度感應(yīng)電路(31，50)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電機(jī)控制系統(tǒng)，還包括電機(jī)機(jī)架(27)和熱耦合到所述電機(jī)機(jī)架并且電耦合到所述溫度感應(yīng)電路的溫度感應(yīng)器(29)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電機(jī)控制系統(tǒng)，還包括溫度感應(yīng)器(29)和由所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)并具有機(jī)架(27)的壓縮機(jī)(28)，所述溫度感應(yīng)器熱耦合到所述機(jī)架并且電耦合到所述溫度感應(yīng)電路。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電機(jī)控制系統(tǒng)，還包括晶體管功率橋接電路(30)，其耦合在所述多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出與多個(gè)相位線圈之間；散熱片(56)，其熱耦合到所述晶體管功率橋接電路；功率橋接溫度感應(yīng)器(31)，其熱耦合到所述散熱片并且電耦合到所述溫度感應(yīng)電路。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電機(jī)控制系統(tǒng)，還包括耦合到系統(tǒng)電壓源的電壓感應(yīng)電路(52)，所述電壓感應(yīng)電路耦合到所述故障檢測(cè)電路，所述故障檢測(cè)電路能夠在所述電壓源高于或低于預(yù)定限度時(shí)切換所述控制輸入以禁止所述多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電機(jī)控制系統(tǒng)，還包括耦合到多個(gè)相位線圈中的至少一個(gè)相位線圈的電流感應(yīng)電路(60，62)，所述電流感應(yīng)電路耦合到所述故障檢測(cè)電路，所述故障檢測(cè)電路能夠在檢測(cè)到相位線圈電流高于或低于預(yù)定限度時(shí)切換所述控制輸入以禁止所述多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電機(jī)控制系統(tǒng)，其中所述電機(jī)控制集成電路輸出有關(guān)電機(jī)速度的速度信號(hào)，并且所述故障檢測(cè)電路能夠接收所述速度信號(hào)并在所述電機(jī)速度高于或低于預(yù)定的電機(jī)限速時(shí)切換所述控制輸入以禁止所述多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。
17.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電機(jī)控制系統(tǒng)，其中所述控制輸入是所述電機(jī)控制集成電路的過電流保護(hù)輸入。
18.一種用于檢測(cè)用于控制具有多個(gè)相位線圈(24a-24c)的無刷和無感應(yīng)器的直流電機(jī)系統(tǒng)(22，27，28)的電機(jī)控制系統(tǒng)(20)中的故障的方法(200，300)，包括步驟提供電機(jī)控制集成電路(40)，其具有耦合到多個(gè)相位線圈的多個(gè)功率驅(qū)動(dòng)器(N1-N3，P1-P3)，還具有能夠選擇性地激活多個(gè)功率驅(qū)動(dòng)器的控制輸入；通過測(cè)量所述多個(gè)相位線圈中的至少一個(gè)相位線圈上的電動(dòng)勢(shì)來檢測(cè)電機(jī)系統(tǒng)故障(314)；以及在檢測(cè)到由所測(cè)電動(dòng)勢(shì)低于當(dāng)前門限的次數(shù)太多而表明的電機(jī)系統(tǒng)故障時(shí)，切換控制輸入以禁止多個(gè)功率驅(qū)動(dòng)器，從而停止電機(jī)操作(322)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中檢測(cè)電機(jī)系統(tǒng)故障的步驟進(jìn)一步包括步驟切換控制輸入以短暫地禁止多個(gè)功率驅(qū)動(dòng)器(302)；然后測(cè)量在多個(gè)相位線圈中產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)(308)；以及然后切換控制輸入以激活多個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器(312)。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中檢測(cè)電機(jī)系統(tǒng)故障的步驟包括測(cè)量一部分電機(jī)系統(tǒng)的溫度(364)；并在所測(cè)得的溫度超出預(yù)定門限時(shí)確定故障(368)。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中檢測(cè)電機(jī)系統(tǒng)故障的步驟包括測(cè)量電機(jī)的源電壓(340)；并在所測(cè)得的源電壓高于或低于預(yù)定電壓門限時(shí)確定故障(342，346，352)。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中檢測(cè)電機(jī)系統(tǒng)故障的步驟包括測(cè)量多個(gè)相位線圈中的至少一個(gè)相位線圈的源電流(380)；并在所測(cè)得的源電流高于或低于預(yù)定電流門限時(shí)確定故障(384)。
23.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中電機(jī)系統(tǒng)包括由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)(28)，并且其中檢測(cè)電機(jī)系統(tǒng)故障的步驟包括確定最小電機(jī)速度，如果低于該最小電機(jī)速度，則壓縮機(jī)有可能由于缺少足夠的潤(rùn)滑而損壞；測(cè)量電機(jī)速度(392)；以及在所測(cè)得的電機(jī)速度高于或低于最小電機(jī)速度時(shí)確定故障(398)。
24.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中電機(jī)系統(tǒng)包括由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)，并且其中檢測(cè)電機(jī)系統(tǒng)故障的步驟包括確定最大電機(jī)速度，如果高于該最大電機(jī)速度，則有可能發(fā)生壓縮機(jī)閥損壞；測(cè)量電機(jī)速度(392)；以及在所測(cè)得的電機(jī)速度超過最大電機(jī)速度時(shí)確定故障(398)。
25.一種用于檢測(cè)用于控制具有多個(gè)由功率輸出器驅(qū)動(dòng)的相位線圈的無刷和無感應(yīng)器的直流電機(jī)系統(tǒng)的電機(jī)控制系統(tǒng)中鎖定或停止的轉(zhuǎn)子的方法，包括步驟禁止功率輸出器(302)；然后測(cè)量在多個(gè)相位線圈中產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)(308)；以及然后在由所測(cè)得的反電動(dòng)勢(shì)決定的時(shí)間間隔后激活功率驅(qū)動(dòng)器(312)。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，還包括在測(cè)量反電動(dòng)勢(shì)步驟之后的下述步驟如果所測(cè)得的反電動(dòng)勢(shì)高于預(yù)定門限，將時(shí)間間隔設(shè)置為0。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，還包括步驟每次當(dāng)所測(cè)得的反電動(dòng)勢(shì)低于預(yù)定門限時(shí)遞增計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)(330)；并當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)超過預(yù)定限度時(shí)，禁止所述功率驅(qū)動(dòng)器(334)。
28.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，還包括步驟測(cè)量一部分電機(jī)系統(tǒng)的溫度(364)；并在所測(cè)得的溫度超過門限時(shí)，禁止所述功率輸出器(334)。
29.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，還包括步驟測(cè)量電機(jī)源電壓(340)；并在所測(cè)得的電壓高于或低于預(yù)定范圍時(shí)，禁止所述功率驅(qū)動(dòng)器(334)。
30.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，還包括步驟測(cè)量供給多個(gè)相位線圈中的至少一個(gè)相位線圈的電機(jī)源電流(380)；并在所測(cè)得的源電流高于或低于預(yù)定范圍時(shí)，禁止到多個(gè)相位線圈的功率輸出器(334)。
31.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中電機(jī)系統(tǒng)包括有閥并由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)，所述方法還包括步驟確定最小電機(jī)速度，如果低于該最小電機(jī)速度，則壓縮機(jī)有可能由于缺少足夠的潤(rùn)滑而受到損壞；確定電機(jī)速度(392)；以及在電機(jī)速度低于最小電機(jī)速度時(shí)，禁止所述功率輸出器。
32.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中電機(jī)系統(tǒng)包括有閥并由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)，所述方法還包括步驟確定最大電機(jī)速度，如果高于該最大電機(jī)速度，則有可能發(fā)生壓縮機(jī)閥損壞；測(cè)量電機(jī)速度(392)；以及在電機(jī)速度超過最大電機(jī)速度時(shí)，禁止所述功率輸出器。
33.一種流體處理系統(tǒng)，包括泵；用于驅(qū)動(dòng)所述泵的無刷直流電機(jī)(22)，所述電機(jī)包括多個(gè)相位線圈(24a-24c)；以及耦合到所述電機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)(20)；所述電機(jī)控制系統(tǒng)(20)包括電機(jī)控制電路(38)，其具有至少一個(gè)耦合到所述多個(gè)相位線圈的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出(N1-N3，P1-P3)；微控制器(44)，其具有耦合到所述多個(gè)相位線圈中的至少一個(gè)相位線圈的A/D轉(zhuǎn)換器，還具有能夠使所述微控制器提供耦合到所述電機(jī)控制電路的輸出信號(hào)以禁止所述至少一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出的軟件(200，300)，所述微控制器能夠在所述至少一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出被禁止時(shí)，測(cè)量在所述多個(gè)相位線圈中的至少一個(gè)相位線圈上產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)的電壓電平。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的流體處理系統(tǒng)，其中所述泵包括壓縮機(jī)(28)。
35.根據(jù)權(quán)利要求33所述的流體處理系統(tǒng)，其中所述軟件能夠使所述微控制器在所述電壓電平低于預(yù)定限度時(shí)提供所述輸出信號(hào)以保持所述至少一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出被禁止。
36.一種用于控制具有線圈的無刷直流傳動(dòng)器的傳動(dòng)器控制系統(tǒng)(20)，包括傳動(dòng)器控制集成電路(40)，其具有控制輸入和輸出驅(qū)動(dòng)器，所述控制輸入適用于選擇性地禁止所述輸出驅(qū)動(dòng)器，所述輸出驅(qū)動(dòng)器耦合到所述線圈；以及電壓測(cè)量電路(42)，其耦合到所述線圈并提供耦合到所述控制輸入的控制信號(hào)，所述電壓測(cè)量電路在所述電壓測(cè)量電路短暫地提供所述控制信號(hào)時(shí)測(cè)量從所述線圈接受的電壓，所述電壓測(cè)量電路還在所述接收到的電壓低于預(yù)定門限時(shí)提供所述控制信號(hào)。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的傳動(dòng)器控制系統(tǒng)，其中所述傳動(dòng)器包括無刷直流電機(jī)(22)和適用于無刷直流電機(jī)控制的傳動(dòng)器控制集成電路。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的傳動(dòng)器控制系統(tǒng)，其中所述電壓測(cè)量電路包括微控制器(44)。
39.根據(jù)權(quán)利要求37所述的傳動(dòng)器控制系統(tǒng)，其中所述電壓測(cè)量電路包括耦合到所述線圈的電容器(C7)，并且所述接收的電壓在所述電容器兩端測(cè)量。
全文摘要
一種用于無刷和無感應(yīng)器的直流電機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)，該無刷和無感應(yīng)器的直流電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)、泵或其他應(yīng)用，該電機(jī)控制系統(tǒng)包括保護(hù)和故障檢測(cè)電路，用于檢測(cè)鎖定的轉(zhuǎn)子和由于轉(zhuǎn)子相位鎖定失敗而已經(jīng)停止的轉(zhuǎn)子。該電機(jī)控制系統(tǒng)還包括現(xiàn)成的電機(jī)控制集成電路(40)，其具有用于禁止到電機(jī)相位線圈(24)的功率輸出的輸入。保護(hù)和故障檢測(cè)電路(42)采用耦合到電機(jī)相位線圈的反電動(dòng)勢(shì)采樣電路，并通過該電機(jī)控制集成電路的輸入，短暫地禁止對(duì)這些電機(jī)相位線圈供電，以確定電機(jī)轉(zhuǎn)子是否正在旋轉(zhuǎn)。該系統(tǒng)還監(jiān)控電源電壓、電源電流、溫度以及電機(jī)限速，以檢測(cè)故障并保護(hù)系統(tǒng)組件。
文檔編號(hào)H02P6/08GK1742427SQ200480002729
公開日2006年3月1日 申請(qǐng)日期2004年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月24日
發(fā)明者阿諾德·G·懷亞特, 羅伯特·特里 申請(qǐng)人:特庫姆塞制品公司