CN102725952A - 以速度定义的扭矩控制 - Google Patents

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Abstract

描述了例如DC电机的电机以及用于操作电机的方法和***。可选地，电机是电子换向电机。电机包括一个或多个电磁体和控制电磁体的控制器装置。控制器装置被构造为通过使得电机斜升到期望速度、测量以期望速度操作电机所需的电流以及使用测量的电流设置与第一速度抽头对应的值来在期望安装中对电机操作进行标定以确定实现期望操作速度所需的扭矩。控制器装置被构造为至少在标定操作结束以后使用所设置的值以基本恒定扭矩模式操作电机。电机可被构造用于例如HVACR***的通风***。

Description

以速度定义的扭矩控制
本申请要求于2010年1月25日提交的美国临时申请No.61/298,131的利益，该美国临时申请的全部内容以引用方式并入本文。
技术领域
本发明涉及电机控制，尤其涉及用于对电机进行电子控制的方法和***。
背景技术
HVACR(加热、通风、空气调节和制冷)制造商常规设计并制造多种尺寸的给定的空气调节、热泵、炉台或其它HVACR平台以适应不同尺寸的空间、建筑、安装、容量以及不同气流。例如，制造商可以提供多种设备规格。对于空气调节，该设备可以具有诸如1吨、2吨、3吨、4吨、5吨等多个额定值。对于在加热模式下工作的炉子或热泵，该设备可以按照BTU进行分级，用于指示它们的加热输出的值(例如，60,000BTU、80,000BTU、100,000BTU等)。不同规格的设备通常要求不同规格的鼓风电机。这些电机可以按照马力进行分级(例如，1/4HP、1/3HP、1/2HP、3/4HP、1HP、1.5HP、2HP、等等)。然而，每个制造商可以使用稍微不同的鼓风机。另外，对于相同设备额定输出和给定马力额定值，一些制造商的鼓风机可以使用或者提供电机的额定马力容量的100％，一些可以使用或提供额定容量的90％，一些甚至可以使用电机的额定容量的80％。因此，制造商的马力额定值可能不是在替换电机中需要的实际马力的可靠指示。
另外，HVACR制造商常常在某种程度上通过选择具有在用于对他们的设备进行分级的静态压力下生成期望RPM(每分钟转数)所需的马力的电机来针对特定静态压力(额定静态压力)和特定RPM设计产品。通常，电机已经被最优化适于在那个“额定”静态压力下的操作。然而，当HVACR设备安装在民宅或商业楼中时，静态压力通常与那个额定静态压力不同。例如，实际静态压力可以明显高于或低于对制造商的产品尽心测试以建立设备的额定值的额定静态压力。随着静态负载变化，常规电机可以在与它的最佳设计点不同的RPM下运行。这通常意味着制造商必须使用具有不同马力额定值的电机从而甚至适应相对窄范围的不同静态压力并且在应用任何规格的一个电机会不在应用中的最佳条件下进行工作。
鉴于上述内容，销售商和制造商必须携带大量的不同马力额定值的不同电机的存货从而确保当需求出现时它们是可获得的。此外，由于承包商可能不知道替换现有电机实际需要什么马力电机，所以维修HVACR设备的承包商通常需要携带各种电机的存货到工作地点以适应不同负载，即使当这些负载变化不大时。没有携带所需的电机导致浪费时间，这是因为承包商不得不离开工作地点去购买合适的电机。应该注意，即使采用相同规格的电机替换安装的电机仍可能不会生成正确操作，尤其是在一些严重受限的高静态压力应用中。
发明内容
某些示例实施例提供了针对给定应用(例如，特定HVACR鼓风机安装)自动调整它的马力和/或扭矩的电机。因此，某些实施例使得单电机类型用于替换覆盖一定马力范围的多种电机类型。
一种示例实施例包括电机，例如电子换向电机，包括：一个或多个电磁体；以及控制器装置，控制电磁体，该控制器装置被构造为通过如下操作在期望安装中对电机执行标定操作：使电机斜升到第一期望速度；监测电机以确定它是否已经达到第一期望速度；测量以第一期望速度操作电机所需的电流，其中，该电流对应于在期望安装中将电机保持在第一期望速度所需的扭矩；以及使用测量的电流设置与第一速度抽头对应的值，其中，控制器装置被构造为至少在标定操作结束以后使用所设置的值以基本恒定扭矩模式操作电机。
当测量以第一期望速度操作电机所需的电流时，上述电机可选地以恒定速度模式进行操作，其中，控制装置被构造为随后使用所设置的值以恒定扭矩模式操作电机。可选的是，第一速度抽头是在标定操作过程中向其供电的电机的唯一速度抽头，以及控制器装置还可选地被构造为将针对第二速度抽头的值设置为与第一速度抽头关联的应用分级扭矩的百分比。可选的是，电机具有额定最大马力并且在某些情况下中，控制器装置被构造为至少部分基于测量的电流以小于额定最大马力的马力操作电机。可选的是，电机具有额定最大扭矩并且控制器装置被构造为至少部分基于测量的电流在某些情形下以小于额定最大扭矩的扭矩操作电机。可选的是，控制器装置被构造为至少部分响应于从温度调节装置接收的命令启动标定，其中，电机没有用于启动标定的单独物理控制。可选的是，控制器装置被构造为通过向第一速度抽头供电启动标定。可选的是，电机被构造为安装在通风***中以产生气流。可选的是，电机被构造成固定分相电容器式电机的直接替代品。
一种示例实施例包括一种调整电机扭矩的方法，包括：安装具有第一速度抽头的第一电机；向第一速度抽头供电；使第一速度抽头斜升到第一命令速度并且启动标定过程，该标定过程包括：生成足够的电机扭矩以使第一命令速度基本恒定地保持第一时间段；确定与使第一电机基本恒定地保持在第一命令速度所需的扭矩对应的值；存储与使第一电机基本恒定地保持在第一命令速度所需的扭矩对应的值；以及基于所存储的值以恒定扭矩模式操作第一电机。
可选的是，在上述方法中，与保持速度基本恒定所需的扭矩对应的值对应于当保持第一电机基本恒定在命令速度时用于驱动第一电机的线圈的电流。该方法还可选地包括：设置该值作为针对第一电机的第一速度抽头的值；至少基于针对第一速度抽头的值设置针对第一电机的第二速度抽头的值，该针对第二速度抽头的值对应于保持第一电机基本恒定在第二速度所需的电流。可选的是，响应于温度调节装置设置来启动标定过程。可选的是，该方法还包括在安装第一电机之前移除第二电机，其中，第一电机用于替换第二电机，并且其中，第一电机是电子换向电机并且第二电机是固定分相电容器式电机，其中，安装第一电机还包括将先前连接到第二电机的端子的所有布线连接到第一电机。可选的是，该方法还包括通过同时向第一电机的至少两个速度抽头施加电压对该值进行复位。可选的是，第一速度抽头是第一电机的最高速度抽头，其中，第一电机包括多个速度抽头。可选的是，第一电机安装在通风***中。可选的是，在标定过程中用户对标定过程没有采取任何人工动作。
一种示例实施例包括：一种被构造为控制电机的操作的控制器，该控制器包括：计算装置；非瞬态存储器，存储程序指令，当该程序指令由计算装置执行时被构造为执行如下操作，包括：通过如下操作对针对给定安装的电机进行标定：至少部分地使得电机以第一期望速度进行操作；确定与以第一期望速度操作电机所需的扭矩对应的值；与电机的第一速度抽头相关联地存储与以第一期望速度操作电机所需的扭矩对应的值；以及至少在标定结束以后，使用所存储的值以基本恒定扭矩模式操作电机。
可选的是，控制器操作还包括测量与以第一期望速度操作电机所需的扭矩对应的电流，其中，至少部分基于测量的电流值确定所述确定的值。可选的是，当测量与以第一期望速度操作电机所需的扭矩对应的电流时，电机以恒定速度模式进行操作，其中，控制器被构造为随后使用所存储的值以恒定扭矩模式操作电机。可选的是，控制器还被构造为通过调整与第一速度抽头关联的应用额定扭矩设置针对第二速度抽头的值。可选的是，电机具有额定最大马力并且控制器被构造为至少部分基于所存储的值以额定最大马力或者小于额定最大马力操作电机。可选的是，电机具有额定最大扭矩并且控制器被构造为至少部分基于存储的值以小于分级最大扭矩操作电机。可选的是，控制器被构造为至少部分响应于从温度调节装置接收的命令启动标定，其中，电机没有用于启动标定的单独物理控制。可选的是，控制器被构造为通过向第一速度抽头供电启动标定。可选的是，控制器集成到电机。可选的是，电机是电子换向电机。
附图说明
现在将参照下文总结的附图描述本发明的实施例。提供这些附图和关联说明以阐述本发明的示例实施例而非限制本发明的范围。
图1A示出了示例性实施例的框图。
图1B示出了示例性实施例的示例电路图。
图2示出了示例电机置换过程。
图3示出了示例标定过程。
图4示出了示例布线图。
具体实施方式
如上所述，HVACR制造商通常制造多种规模的给定平台以适应不同规模的空间、建筑、安装、容量以及不同气流。然而，每个制造商可使用稍微不同的鼓风机。另外，对于给定马力额定值，一些制造商可以使用或提供额定马力容量的100％，一些可以使用或提供额定容量的90％，一些可以使用或提供额定容量的80％。此外，由于应用能够影响电机的性能，所以在实际应用中安装的电机可能不在它的最佳效率下运行。因此，制造商的马力额定值可能不是替换电机中所需的实际马力的可靠指示。
因此，维修HVACR设备的承包商常常不知道当替换现有电机时将需要什么马力电机，这是因为原始电机的马力额定值可能不准确或者因为负载可以从用于建立原始电机的马力额定值的负载发生变化。因此，承包商通常需要在工作地点保持各种电机的大量存货以替换现有电机和/或适应不同负载。此外，安装人员在到达工作地点之前常常甚至不知道原始电机的额定功率。因此，当安装人员到达工作地点时，安装人员首先必须物理检查原始电机上的标签以确定马力额定值，然后必须离开现场以获取具有那个相同马力额定值的替换电机。
此外，按照常规，制造商必须制造多种马力额定值的电机从而适应不同应用以及甚至适应HVACR应用中的不同静态压力的相对窄的范围。另外，按照常规，销售商和制造商同样必须携带大量的不同马力额定值的不同电机的存货以确保当需求出现时它们是获得的。
这些和/或其它问题由电机、电机控制器和电机控制方法进行解决，本文中描述了该电机、电机控制器和电机控制方法的实施例，用于调整电机以提供不同大小的马力和/或扭矩。举例而非限制，某些实施例可用于调整在加热、通风和空气调节(HVAC)***中使用的电机的马力，例如用于驱动泵浦***或任何针对负载调整电机的其它应用中的鼓风机或风扇。因此，某些实施例使得单个电机类型可用于替换覆盖一定范围的马力的多个电机类型。
在一个示例实施例中，执行标定过程从而当在诸如HVACR***或泵浦***的***中进行安装时自动为电机设置期望的马力额定值。某些实施例包括直流(DC)电机(例如ECM(电子换向电机)电机(例如，包括永磁转子和逆变器的可编程无刷DC电机))或交流(AC)电机(例如具有电子驱动器和/或永磁体的多相电机(例如，2相或3相AC电机))，这些电机针对安装于其中的应用进行自身调整。例如，某些实施例利用速度定义的扭矩控制(SDTC)标定过程(本文还称作自动调整大小)，用于设置为电机在其中运行的特定HVACR***提供期望的电机速度所需的电机马力和/或扭矩。在下面描述SDTC标定过程的示例实施例。
在一个示例实施例中，ECM电机将基于为使特定HVACR安装中的电机保持额定速度所需的扭矩来自动调整它的马力大小。例如，在某些实施例中，电机能够针对为被用于标定所述电机的抽头指定的速度调整它自身。速度定义的扭矩控制标定过程的某些实施例自动地将电机的扭矩调整到保持***中的额定或期望速度所需的值。在许多应用中，标定过程的某些实施例运行承包商采用例如ECM(或其它电机类型)的速度定义的扭矩控制电机替换现有电机(例如，PSC电机)并且获得相同性能或额定功率和/或升级的性能或额定功率，并且ECM的操作特性得到提高(在使用ECM的情况下)。
举例来讲，在一个实施例中，当1/2HP额定速度定义的扭矩控制ECM应用到1/4HP***时，电机将自动将它自身调整到1/4HP并且将消耗大约与额定功率为1/4HP的ECM相同的电量。
另外举例而非限制，本文公开的电机的实施例可以用作对具有不同的各个马力额定值(例如，具有1/4HP、1/3HP、1/2HP、3/4HP、1HP、1.5HP、2HP、2.5HP、3HP、3.5HP、4HP额定值、4.5HP、5HP、等等的各个额定值的电机类型)或气流额定值(例如，1吨、2吨、3吨、等等)的多个不同电机类型的替换。
图1A是根据一个示例实施例的用于控制无刷电机的电机控制器***的框图。其它实施例可以包括不同部件、具有不同属性和值的部件、和/或不同的部件布置。
在一些实施例中，电机控制***控制电机操作以由此调整通风***中的气流速率。例如，控制器可以被构造为控制电机以使得在通风管中静态压力的变化过程中在通风管中产生基本恒定的气流速率。控制器的某些实施例不需要用于监测静态压力变化的静态压力传感器或基于监测的静态压力输入的反馈控制，尽管某些实施例可以利用这种静态压力传感器或反馈控制。控制器的某些实施例不需要用于监测气流速率变化的气流速率传感器或者基于监测的气流速率输入的反馈控制，尽管某些实施例可以利用这种气流速率传感器或反馈控制。在一些实施例中，控制器嵌入在电机中或与集成在电机中，并且在其他实施例中，控制器与电机物理分离(例如，没有包括在电机壳内)。
在一个示例实施例中，控制器或者它的关联传感器监测电机的旋转速度(例如，RPM)或者反电动势(可以从其导出或估计旋转速度的电动势)并且利用监测的速度控制气流速率。在一个示例实施例中，控制器和/或它的关联传感器监测施加到电机的电流并且利用监测的电流控制气流速率(例如，通过控制速度和/或扭矩)。另外，控制器可选择性地处理旋转速度输入和电流输入以确定实现基本恒定气流的通电的时间长度(通电时间段)。可选择的是，控制器使用电机的操作的固有信息(例如，旋转速度和电流)而非使用诸如静态压力和气流速率的外在信息控制气流速率，尽管也可以利用这种外在信息。
所示的实施例包括切换DC场并且控制电机的扭矩和速度(例如，从而即使风扇所见的压力改变仍保持HVACR***中的气流)的电子装置。电机可以包括多个抽头(例如，用于调整流率)，其中，给定抽头与不同流率(可以是额定流率)关联。ECM可以被构造为以相对低的速度运行并且然后当连接到ECM的温度调节装置指示附加冷却或期望气流时以相对高的速度运行。与传统PSC电机相比，这提供了更加有效的电机，可以使得ECM在给定时间段内使用显著减少的电力进行工作。ECM可以连接到在通风管中吹送空气以产生一定气流速率的气流的风扇，当在恒定扭矩模式下进行工作时，与在恒定速度模式下工作的电机相比，气流中的变化更小，即使当通风管中的静态压力明显变化时。
在所示的实施例中，电机控制器包括电子控制电路70。电子控制电路70包括电源开关电路4、门电路或门驱动器5以及逻辑电路6。电源开关电路4的输出经由线12连接到电机2并且向电机线圈提供用于驱动风扇1的诸如单相、双相或三相的开关电源。电机2可以是电子换向电机(ECM)或者无刷电机(BLM)，尽管不限于此。门电路5用于驱动电源开关电路4，并且逻辑电路6用于控制适于控制电机的控制信号。
在所示的示例实施例中，电机控制器还包括：电流检测电路8，用于检测流过电机线圈的负载电流22；以及转子位置检测处理电路3，用于处理电机转子的位置检测信号的脉冲。电流检测电路8经由线23连接到微处理器7的输入端。转子位置检测处理电路3分别经由线16和15连接到微处理器7和逻辑电路6的输入。
在所示的示例实施例中，电机控制器包括输入装置46，输入装置46具有用于设置与各个气流速率对应的目标RPM的最大速度设置单元10。另外，输入装置46包括用于设置基本恒定的气流速率的各个级别的气流速率设置单元11。最大速度设置单元10和恒定额定气流设置单元11分别经由线18和19连接到多程序接口电路9。多程序接口电路9的输出经由线17连接到微处理器7的输入。
所示的实施例的电机控制器还包括接口电路47、脉宽调制(PWM)单元48和DC可变电压单元49。接口电路47被构造为处理可从外部***或控制装置通过脉冲信号提供单元48提供的用于速度设置的PWM信号(例如，为80Hz)以及通过使用端子(例如，一个端子或多个端子)从DC可变电压单元49提供的可变DC电压(例如，在0到10V的范围或者其它范围内)。接口电路47经由线50连接到微处理器7的输入。
微处理器7被构造为基于从传感器电路获取的数据处理数据以控制DC电机从而可选地在基本恒定气流速率模式下操作电机，并且发送用于速度控制的PWM信号(例如，20Khz)。输出信号经由线21发送到电子控制电路70的逻辑电路6。
可选的是，控制器具有用于执行自测试操作和用于执行标定操作的一组命令。在通风***的测试操作中，当电机驱动电源开关402接通时，随着微处理器7输出PWM输出信号并且同时该PWM输出信号根据微处理器7的自驱动测试操作命令被自动调制(例如，从0到100％)时，电机***作以使风扇从静止状态旋转至一定速度(例如，预设最大速度)。此时，基于负载电流22和速度信号16，微处理器7获取可以根据多种不同风扇负载和环境而变化的电流数据、速度数据和峰值电流额定值，并且确定可存储在存储器和/或向操作员显示的电流-速度关系。将在下面讨论标定过程的示例实施例。
图1B更加详细地示出了图1A的电机控制器***的示例实施例。在所示的示例实施例中，在HVACR***中，各种风扇或者风扇1的鼓风机可以连接到电机2。电机2可以包括单相、双相或三相或更多相的ECM或BLM。电源开关电路4可选地具有全桥FET元件4AH、4AL、4[Pi][Eta]和4DL，并且连接到电机2的线圈的上层绕组。
用于驱动电源开关电路4的FET元件的门电路5的门驱动电路部分24和25的每一个可以包括例如IRS2106的门驱动专用电路。门电路5连接到电源开关电路4和逻辑电路6，逻辑电路6具有被构造为用于处理速度信号和PWM信号的逻辑电路单元30和30。
电源开关电路4连接到电流检测电路8，电流检测电路8具有电阻器26(例如，在示例实施例中，电阻值大约是0.1到0.5Ω)、电阻器27和连接到电机控制电路地线的电容器28。当电流流动时穿过电阻器26形成的电压进行积分，并且电压信号输入到放大器29。该电压经由线23发送到微处理器7。为了输入来自电机2的转子位置检测处理电路3(例如，利用电枢线圈的传感器或反电动势)的电机速度(例如，RPM)信息，该信号经由线16发送到微处理器7的输入。
程序输入装置46的输出连接到接口(例如接口处理器36(例如，RS-485处理器)的接口)的传输线39。输出信号用于控制和监测最大速度设置单元10和恒定额定气流设置单元11，实现根据示例实施例的基本恒定气流控制的多级别编程。RS486处理器36的发送输出R经由光耦合器34连接到微处理器7的数据输入RXD。微处理器7的数据输出43经由光耦合器33、RS485处理器36和线40连接到程序输入装置46的接收输入。微处理器7的数据通信控制(CTRL)信号45通过光耦合器35连接到RS485处理器36的控制端子。因此，在无不可接受干扰的情况下程序数据能够被提供给微处理器7，并且地线41和42能够与外部程序输入装置46进行电绝缘。
在接口电路(SCI)47的内部具有速度信号转换微处理器56。速度信号转换微处理器56响应于外部***控制器的控制信号将用于产生大约0V到大约10V的可变DC电压的DC可变电压单元49和用于产生速度控制或设置的PWM信号的脉宽调制器48接口到一个端子。
在一个示例实施例中，电机的操作从基本恒定速度模式切换至基本恒定扭矩模式。与在许多鼓风机应用中以恒定速度模式操作电机相比，以恒定扭矩模式操作电机在某些HVACR应用中具有多个优点。尽管鼓风机上一般外部压力变化，也以恒定扭矩模式操作电机保持电机的扭矩基本恒定。这是因为，与以恒定速度模式操作电机或者PSC感应电机能够提供的气流相比，在恒定扭矩模式下，根据负载调整电机速度以保持更加恒定的气流。例如，当由于关闭/开启通风装置或过滤器被阻塞而导致鼓风机上的内部静态压力发生变化时，电机速度将尝试自动进行调整以基本保持扭矩，这可以使得更好地将气流维持在期望水平。因此，与PSC感应电机相比，以恒定扭矩模式操作ECM将提高***性能。然而，与本文描述的某些实施例不同，在特定安装中，常规ECM缺乏自动调整所期望的气流所需的扭矩的能力。
如下所述，可选的是，第一表存储在存储器中。第一表包括预指定的速度值，其中，给定的RPM速度值对应于各个电机抽头。如下面表1，示出了存储给定抽头与对应电机速度之间的对应关系的示例表。
 抽头编号  RPM额定值
 5  1075RPM
 4  975RPM
 3  900RPM
 2  825RPM
 1  600RPM
表1
在示例标定过程中，选择给定抽头，并且电机以恒定速度模式进行操作，其中，扭矩可以变化以达到并保持期望速度。例如，一个或多个霍尔效应传感器可用于检测电机速度。此外或替代，其它技术可用于测量电机速度(例如反电动势)，其中，由离心电机产生的电压被用于确定电机的旋转速度。举另一个例子，可以使用将电机线圈上的低电平DC电压转换成扭矩的传感器。
被选择的抽头例如可以是最高抽头或者基于抽头与速度的关联表现为接近期望RPM的抽头。例如，如果表指示抽头1接近1075RPM，抽头2接近975RPM，抽头3是900RPM，并且期望的RPM是975RPM，则可以为标定过程选择抽头2。
在电机以期望的速度(例如，针对进行标定的抽头的表1中指示的速度)工作一定时间(例如，在2秒、2分钟、或者其它时间长度以后)以后，该速度所需的电流/扭矩被测量。第二表自动产生并且存储在存储器中(例如，通过电机控制器***)，所述表将扭矩(例如，与给定扭矩对应的电流或其它值)与各个电机抽头进行关联。例如，在第二表中，下面提供了表2作为它的例子，测量的扭矩可与执行标定过程中选择的抽头进行关联。其它抽头可以被分配针对所选择的抽头测量的扭矩的百分比。例如，下一个较低抽头可以被分配针对选择的抽头测量的扭矩的80％，下一个更高抽头可以被分配针对所选择的抽头测量的扭矩的120％(例如，该百分比可对应于为从表1获得的各个抽头相对于所选择的抽头的速度差的百分比)。此外或替代，可以在每个抽头或者抽头的子集执行标定，并且对应测量的扭矩或电流然后可以与各个抽头相关联输入到第二表中。
因此，针对正与电机一起使用的鼓风机调整扭矩因而调整电机马力(扭矩乘以速度＝马力)。在涉及HVACR***中更换传统电机(诸如PSC电机或罩极电机)的应用中，在安装人员不知道该应用需要什么扭矩的情况下，这个特征特别有利。具体地讲，某些实施例提供了调整电机的扭矩/马力的基本自动而准确方法，而不需要大量的安装人员训练或人工介入调整扭矩/马力。
在另一个实施例中，可通过在存储器中存储针对各个抽头(例如，最高速度抽头、最低速度抽头、和/或其它速度抽头)的目标速度，命令电机进入它的最高速度(或最低速度或中间速度，这根据需要)，确定实际电机速度(例如，经由霍尔传感器、反电动势等等检测的RPM)以及将实际电机速度与目标速度进行比较，来执行标定。如果实际电机速度在目标速度的指定容许范围内(例如，在1％、2％、3％或其它指定的容许范围内)，则对应扭矩(或者各个驱动电流)与抽头的标识符进行关联存储。如果实际电机速度不等于目标速度(例如，实际速度被确定高于目标速度)，则控制器能够逐步降低所命令的速度(例如，降低10％、5％、2％、或者其它百分比/量)并且再次检查实际电机速度。这个过程能够进行重复直到实际速度在目标速度的指定容许量之内。另外，能够针对多个或所有抽头以任何顺序重复该过程。
现在参照图2描述示例电机替换过程。在状态202，安装人员从HVACR***移除现有电机。在状态204，安装人员安装替换电机以替代现有电机。在状态206，安装人员在安装的替换电机上运行标定过程以将电机设置到适于所述应用的马力/扭矩。在状态208，现在电机在恒定扭矩模式下以恰当马力/扭矩进行正常运行。
在所示的实施例中，自动调整ECM能够替换例如可与前弯离心鼓风机叶轮、后弯离心鼓风机叶轮、螺旋桨式风扇等等一起使用的额定速度在1020RMP(每分钟转数)与1075RPM之间并且额定马力在1/5HP与1HP之间的典型6极PSC电机。在这种示例实施例中，作为示例，自动调整ECM能够针对普通HVACR负载在大约600RPM到1075RPM之间的范围内操作前弯离心鼓风机叶轮。当然，其它实施例可以提供不同额定速度和马力的范围(例如，1/5HP到1/2HP、1/2HP到1HP、1HP到2HP或者其它马力范围)，并且可以用于不同应用(包括非替换电机应用和HVACR应用之外的应用)。
现在参照图3更加详细地描述示例性速度定义的扭矩控制标定过程。所示的示例标定过程使得电机将它的扭矩调整到调整后的额定扭矩(ART)，即保持针对给定速度抽头指定的额定速度所需的扭矩。标定过程可选地基于调整后的额定扭矩的百分比向其它抽头分配扭矩值。
为了解释而限制的目的，示例性标定过程假设电机具有5个抽头，其中，抽头5是最高速度抽头(即，当被通电时，相对于抽头1到抽头4，抽头5使得电机以最高RPM进行旋转以产生最大气流)。在这个实施例中，抽头5提供高气流，抽头4提供中等大小的气流，抽头3提供中等气流，抽头2提供中等低气流，抽头1提供低气流。本领域普通技术人员将认识到，还可以使用具有多于5个抽头或少于5个抽头的电机。本领域普通技术人员还将认识到，标定过程不需要使用最高速度抽头并且能够针对其它速度抽头进行构造。
在状态300，可选地移除现有电机。例如，现有电机可以是PSC电机。
在状态302，安装速度定义的扭矩控制电机(例如，作为包括具有一个或多个门/面板的鼓风机壳的鼓风机***的一部分)。例如，可以选择速度定义的扭矩控制电机以将该电机调整为适应指定范围的气流(例如，1020到1075RPM)和/或马力(例如，1/5到1/2HP)。
在状态304，电机电连接到合适的电源、地线以及其它线。图4示出了电机的示例实施例的示例性布线图。在所示的实施例中，中性线或线2连接到端子N(中性线)，地线连接到端子G(接地)，AC线(例如，所述AC先前用于对被替换的PSC电机的最高速度设置进行供电)连接到ECM的最高抽头(在这个例子中，为抽头5)。例如，根据安装，AC线可以连接到115VAC或220VAC(与需要24VAC不同，从而进一步简化了通常不使用24VAC的PSC电机的替换，尽管其它实施例可以利用24VAC向所述抽头供电)。例如，如果ECM用于替换PSC电机，并且PSC电机被构造为使用115VAC，则ECM可被类似地构造为使用115VAC。如果ECM被用于替换PSC电机并且PSC电机被构造为使用220VAC，则ECM可被类似地构造为使用220VAC。如果期望使用115VAC操作电机，则在示例实施例中，跳线用于连接D端子。
示例性电机是能够顺时针或逆时针旋转的双旋转电机。在这个例子中，缺省旋转是逆时针。如果跳线连接在两个R端子之间，则电机顺时针旋转。还连接了温度调节装置。
可选的是，在状态306，如果有另外的AC线连接到传统PSC电机上的速度抽头(例如，低速度抽头1到抽头4)，则可以使用下面的示例抽头设置表(表2)将这些线可选连接到ECM的剩余四个抽头的一个或多个，以得到与所述PSC电机对应的初始估计。在某些可选实施例中，相对于PSC电机使用的布线不需要额外布线。可选的是，如果多个抽头被同时启用，则最高编号被启用的抽头(与被启用的抽头的最高PRM额定值对应)的优先级高于较低编号抽头(与被启用的抽头的较低PRM额定值对应)。
可选的是，在状态308，为了在关闭鼓风机上的门和/或接入面板之前校验电机的操作，在开始标定过程之前电机可以运行一定初始时间(例如，30秒或更少、2分钟、或者其它时间长度)。可选的是，在初始时间截止之前(例如，截止之前5秒)电机被关闭从而标定过程不会启动并且密封鼓风机门和面板。
在状态310，在标定过程中在操作鼓风机之前，鼓风机门和面板被放在适当的位置并且关闭。优选的是，在标定之前，电机通过其将使得气流更换或被清洁的过滤器和电机通过其进行送风的通风装置开启。可选的是，在存在***压缩机的情况下，可将***压缩机关闭以避免在异常气流条件下操作压缩机。
在状态312，在电机现在恰当进行连接并且鼓风机壳得到保护的情况下，向电机进行供电并且命令电机提供鼓风机输出(例如，通过安装人员设置温度调节装置以命令最高***气流，这可以是最高冷却级操作，这又将使得控制器向被标定的抽头进行供电)。因此，可以在电机运行以进行通风的相同或非常相似条件下执行标定过程。标定过程的结果将由此反映实际通风***的条件(例如，风扇的尺寸、设计和重量以及通风***管道的结构)。
标定过程可选地进行启动而无需用户必须启用温度调节装置的设置以外的任何特定标定控制。在HVACR***包括空气调节的情况下，可以设置这个设置以命令最高冷却气流(例如，通过温度调节装置启用表示高冷却调用的Y/Y2信号)。在加热***不具有空气调节/冷却的情况下，温度调节器可以设置到最高加热设置(例如，这使得温度调节器启用W/W2信号)。
在状态314，鼓风机/电机以状态312的设置运行期望的标定时间长度(例如，2秒、30秒、60秒、120秒、等等)以完成标定过程。可选的是，如果出现问题或者确定初始标定设置不正确，则能够通过在为了标定过程初始向电机供电以后的一定时间(例如，30)内停止向电机供电提早终止标定过程。
类似于如上所述，HVACR制造商传统上针对电机的特定静态压力(额定静态压力)和RPM设计产品。制造商在静态压力的一定范围内测试他们的产品从而该单元能够在高静态压力下安全运行。然而，当电机安装在民宅或商业楼中时，静态压力常常高于额定静态压力。在高静态压力安装中，由于负载增加导致PSC或罩极电机(AC电机)改变性能或速度输出。这能够使得电机以与它的最佳设计点不同的RPM进行工作。使用SDTC，电机基本上将它的RPM与由所选择的速度抽头表示的RPM(它可以对应于正被替换的电机的额定RPM)进行匹配。这可以通过传送由制造商初始想要的气流来恢复HVACR设备的性能。电机通过自动增加电机的扭矩输出以将速度保持到抽头的额定速度实现这一点。
在示例实施例中，电机在速度被控制到命令的水平的恒定速度模式(CS)或调节速度模式(RS)下进行启动。如上所述，电机具有与期望或额定PRM水平对应的多个不同的“速度抽头”或“扭矩抽头”。在本领域中，这个RPM大小可以进行预设，可以由用户进行编程，或者通过控制(例如，转盘、开关、按钮、触摸屏用户界面、控制面板、等等)进行调整。
用户命令选择的速度抽头之一启动电机。例如，可以通过选择的抽头对电机供电并且发出命令，或者可以经由选择的抽头对电机供电并且经由数字端口、低压抽头、其它抽头或其它接口向电机发出命令。电机通过斜坡上升到所命令的速度来响应该命令。在RS模式中，电机自动生成足够的扭矩以保持所命令的速度恒定。在预定的初始时间以后，电机进入标定过程，其中，标定过程确定使用的电流(例如，通过经由图1A中所示的电流检测电路8测量线圈负载电流)以保持电机速度基本恒定。
电机然后自动切换到恒定扭矩(CT)模式并且标定过程设置测量的电流值作为针对选择的抽头的值(例如，与实现与期望的RPM对应的扭矩所需的电流对应的值)。可选的是，使用高速抽头从而知道最大电流。可选的是，针对剩余抽头的值被自动设置为应用额定扭矩(ART)的百分比。该ART是使用标定过程设置的最大扭矩值。如本文别处所讨论的，剩余抽头可分别进行标定，但是在某些实施例中，为了减小执行标定所需的时间、努力和训练，安装人员可以仅仅对一个抽头进行标定。
具体地讲，在某些实施例中通过仅仅需要对一个抽头进行标定，在安装以后安装人员简单启动该单元/电机并且进行等待直到电机运行完标定过程。
在标定时间以后，标定过程结束并且电机准备正常操作。在这个例子中，在标定过程结束时，抽头5表示用于操作鼓风机以实现1075RPM的扭矩(例如，调整的额定扭矩(ART))，并且经由下面的表2基于抽头5的标定扭矩(ART)对低抽头(在这个例子中，抽头1到抽头4)进行标定。由控制器可选地设置标定标记并且将其存储在存储器中，标定标记用于指示已经完成标定。下次温度调节装置提供向标定的抽头供电的命令时，控制器从存储器读取该标记，并且控制器将不会对该抽头重新启动标定过程。
在状态316，可选地测量气流(例如，使用皮氏管、风速计，使用HVACR热交换器的进口空气温度与热交换器的出口空气温度的比率，或者其它气流测量装置或技术)。如果***性能测量指示气流在可接受水平之外(例如，通过比较测量的气流与指定的气流(例如，制造商的指定容许量)进行确定)，则可以采用用于解决故障以正确进行标定的过程，如下文更加详细地所描述的。可选的是，安装人员可以激活复位控制，如果有的话，标定标记可被清除，并且标定过程被重复。在示例可选实施例中，复位控制没有利用超越普通电机布线的任何附加物理接口。例如，可以通过连接抽头3和抽头4(例如，使用跳线)，在一定时间(例如，电机开始运行以后的7秒)内同时向抽头3和抽头4进行供电(例如，通过经由跳线进行供电)，可以启动表2和表3的复位(用于替换由先前标定过程存储的值)。其它实施例可以使用专用重置控制、经由数字数据接口(例如，串口、并口或无线接口)或者其它技术或接口接收的命令来启动重设。当电机停止时，发生先前值的重置。
如果***性能测量指示气流高于指定的期望水平(例如，使用气流测量和/或其它***性能参数(例如，热交换器的进口空气温度与热交换器的出口空气温度之间的比率)进行确定)，则抽头设置被调整到低抽头以实现期望的气流。在示例实施例中，如在下面表2中所示抽头被分隔，尽管可以使用其它抽头间隔。在多速度***中，超过一个抽头可能需要根据气流测量和/或其它参数进行调整。
示例抽头设置间隔(调整后的额定扭矩-ART的)
  抽头编号   调整后的额定扭矩-ART的百分比
  5   100％
  4   91％
  3   84％
  2   77％
  1   55％
表2
现在将描述当不能够正确对电机进行标定时采用的示例过程。在这个示例中，对电机标定失败是指电机不能够输出达到在给定鼓风机的指定范围(例如，1075RPM(+/-50RPM))内的期望的速度所需的扭矩。这通常是指正被替换的电机与正在用于替换它的安装的ECM相比具有更大扭矩生成能力。如果出现这种情形，则较高马力ECM能够用于提供期望的速度。
在示例实施例中，如果电机不能够达到额定速度(例如，1075RPM(+/-50RPM))，则电机设置一组缺省扭矩设置(这可以使用针对最高抽头的额定扭矩，并且相应地对其它抽头进行标定调整)，该缺省扭矩设置的例子在表3中进行示出，存储在下面的存储器中。
额定扭矩的缺省扭矩设置抽头5-100％的示例
  抽头编号   额定扭矩-ART的百分比
  5   100％
  4   91％
  3   84％
  2   77％
  1   55％
表3
在一些情形中，未能正确对电机进行标定可能是由于气流问题(例如，HVACR管中的阻塞物或者被堵塞的过滤器)导致的。在这些情况下，可以使用气流计量器执行气流测量以校验可接受的气流和***性能。气流问题可以进行纠正(例如，通过去除HVACR管中的阻塞物或者替换堵塞的过滤器)并且使用上述的过程对电机重新进行标定。
因此，自动马力调整标定过程/速度定义的扭矩控制使得电机自动调整它的马力。举例来讲，这个过程使得一定马力的电机安装在需要相同马力电机或低马力电机的炉子或空气处理器中并且将它自身调整到应用的负载需要。与常规ECM相比，这使得一种电机配置可用于多种马力应用，由此节省能量，减少零件数目和/或降低存货成本，并且简化安装人员的安装。这种自动调整电机还能够减少承包商或销售商需要携带的电机和电机配置的数量，这是因为具有速度定义的扭矩控制的单电机结构能够替换不同马力的多个PSC电机。具有这种自动调整电机将使得如下更加可能：承包商将具有满足给定HVACR安装的需要的恰当电机，并且由此降低承包商需要离开工作地点以获取恰当电机的可能性。
有利的是，速度定义的扭矩控制电机对承包商也是有利的，这是因为速度定义的扭矩控制电机的安装能够与PSC电机的安装非常类似并且常常不需要对HVACR***重新布线。例如，在某些实施例中，承包商/安装人员简单地将电源连接到速度抽头并且启动电机，其方式与PSC电机相同或相似。因此，ECM电机可以是PSC感应电机的替代品。速度定义的扭矩控制电机然后自动进行标定过程，而不需要安装人员在标定过程中采用任何动作。
相比较，常规ECM需要大量的用户人工操纵布线以选择不同运行级别从而一种HP规模能够用于多种应用。某些其它常规ECM具有固定输出抽头并且要求电机具有与正被替换的电机对应的固定马力。
本文公开的***和方法能够通过硬件、软件、固件或者它们的组合进行实现。软件可以包括存储在存储器(例如，非瞬态有形存储器，诸如固态存储器(例如，ROM、EEPROM、FLASH、RAM)、光学存储器(例如，CD、DVD、蓝光盘、等等)、磁存储器(例如，硬盘驱动器)等等)中并且被构造为实现通用计算机、专用计算机或者它们组合上的算法的计算机可读指令。例如，诸如处理器的一个或多个计算装置可以执行存储在计算机可读存储器中的程序指令以执行本文公开的过程。硬件可以包括状态机、一个或多个通用计算机和/或一个或多个专用处理器。
尽管某些实施例可以被示出和描述为具有某些示例部件，但是可以使用附加、更少或不同的部件。另外，关于本文讨论的过程，可以以不同顺序执行各种状态，不需要达到所有状态，并且可以使用更少、附加或不同的状态。
条件语言(例如，“能够”、“可以”、“可”)通常意图传递尽管其它实施例没有包括但是一些实施例包括某些特征、元件和/或步骤(除非另外特别陈述或者另外通过使用的上下文进行理解)。因此，这种条件语言通常不会意图暗示：一个或多个实施例以任何方式需要所述特征、元件和/或步骤或者一个或多个实施例需要包括用于通过或不通过用户输入或提示确定是否在任何特定实施例中包括或执行这些特征、元件和/或步骤的逻辑。
本文描述和/或附图中所示的流程图中的任何过程说明、元件或块应该被理解为潜在地表示包括用于实现过程中的特定逻辑功能或步骤的一个或多个可执行指令的代码的模块、区段或部分。本领域技术人员应该明白，实施方式被包括在本文描述的实施例的范围内，可以根据涉及的功能性对元素或功能进行删除。
尽管根据某些优选实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人员清楚的其它实施例(包括没有提供本文阐述的全部特征和优点的实施例)也在本发明的范围内。

Claims (28)

1.一种电子换向电机，包括：
一个或多个电磁体；以及
控制器装置，控制电磁体，所述控制器装置被构造为通过如下操作对期望安装中的电机执行标定操作：
使得电子换向电机斜升到第一期望速度；
监测电子换向电机以确定它是否已经达到第一期望速度；
测量以第一期望速度操作电子换向电机所需的电流，其中，所述电流对应于在期望安装中将电子换向电机保持在第一期望速度所需的扭矩；以及
使用测量的电流设置与第一速度抽头对应的值，
其中，控制器装置被构造为至少在标定操作结束以后使用所设置的值以基本恒定的扭矩模式操作电子换向电机。
2.根据权利要求1所述的电子换向电机，
其中，当测量以第一期望速度操作电子换向电机所需的电流时，电子换向电机以恒定速度模式进行操作，以及
其中，控制装置被构造为随后使用所设置的值以恒定扭矩模式操作电子换向电机。
3.根据权利要求1所述的电子换向电机，其中，第一速度抽头是在标定操作过程中向其供电的电子换向电机的唯一速度抽头，以及
其中，控制器装置还被构造为将针对第二速度抽头的值设置为与第一速度抽头关联的应用额定扭矩的百分比。
4.根据权利要求1所述的电子换向电机，其中，电子换向电机具有额定最大马力，并且其中，控制器装置被构造为至少部分基于测量的电流以小于额定最大马力的马力操作电子换向电机。
5.根据权利要求1所述的电子换向电机，其中，电子换向电机具有额定最大扭矩，并且其中，控制器装置被构造为至少部分基于测量的电流以小于额定最大扭矩的扭矩操作电子换向电机。
6.根据权利要求1所述的电子换向电机，其中，控制器装置被构造为至少部分响应于从温度调节装置接收的命令启动标定，其中，电子换向电机不具有用于启动标定的单独的物理控制。
7.根据权利要求1所述的电子换向电机，其中，控制器装置被构造为通过向第一速度抽头供电启动标定。
8.根据权利要求1所述的电子换向电机，其中，电子换向电机被构造为安装在通风***中以产生气流。
9.根据权利要求1所述的电子换向电机，其中，电子换向电机被构造成固定分相电容器式电机的直接替代品。
10.一种调整电机扭矩的方法，包括：
安装具有第一速度抽头的第一电机；
向第一速度抽头供电；
使得第一速度抽头斜升到第一命令速度并且启动标定过程，所述标定过程包括：
生成足够的电机扭矩以在第一时间段内保持第一命令速度基本恒定；
确定与保持第一电机基本恒定在第一命令速度所需的扭矩对应的值；
存储与保持第一电机基本恒定在第一命令速度所需的扭矩对应的值；以及
基于存储的值以恒定扭矩模式操作第一电机。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，与保持速度基本恒定所需的扭矩对应的值对应于当保持第一电机基本恒定在所述命令速度时用于驱动第一电机的线圈的电流。
12.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括：
设置所述值作为针对第一电机的第一速度抽头的值；
至少基于针对第一速度抽头的值设置针对第一电机的第二速度抽头的值，所述针对第二速度抽头的值对应于保持第一电机基本恒定在第二速度所需的电流。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，响应于温度调节装置设置启动所述标定过程。
14.根据权利要求10所述的方法，所述方法还包括在安装第一电机之前移除第二电机，其中，第一电机用于替换第二电机，并且其中，第一电机是电子换向电机并且第二电机是固定分相电容器式电机，其中，安装第一电机还包括将先前连接到第二电机的端子的所有布线连接到第一电机。
15.根据权利要求10所述的方法，所述方法还包括通过同时向第一电机的至少两个速度抽头施加电压来重设所述值。
16.根据权利要求10所述的方法，其中，第一速度抽头是第一电机的最高速度抽头，其中，第一电机包括多个速度抽头。
17.根据权利要求10所述的方法，其中，第一电机安装在通风***中。
18.根据权利要求10所述的方法，其中，在标定过程中用户对标定过程没有采取任何人工动作。
19.一种被构造为控制电机的操作的控制器，所述控制器包括：
计算装置；
非瞬态存储器，存储程序指令，当所述程序指令由计算装置执行时被构造为执行如下操作，包括：
通过如下操作对针对给定安装的电机进行标定：
至少部分使得所述电机以第一期望速度进行操作；
确定与以第一期望速度操作所述电机所需的扭矩对应的值；
与所述电机的第一速度抽头相关联地存储与以第一期望速度操作所述电机所需的扭矩对应的值；以及
至少在标定结束以后，使用所存储的值以基本恒定的扭矩模式操作所述电机。
20.根据权利要求19所述的控制器，所述操作还包括测量与以第一期望速度操作所述电机所需的扭矩对应的电流，其中，至少部分基于测量的电流值确定所述被确定的值。
21.根据权利要求20所述的控制器，
其中，当测量与以第一期望速度操作所述电机所需的扭矩对应的电流时，所述电机以恒定速度模式进行操作，以及
其中，控制器被构造为随后使用所存储的值以恒定扭矩模式操作所述电机。
22.根据权利要求19所述的控制器，其中，控制器还被构造为通过调整与第一速度抽头关联的应用额定扭矩来设置针对第二速度抽头的值。
23.根据权利要求19所述的控制器，其中，所述电机具有额定最大马力并且其中，控制器被构造为至少部分基于所存储的值在额定最大马力到小于额定最大马力的范围内操作所述电机。
24.根据权利要求19所述的控制器，其中，所述电机具有额定最大扭矩并且其中，控制器被构造为至少部分基于所存储的值以小于额定最大扭矩操作所述电机。
25.根据权利要求19所述的控制器，其中，控制器被构造为至少部分响应于从温度调节装置接收的命令启动所述标定，其中，所述电机没有用于启动所述标定的单独物理控制。
26.根据权利要求19所述的控制器，其中，控制器被构造为通过向第一速度抽头供电启动所述标定。
27.根据权利要求19所述的控制器，其中，控制器集成到所述电机。
28.根据权利要求19所述的控制器，其中，所述电机是电子换向电机。
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