CN1319944A

CN1319944A - 使用按可变定时驱动公式表控制电动机软起动的微处理器

Info

Publication number: CN1319944A
Application number: CN 01112109
Authority: CN
Inventors: 丹·巴特勒
Original assignee: Microchip Technology Inc
Current assignee: Microchip Technology Inc
Priority date: 2000-03-29
Filing date: 2001-03-28
Publication date: 2001-10-31
Also published as: TW522633B; KR20010093758A; EP1139554A3; JP2001298977A; EP1139554A2

Abstract

一种用于电路的改进型限流器,其利用限流器、时钟、存储器和处理器。存储器包含具有沿第一维的时间数据和沿第二维的电流数据的二维表。当接通控制线时,处理器在离散定时过程中从时钟接收定时数据。对每个定时过程,处理器使用二维表查找电流值。然后由处理器向限制流向一电路的电流的限流器施加该电流值。该查找序列可以利用离散定时值、线性内插、曲线拟合内插或其它处理器可以处理的内插技术。该二维表可以从外部源预先加载等。

Description

使用按可变定时驱动公式表控制电动机软起动的微处理器

本发明涉及电动机。具体地说，本发明涉及通过利用微控制器控制电动机的起动电压。

供电***的大部分负载由电动机组成。电动机在家用(空调、吹风机、搅拌机)、商店(工具、风扇)、办公室(打印机、电器设备的冷却风扇)当然还有工厂中，随处可见。虽然有很多种电动机，但至少90％是感应电动机。通常小电动机主要是单相感应电动机。较大的电动机一般是三相感应电动机。

典型的感应电动机具有电压和电流输入、转矩和旋转形式的机械输出以及以热代表的损耗。这样的电动机机械上由不旋转的定子以及可以旋转的转子组成。在转子和定子之间存在一气隙，以便使前者旋转。

转矩形式的电作用力由与磁通反应的电流产生。磁场电路用于产生该磁通。电枢电路用于传送电流。该磁场电路通常具有很多匝传送相对小的电流的导线。该电枢通常只有几匝传送相对大的电流的较粗的导线。根据电动机的类型，该磁场可以位于转子或定子上。电枢总是与该磁场相反。对于感应电动机，该磁场位于定子上而电枢位于转子上。

起动特征

由于电动机直接起动引起大电流，因此必须给供电***施加一些限制来避免扰动。这些扰动不仅引起令人讨厌的灯光闪烁和电视机问题，而且在个别情况下可能引起灵敏继电保护装置动作，或者引起重要机械或医疗设备中断。因此，所有供电管理机构都将起动电流限制在一个最大允许水平，并且所有大管理机构的限制都是以类似的原理计算出来的。该最大电流在供电管理规程中说明。

当从恒频电源运行时，三相感应电动机基本上恒速驱动，该转速在负载转矩从0增加到额定值时，仅仅降低1至5％。在大多数装备中，感应电动机可以通过直接将定子端子连接到电源来起动并提高转速。这就在该电机中建立了旋转磁场。在零速时，这个磁场的速度相对于转子的速度来说较高。如果该转子的电流仅由该转子铜条的电阻进行限制，则该转子电流会很高。但是该起动电流由绕该定子和转子导体的磁场的附加通路进行限制，该附加通路通称为是漏磁通磁路。通常，当全电压起动时，起动电流限制为额定电流的大约4至7倍。起动时的转矩通常在额定值的1.75至2.5的范围内。

如果起动时的定子电流大于供电***所允许的值，则使用降压变压器可以使该电动机按大约70至80％的降压起动。作为替代，该定子绕组可以按Y字形连接来起动，并且当该转速接近额定值时可以转换成三角形。这样的措施本质上降低了起动转矩。起动电流达到75％的降低导致供电电流达到65％降低，而且导致总是提供全电压的起动转矩的56％的降低。

其它电动机起动器在起动阶段中，以与定子每相串联的形式接入电阻或电感器。

保护

由该电机的导体和铁制部件中的电损耗产生的热以及摩擦热，必须通过冷却***去掉以限制电动机的温度。保护设备的主要目的是防止损坏电动机的最贵重部件、绕组上的绝缘材料。对于低功率电动机，热敏的装置经常安装在电动机的内部，并且如果温度达到其限值，则切断电源。对于较大的电动机，热敏探测器可以嵌入到定子绕组的一个或多个位置。

线绕转子感应电动机

一些特殊的感应电动机在该转子中由类似于该定子绕组中绝缘线圈构成。该转子绕组通常为三相型，带有三个连接部分与安装在该转子轴内部上的绝缘导电环(称为滑环)连接。提供碳刷与外部连接。

带三个连接到其滑环的电阻的线绕转子电动机，可以在不超过起动电流的前提下，提供高起动转矩。通过改变电阻，可以对某些例类型的机械负载提供转速控制。但是由于转子电路电阻中的高损耗，除非该转速合理地接近该同步值，否则这样的驱动的效率很低。作为一种替代，可以将电子整流逆变***连接到转子滑环，以吸取出功率并反馈到供电***。通常称为滑差***的这种配置用可以接受的效率提供转速控制。

感应电动机的形成

感应电动机中的转动磁场的形成需要一组在一组定子绕组中流动的具有相位移的电流，其中该组定子绕组围绕定子圆周错位。虽然在具有三相电源的地方很方便，但大多数商业和民用电源是只有主要电压为120或140伏特的单相电源。存在几种可以从这种单相电源产生所需的旋转磁场的方式。

电容式感应电机

这种电动机除了具有互相位移90□的两个绕组之外，类似于三相电动机。一个绕组直接连接到该单相电源。为了起动，另一绕组(通常称为辅助绕组)通过一电容(贮存电荷的装置)连接到同一电源。该电容的作用是在转子处于静止时，使得进入第二组绕组的电流超前第一组绕组中的电流接近90□或四分之一周期。

当电动机转速达到其额定值时，就不再需要激励辅助绕组来维持该旋转磁场。当鼠笼式转子铜条穿过绕组a-a’时在它们中产生的电流，当它们旋转通过第二组绕组时以可以忽略的变化保持。该转子可以连续生成仅仅匝连第一组绕组的旋转磁场。第二组绕组通常由离心开关切断，其中的离心开关在转速为额定值的大约80％时处于开启状态。

由于在起动时按照其它条件产生的对在电源线路的电压降方面的限制，关于这些电容起动感应电动机的额定功率，对120伏特的电源来说通常限制在两千瓦，对230伏特的电源来说通常限制在10千瓦。对于四和六极电动机来说，关于60赫兹的电源的同步转速的典型值分别是每分钟1,800或1,200转。可以用更多磁极来构造低转速电动机，但不常用。

通过利用两个电容电动机的效率可以稍微增加，并且可以稍微降低线电流，其中的两个电容中只有一个当接近额定转速时与该电路断开(借助离心开关)。余下的电容继续提供接近两相的电源的超前电流。这种配置被称为电容起动和运转电动机。电容感应电动机广泛用于需要起动转矩的重负载应用。例如空调压缩机、水泵和传送装置。

分相电动机

提供用于起动的旋转磁场的另一种方式是使用两个定子绕组，在这种情况下，辅助绕组有多匝较小的导体构成，使得其阻抗比第一绕组的阻抗大很多。其作用是第二相中的电流超前第一相中的电流，但在静止状态时只有大约2 0-30度。虽然该磁场具有很大的脉动，但它包含足够的旋转分量来提供1.5至2.0倍于额定值的起动转矩。为了防止过热，当转速达到额定值的75-80％时由离心开关切断辅助绕组。这些分相电动机生产成本低廉，和安装在很多家庭用具中。在像象家用洗衣机这样的、需要一个以上的稳定转速用具情况下，该电动机可以按两对交替磁极卷绕，其一用于低速而另一个用于高速。

罩磁极式电动机

罩磁极式电动机装有一连接到单相电源的主绕组。此外，它具有一个定位在旋转方向上的主绕组之前的永久性短路绕组。这种第二绕组被称为罩磁极线圈并由一个或多个短路的匝组成。该罩磁极线圈在围绕并因此在静止时产生旋转磁场的一个小部分的区域中，延迟磁通的建立。

该起动转矩较小，一般只有额定值的30至50％。因此，该电动机只适合于诸如电风扇之类的、在低转速时转矩较低并且随转速而增加的机械负载。

由于永久性短路绕组中的损耗，罩磁极式电动机效率低。因此，它们仅仅在效率与最初成本比起来显得微不足道的情况下，用在小额定功率中。在较大的装置中一般的效率可高到30％，而在非常小的装置中小于5％。它们主要用于电风扇和其它小型家庭用具。

伺服电动机

伺服电动机是具有两个围绕其圆周互相位移90□的定子绕组的小型感应电动机。该转子通常是鼠笼式的，但是用相对高的电阻导体制成的。该电动机的目的是在运行的任何一个方向中提供受控制的转矩。为了达到这一目的，将一绕组连接单相恒频电源。另一绕组提供同一频率但相位移90□的电压。这种电压通常由电子放大器按照低功率信号输入提供。该电动机转矩接近与该第二绕组上的电压成比例，和因此与所输入的信号成比例。该转矩的方向可以通过将该输入信号从超前90□改变成滞后90□来倒转。

对于某些伺服电动机，转子由装配在定子和固定铁心之间的气隙中的铝罩组成。这种转子具有较低的惯量并且能够高速度加速。由于其高损耗和低效率，伺服电动机只能按小额定功率制造。他们用在位置控制***中。

直线感应电动机

直线感应电动机提供直线作用力，而不提供旋转转矩。

直线感应电动机的形状和运行可以通过在旋转的感应电机中产生一个径向切口并且将其展平来观察。结果是一个铁心迭片结构的平的“定子”或上半部分，该铁心迭片结构带有含垂直于运动方向的导体的三相、多极绕组。该“转子”或下半部分可以由成层的叠片铁芯和鼠笼绕组组成，不过更经常由放在实芯或叠片铁芯底座上的连续的铜片或铝片组成。

直线感应电动机的新兴应用是用于公共运输的高速交通工具。定子携带在交通工具的下面(如上所述)，而转子定位在轨道上的铁轨之间。这种推进器的优点是在出现雨、冰和陡坡时，能够再不依赖于钢轮对钢轨的附着力的情况下，获得高加速度和制动。

通过滑动连接到通电铁轨或架空导线给这种高速交通工具供给电力。为了提供转速控制和制动，交通工具上的电功率调节器产生所需电压和频率的三相输出。

在另一个用于交通工具的推进器配置中，铜或铁片可以放在该交通工具的下面，并且定子部分可以放在沿着轨道的间隔上。其优点是不需要给交通工具本身提供电力。

直线感应电动机也用于驱动传送装置、滑动门、织布梭和机床。它们的优点是不需要形体接触，因此将磨损和维护最小化。在另一形式中，直线感应电动机在转子由注入液态金属(例如，钠钾合金-水银)这样的导电流体组成的情况下，用作电磁泵。

由于末端效应，直线感应电动机的效率稍微小于旋转电动机的效率。当其“转子”行进到“定子”之下时，它必定被激磁。这就降低了前面一个或两个磁极杆挡的有效性。因为该气隙通常大于旋转电机的气隙并且需要更多的电流来产生穿过它的磁场，因此输入电流也相对地高。

用于转速和位置控制的感应电动机

在恒频电源的情况下，感应电动机基本上是近似恒转速驱动。但是感应电动机通过供应可控电压、可控频率的三相电源，可以用于在任何旋转方向提供精确的转速和位置控制。

使用半导体开关(例如晶体管或半导体闸流管)，公用电源被转换成一组可控制电压和频率的三个近似正弦波输入，提供给定子绕组。对于每秒f周期的受控频率，该电动机的转速会达到每分钟120f/p转的同步值。从相序abc到acb的反转反转了该转矩的方向。为了精确控制转速或位置，该轴的转速可以由一转速计或位置探测器监测，并与代表所需值的信号比较。其差用于控制逆变器频率。一般来说，该电压直接与该频率一起变化以保持该磁场幅度恒定。

同步电动机

这样的电动机其中转子通常以与电机中的旋转磁场同样的转速旋转。该定子类似于由带有通常为三相的绕组、定位于围绕内圆周的槽中的圆柱型铁结构体组成的感应电机的定子。在转子方面的差别是，通常包含通过滑环或其它装置连接到直流电源的绝缘绕组。

通过将定子绕组看成连接到三相交流电源可以理解同步电动机的运行原理。对f赫兹的频率和p磁极，该定子电流的作用是建立以每秒120f/p转的旋转磁场。该绕转子的p-磁极绕组中的直流电也会产生以转子的转速旋转的磁场。这两个磁场趋于相互对准。在没有负载转矩时，可以假设它们处于对准状态。当施加机械负载时，该转子相对于该定子的旋转磁场向后滑很多度，形成转矩并继续由该旋转磁场环绕拖动。当负载增加时，这些磁场之间的角度增加。当该转子磁场滞后该定子磁场的角度为90□时，对于给定的定子和转子电流可达到最大转矩。施加更多负载转矩会使该电动机停转。

同步电动机的一个优点是该电机的磁场可以由该磁场绕组中的直流电产生，因此该定子绕组仅需要提供与所施加的定子电压同相的电流的功率分量——即该电动机可以以单位功率因数运行，这种条件最小化了定子绕组中的损耗和发热。

定子的电力输入的功率因数可以通过调整该励磁电流直接控制。如果该励磁电流增加超过需要提供给该磁场的值，则该定子电流改变成包括用来补偿这种过激磁的分量。该结果会是总定子电流超前同相定子电压，因此提供激磁其它设备例如变压器和感应电动机所需要的供电***无功伏安。以这种超前功率因数运行大型同步电动机，可能是在制造厂中提高电力负载的总功率因数、以避免增加针对低功率因数负载收取的供电费用的有效途径。

三相同步电动机在通常超过300千瓦的大型的、相当稳定的机械负载的工业场所中，以及运行在超前功率因数下的能力是有价值的工业场所中，寻求它们的主要应用。在这种功率水准之下，同步电机一般比感应电机贵。在某些情况下，安装同步电机的目的只是为了提高总工厂功率因数。在这种情况下，因为它提供和并联供电线路连接的电容同样的功率因数补偿，所以它被称为同步电容。

该励磁电流可以从外部控制的整流器通过滑环供给，或者，在大型电动机中，这也可以由带有旋转变压器或发电器的装轴整流器提供。

仅仅带有通过直流电的磁场绕组同步电动机不会自起动。在非同步转速的任何转速情况下，当旋转磁场重复穿过慢较运动的转子的时，其转子将会受到零平均值的振荡转矩。类似于感应电动机的短路绕组的短路绕组通常添加到该转子上来提供起动转矩。该转子以全定子电压或降电压起动，并且通常利用以短路来防止过高感应电压的磁场绕组、将电动机提速到同步转速的大约95％。然后施加该励磁电流并且将该转子与该旋转磁场牵入同步。

由于当处于同步时，减弱由转子上的负载的突变可能引起的任何振荡的附加性能，这种附加的转子绕组通常称为阻尼绕组。对负载变化的调整涉及该转子磁场滞后定子磁场的角度的变化，并因此涉及瞬时转速的短期变化。这些变化在阻尼绕组中引起感应电流，产生用来对抗该转速变化的转矩。

用于同步电动机的保护类似于大型感应电动机所采用的保护措施。定子和转子中的温度都可以进行检测，并用于切断电源。在起动期间转子阻尼绕组中发生相当多的热，并且时常安装一个定时器来防止在限定的时间段内重复起动。

永磁电动机

用于同步电机的磁场可以利用永久磁场而不是磁场绕组来提供。这消除了对滑环和励磁电流的外部电源的需要，并提供—简单凸极的转子。但是该电动机没有控制该定子的功率因数的装置。

该转子可以是具有由钕硼铁、钐钴或铁氧体制成的径向定向磁铁结构。如果该电机不包含阻尼绕组，则不能在恒频电源下起动。这种类型的电动机的主要应用是在转速可变的驱动器中，在其中定子由变频、变压电源供电。在需要起动能力的情况下，该磁铁嵌入到转子铁芯中，并且将阻尼绕组放在该转子表面的槽中。

永磁电动机的另一种形式是8极同步电动机。切向取向的磁铁给铁磁极提供磁通，它又在该气隙中建立径向磁场。这种形式特别适合使用铁氧体磁铁的小型电动机。

磁滞电动机

同步电动机的显著特征是转速与电源频率唯一相关。因此，已经在诸如时钟、磁带记录器和照相机之类的装置中，寻求几种特殊同步电动机的广泛应用。使用最广泛的一种是磁滞电动机，在这种电动机中，转子由象高碳钢一样的非永磁材料的环组成。在全转速时，电动机像永磁电动机那样运行。如果通过将转子脱离同步来降低该转速，则定子磁场引起转子材料在其磁滞回线周围被周期性地磁化，导致转子磁场滞后定子磁场几度并继续产生转矩。这些电动机提供良好的起动转矩，并非常平静。它们的效率低下并且其应用限制在小额定功率情况下。

磁阻电动机

这种电机按这样的原理运行，即生成作用力的意图是将在形成磁场的铁芯***中的任何气隙的容积最小化。通常，这种转子由不带任何电气绕组的四个铁磁极组成。定子具有每磁极都带有带导线圈的六磁极。在图中代表的状态中，电流仅仅穿过第一组线圈，在将与关联于该第一组线圈的定子的那些磁极对准的磁极中的两个转子上产生转矩。现在切断在第一组线圈中的电流，接通第二组线圈。这在将与关联于该第一组线圈的定子磁极对准的两个转子磁极的转子上产生反时针方向的转矩。然后对关联于第三组线圈的定子并接着对第一组线圈重复这种过程。该转矩依赖于该线圈中的电流的幅度，而与其磁极性无关。该旋转方向可以通过改变给这些线圈供电的顺序来改变。

定子线圈中的电流通常由将该线圈连接到直流电源的半导体开关进行控制。来自装在电动机轴上的位置检测器的信号用于在适当的瞬间触发起动该开关。

时常采用基于霍尔效应的检测器。(霍尔效应涉及到当半导体材料传输电流并且放在垂直于该电流的磁场中时，半导体材料中的横向电场的形成。)总***称为自同步电动机驱动器。它可以在很广并且受控的转速范围内运行。

对于磁阻电动机，有几种别的结构。一种是转子由带有将其贯穿的径向切口或槽的铁环组成。P-磁极转子具有p个扇形部分或弧形部分。磁通围绕该转子的环的弧形部分切向穿过，构成相邻定子磁极之间的通路。

另一种结构是转子具有凸磁极但没有磁场绕阻。定子是圆柱形的，并且包含连接到恒频电源的三相绕组。在转子表面安装一阻尼绕组，使得该电机能够象感应电动机那样起动。在转子与定子的旋转磁场牵入同步之后，它象恒转速同步电动机那样运行。

单相同步电动机

在同步电动机中，旋转磁场可以通过利用对于单相感应电动机那样的方法由单相电源产生。按照主定子绕组直接连接到电源，辅助绕组可以通过电容进行连接。另外，可以采用高电阻的辅助绕组。对于小型时钟电动机，定子的罩磁极结构广泛地和磁阻型转子(参看上文)组合使用。这些电动机的效率低，通常低于2％，但价格也低。

直流整流子电动机

在DC电动机的基本形式中，穿过转子的恒定磁场由定子上的磁极产生。这些磁极可以由通过直流电的磁场线圈围绕。该转子或电枢由带有容纳在槽中的线圈的铁心组成。该线圈的末端连接到安装在该转子轴上的换向开关的铜条。固定的石墨电刷引向外部端子。

假设直流电源连接到电枢端子，使得电流在正端输入。这一电流与该磁通相互作用以产生反时针转矩，而该转矩加速转子。当转子转动约120□时，从电源到电枢线圈的连接由换向器倒转。电枢线圈中的新的电流方向使得连续产生反时针转矩。因为该转子在反时针方向旋转，所以在该电枢线圈中生成与该转速成比例的电压。虽然这种线圈电压是交流的，但换向器的作用以所示的极性，在电动机的接线端上产生一单向换向电压。电输入功率将是这个端电压和输入电流的乘积。机械输出功率将是转子转矩和转速的乘积。

在实际的DC电动机中，电枢绕组由多个位于槽中的线圈组成，对于p磁极，每个跨越转子圆周的1/p。在小型电动机中，线圈的数量可以低到六个，而在大型电动机中可以达到300个。这些线圈全部为串联连接，并且每个接头都连接到换向片。如果电流在正极电刷处进入，则线圈电流具有示出的方向。磁极下的全部线圈都产生转矩。

诸如使用在汽车风扇中那样的、典型的小型风扇包含由铁氧体永磁材料构成的两个磁极。当需要更高的转矩时，就象在汽车起动电动机中的那种，它可以采用诸如钕铁硼之类的强磁铁。当这种电动机的连接端连接到诸如电池这样的恒直流电源时，初始电流仅仅受到电枢绕组和电刷的电阻的限制。同将该电流与该磁场交互作用产生的转矩加速该转子。在该绕组中生成与转速成比例的电压。该电压与电源电压相反，因此减低了电流和转矩。由于没有机械负载，生成的电压会升高到接近等于电源电压，使得刚好足够的电流来克服摩擦转矩。负载转矩的施加减慢了转子，降低了所生成的电压，增加了电流并且产生匹配该负载转矩的转矩。

对于大型的电机，该电枢绕组的电阻太低，以至于不能将起动时的电流限制到可以由换向器切换的值。这些电动机通常利用串联连接到电枢电源的电阻起动。这种电阻一般随转速增加逐级降低。

有些永磁整流子电动机类型在连到恒压电源时，对转速控制没有任何规定。如果想要进行转速调整，可以用带有磁场线圈的铁芯磁极替代永磁磁场。这些线圈，就电枢而言可以从同一电源供电，或者从不同的电源供电。可以使用一个可变的串联电阻来调整该励磁电流。对于最大励磁电流因而也是最大磁通，在无负载转速的最小值处生成的电压将等于电源电压。当添加负载时，转速将稍微降低，并且电枢电流将增加以产生所需要的转矩。如果该励磁电流降低，通过降低磁通，电动机将不得不转的更快，以生成同样的电压。该无负载转速将增加。对于给定的额定的电枢电流，可利用的转矩将由于该磁通的减少而降低。但是该电动机在更高转速和更低的转矩下，将能够提供同样的机械功率。

具有可调的励磁电流的整流子电动机称为并激电动机或它激电动机。可用的转速范围通常为小于2比1，但特殊的电动机可以提供达10比1的转速范围。

整流子电动机的另一种形式是具有相对较少的匝数的磁场线圈具有与电枢同样电流的串激电动机。由于电流高，所以磁通高，使得转矩高、转速低。当电流降低时，转矩也降低但转速增加。在过去，这样的电动机广泛用于电气运输工具，诸如地铁列车和铲车。

大型DC电动机通常具有四个或更多个磁极，用以减少在定子磁轭中所需的铁芯的厚度，以及减少电枢线圈的端连接部分的长度。这些电动机还可以具有放在主磁极之间的辅助小磁极或极间极，并且具有通入电源电流的线圈。这些磁极的位置使在其由换向器短路时，在每个电枢线圈中生成小电压。这有助于该线圈中的电流快速反向，并防止换向器发生火花。

DC整流子电动机已经广泛用于炼钢厂、纸厂、电机人和机床这些需要精确控制转速或转速反向或其两者的地方。该磁场从通常带有恒励磁电流的单独的电源或永久磁铁提供。该电枢从一可控电压源供电。该转速与电源电压接近成比例。电枢电源电压以可控的速率的反向使该电动机反转。

交流整流子电动机

特殊设计的串激电动机可以利用单向交流电源运行。当电源电流反向时，磁场和电枢电流都反向。因此，转矩保持于同一方向。因为这些电动机既可以使用直流电压源又可以使用60赫兹交流电源，所以将它们称为交直流两用电动机。它们像搅拌器、便携工具和吸尘器那样的小型家用设备中有广泛应用。

虽然某些起动电流限制方法是常用的，但它们不是特别灵活。因此，在技术上存在对调节电动机的启动电流的辅助方法的需要。本发明的一个目的是提供调节电动机的启动电流的独特而通用的设备和方法。

本发明通过提供一用于调节或者限制流向电路或诸如电动机之类的装置的电流量值的处理器和存储器，来克服现有技术中固有的问题。在本发明的一个优选实施例中，包括具有一预先加载的电流值序列的一维表。有内部时钟或外设提供的***时间用作对该一维表的索引(index)，以便从该表中检索所要的电流值。然后将该电流值施加到所述的电路，用以将所关注电流限制在那个电流值。

在本发明的一个替代实施例中，在存储器中的一个二维表内预先加载一时间值(在一列中)和电流值(在另一列中)序列。当对通电条件进行初始化时，该处理器接收来自时钟的时间输入。在一个实施例中，该时钟和微处理器一起存在于一集成电路芯片中。在一个替代实施例中，***时钟用于将时间值输入到该处理器。在任何情况下，该处理器利用该时钟的时间值和该两维阵列中的数据确定是否计算限流值。然后将该限流值由该处理器施加到诸如FET开关(DC)或三端双向可控硅开关控制器(AC)这样的限流器，以便限制正流入该电路的电流。重复从时钟获得新的时间值和施加对应的新电流的过程，一般直到达到稳态电流为止。本发明特别适合限制电动机的起动电流，但也可以用于其它应用。

在一个实施例中，时钟时间值被四舍五入(向上或向下)成最接近的离散时间值并用作列入该表的偏移，以便检索该电流值并将器施加到限流器。

在一替代实施例中，该时钟时间值被利用到一内插程序中，以便为特定吻合的时钟时间值计算电流值。该插值程序可以是线性内插、曲线拟合、彷样拟合或现有技术已知的其它任何内插程序。利用预先确定在的二维表大大增加了该处理器的响应性，这减轻了计算RL或RC电路的一阶瞬态响应的类型对数值。不像本发明，现有技术方案的实时对数计算需要大量编码以及具有对应的响应性和性能的相当可观的处理能力。

从结合附图为公开的目的而给出的发明的本优选实施例的下述说明，将明白其它和进一步目的、特征和优点。

图1是示出作为时间的函数的电流限制的曲线图；

图2是本发明的电流控制器的电路图；

图3是描述本发明的替代实施例的运行流程图；

图4是本发明的计算机结构的示意图；

图5是在本发明的替代实施例的表生成之前，该表的存储器示意图；

图6是在本发明的替代实施例的表生成之后，该表的存储器示意图；

图7是描述本发明的优选实施例的运行流程图；

图8示出了一个根据本发明的优选实施例的一维表。

本发明既可以应用于直流(DC)电路也可以应用与交流(AC)电路。本发明特别适合于限制例如电动机的起动电流。

现在转向附图，图1示出了所需的RC(电阻/电容)电路的典型响应，它一般根据以下公式产生：

I = 1 - \frac{t}{e^{rc}}

其中I为电流，t为时间的瞬间，r为电阻并且c所述电路的电容量。

在现有技术中，起动信号和稳态值之间的任何给定时间瞬间的限流只由处理器计算。这种计算需要大量编码，因而需要相当可观的处理其运行周期。事实上，这需要更快更昂贵的处理器才能胜任的高处理器能力。本发明不实时地计算该公式，而是需要建立一个代表在0和255之间的时间值的公式的、预先分别计算好的表，其中的时间值通常分别归一化为0和100。本发明不改变RC来将该时间变成100％，而是让该表步进的速率改变该起动特性。因此，本发明与需要实时计算的现有技术装置相比，允许利用较小能力的微处理器。

图2示出了正在运行的本发明的一般配置。电路10由连接到时钟22的微处理***20组成。在本发明的一替代实施例中，时钟22可以集成到微处理***20。电源28通过输入线路30和32给电路10供电。电路10配有输出线路40和42，该输出线路将这种情况下为电动机18的主负载连接到该电路的其余部分。限流器26用于限制施加到电动机18的电流。该限流器26由微处理***20控制。电压调节器23将***电压转换成适合于微处理器20的数值。位于电压调节器23和微处理器20之间的控制线24用于起动微处理器20。

微处理器20的具体元件图解在图4中。如图4所示，该微处理器由处理器21和存储器23组成。与图2一致，时钟22连接到微处理***20，具体地说连接到处理器21。处理器21也配有从控制线24(图2的)输入的输入线25，以及连接到限流器26(也图示在图2中)的限流器信号线27。

在本发明的优选实施例中，图4的存储器23包含一个一维表。图8示出了具有一系列电流值802的一维表800。时间值从这一系列电流值802推断出来。从时钟22获得的时间值用作列入存储器23的一维表的偏移，以便从该表返回将要施加到图2的限流器26的特定电流值802。

图7图解了本发明的优选实施例的运行。参考图7，处理开始于步骤700。在步骤702，对时钟的脉冲或信号，将时间索引(time index)设定到零(0)。虽然在本优选实施例不需要时钟输入信号，但可以想象，时钟和时间索引以某种方式同步。接下来在步骤704中，将时间索引的值与该表的容量比较。如果该时间索引大于该一维表中的电流值数目，则在步骤712中将电流值设定到全导通(full on)，并在步骤714中结束该操作。否则，执行步骤706，在其中该时间索引值用作从该一维表中查找对应的电流值的偏移。所找到的电流值施加到该电路。然后，在步骤708中，延迟一周期。该延迟周期可以用一现有技术熟知的简单设计电路实现，也可以用软件实现。然后在步骤710中将该时间索引值递增。如同该延迟一样(步骤708)，该时间索引增量的设计既可以用一简单电路实现，也可以用软件实现。此外，本领域的普通技术人员可以明白，该一维表中的电流值序列可以反向，并且步骤710可以是一个递减步骤，以便获得同样的结果。一旦步骤710结束，则返回步骤704执行，以为下一次处理做准备。应该注意到，(时间索引)增量值和延迟时间(步骤708)一起控制电动机或其它连接到所述电路上的装置的变化斜率(ramprate)。

在本发明的替代实施例中，图4的存储器23包含一个两维表。该两维表的第一维(列)包含时间值，而第二维(列)包含对应的限流值。表1示出了根据本发明的优选实施例的典型的两维表。具体地说，按照描述所述电路10的所希望的限流特性的时间与电流的格式安排，该表的左边的列包含时间值，而右边列包含对应于相邻的时间值的电流值。

表1

时间值	电流值
时间值	电流值	0	5
1	9	0	5
1	9	2	13
3	17	2	13

4	21
4	21	5	25
6	28	5	25
6	28	7	32
8	35	7	32
8	35	9	38
…	…	9	38
…	…	96	96
97	97	96	96
97	97	98	98
99	99	98	98
99	99	100	100

本领域的普通技术人员会理解，图解在表1中的表可以在存储器23内以很多种便于由处理器21存取和检索的存储在存储器23中二维数据的方式存储。例如，该二维阵列可以存储在一系列堆栈、缓冲器、寄存器或其它熟知的存储数据序列的***中。本发明的运行不依赖于存储机理的任何具体类型。本发明只需要构成该二维阵列的数据可以由处理器21按时间方式存取即可。

图4的存储器23还可以包含具有多于二维(即n维)的表。至少一维(列)保存时间值，而剩下的维包含对应的限流值。这些维保存预先加载的各种不同组的限流值或时间值。处理器21可以选择无论哪组限流值或时间值来确定在任何特定时间，施加到电路10的特定电流值。表2示出了n维表的一个实例。

表2

时间值	电流值(1)	电流值(n-1)	电流值(n)
时间值	电流值(1)	电流值(n-1)	电流值(n)	0	5	…	2
1	9	…	6	0	5	…	2
1	9	…	6	2	13	…	10
3	17	…	14	2	13	…	10

4	21	…	18
4	21	…	18	5	25	…	22
6	28	…	26	5	25	…	22
6	28	…	26	7	32	…	30
…	…	…	…	7	32	…	30
…	…	…	…	99	99	…	99
100	100	…	100	99	99	…	99

多维表的效用是可以预先选定限流值列之一，以便提供具体的软起动特性。在其它情况，可以选择其它限流值列之一来给该电路提供替代起动特性。特定限流值列的预选可以是固定的，也可以由软件或用户操纵的开关设定。多个时间和/或限流值列为电路提供各种起动特性。在本发明的替代实施例中，预先加载一系列限流值到非易失性存储器构成的存储器23。

替代预先加载的如表1和2所述的表，处理器21能从存储器23中的预先加载的电阻和电容量生成该表。一旦该表生成，则所算出的值存储到存储器23中便于以后检索，而在存储器23中不存在任何便于以后软起动的公式的实时计算。图5示出了在处理器21生成该表之前，该存储器的分配。电容寄存器234和电阻寄存器236保存预先加载的值。偏移寄存器230用作适用于包含于存储器23的表中的时间和电流值的指针。剩余的寄存器238和240在各对应时间和电流值计算出来或加载之前，初始化成空的。图6图解了该表生成之后的存储器分配。寄存器238填上所生成的时间值。寄存器240填上限流值。结果，建立了一个包含为该电路软起动而预先计算出来的时间和电流值的表。

如果电源28是AC电源，则限流器26可以是三端双向可控硅开关控制器或类似或等效AC限流器。如果电源28是DC电源，则限流器26可以是FET开关(功率FET)(通过式晶体管(pass trasister)的另一种类型)，或类似或等效的DC限流器。限流器的具体类型对于本发明来说不是关键的。本发明的限流其可以是具有根据微处理***20的存储器23内所含的电流特性，限制输入到电路10的电流能力的任何限流器。

本发明的方法图解载图3的流程图中。如图3所示，该处理开始于步骤100。在步骤102中，通常通过闭合控制线24(如图2)接收信号以便给该电路供电(例如起动电动机)。接下来载步骤104中，微处理***20从时钟22接收时间值。在收到该时间值之后，存取该两维表来检索相关数据，以便为那个实例载由时钟22指定的时间瞬间确定限流值。本发明可以利用多种算法确定或者计算要被施加到限流器26的限流值。在本发明的一个优选实施力中，从时钟22收到的时间值四舍五入到对应于该二维表的第一维中、最接近特定值的一离散时间值(步骤106和114)。在替代实施例中，通过检索该时间值(从该二维表的第一维中)和对应的两个电流值而计算出线性内插限流值，并将它们用于如下公式：

I_{L} = \frac{(t - t_{1}) * (i_{2} - i_{1})}{t_{2} - t_{1}} + i_{1}

其中t₁和t₂对应于该二维表的第一维中最接近于从时钟22接收到的时间值t的两个时间值，i₁和i₂分别是该二维表中对应于t₁和t₂的电流值，以便计算所返回的限流值I_L。

另外，诸如仿样拟合内插、Aitken内插、Bessel内插公式、Everrett内插、外推法、有限差分、Gauss内插公式、Hermite内插、Lagrange内插多项式、Newton-Cotes公式、Newton均差内插公式、Osculating内插、Thiele内插公式以及其它现有技术所熟知的插值算法那样的曲线拟合内插，都可以用于本发明(步骤110)。

在各种情况下，只要返回限流值，那么在图3的步骤116中，那个限流值将由处理器20施加到限流器26。在步骤118中，进行检查以确定当前由时钟22所收到的时间值是否对应于包含在存储器23内的该二维表中的稳态时间值，即该时钟值是否对应于该二维时间表的最后(最高的)时间值。如果为真，则在步骤120中结束处理。否则，从时钟22中接收一个新时间值，并且在图3的步骤104该操作重复开始。

因此本发明适合于实现该目的并达到所述的目标和优点，以及其它固有的益处。虽然本发明是参考本发明的特殊优选实施例说明、描述和限定的，但这些参照物不意味着对本发明的限制，并且不将推断出任何这样的限制。本领域的普通技术人员将会认识到，本发明能够在形式和/或功能上有很多修改、替代、变化和等效。所说明和描述的本发明的优选实施例仅仅是一个示例，不是本发明的范围的详细叙述。因此，本发明仅仅由附属的权利要求书的构思和范围限定，该权利要求书给出在对各方面等效的完整的判别。

Claims

1．一种控制流向电路的电流的数据处理器控制***，所述控制***包括：

(a)限流器，所述限流器构造和配置成调节流向所述电路的所述电流；

(b)时钟，所述时钟构造和配置成提供时间指示值；

(c)存储器，所述存储器构造和配置成存储一个二维表的值，所述表具有包含定时值的第一维和包含电流值的第二维；以及

(d)处理器，所述处理器构造和配置成控制所述限流器，所述处理器还构造和配置成存取所述存储器中的所述二维表并从所述时钟接收所述时间指示值；

其中所述处理器从所述二维表查找作为来自所述时钟的所述时间指示值的函数的限流值，以便限制流向所述电路的输入电流。

2．如权利要求1中所述的控制***，其中所述二维表从外部源预先加载。

3．如权利要求1中所述的控制***，其中所述二维表从所述处理器预先加载。

4．如权利要求1中所述的控制***，其中所述限流器为磁场效应晶体管开关。

5．如权利要求1中所述的控制***，其中所述限流器为通过式晶体管。

6．如权利要求1中所述的控制***，其中所述限流器为三端双向可控硅开关控制器。

7．一种控制流向电路的电流的方法，所述方法包括步骤：

(a)接收一信号以向一电路施加电流；

(b)从时钟接收时间值；

(c)用处理器和来自所述时钟的所述时间值、从存储器中的二维表确定电流值；以及

(d)根据所述电路值限制流向所述电路的所述电流。

8．如权利要求7所述的方法，其中所述确定步骤包括下列步骤：

(c1)将来自所述时钟的的所述时间值四舍五入成所述二维表中的离散时间值，以形成一经过了四舍五入的时间值；以及

(c2)在所述二维表中查找所述经过了四舍五入的时间值并返回相应的时间值。

9．如权利要求7所述的方法，其中所述确定步骤包括下列步骤：

(c1)连同来自所述二维表的两相邻时间值和对应的电流值，使用来自所述时钟的所述时间值，用所述处理器线性地内插一电流值；以及

(c2)返回所述内插所得的电流值。

10．如权利要求7所述的方法，其中所述确定步骤包括下列步骤：

(c1)连同来自所述二维表的两相邻时间值和对应的电流值一起、使用来自所述时钟的所述时间值，用所述处理器曲线拟合内插一电流值；以及

(c2)返回所述内插所得的电流值。

11．一种控制流向电路的电流的方法，所述方法包括步骤：

(a)接收一信号以向电路施加特定电流；

(b)从时钟接收时间值；

(c)用处理器和来自所述时钟的所述时间值、从存储器中的三或更多维表确定电流值；以及

(d)根据所述电路值限制流向所述电路的所述电流。

12．如权利要求11所述的方法，其中所述确定步骤包括下列步骤：

(c1)将来自所述时钟的的所述时间值四舍五入成所述三或更多维表中的离散时间值，以形成一经过了四舍五入的时间值；以及

(c2)在所述三或更多维表的预选列中查找所述经过了四舍五入的时间值。

13．如权利要求11所述的方法，其中所述确定步骤包括下列步骤：

(c1)连同来自所述三或更多维表的预选列的两相邻时间值和对应的电流值一起、使用来自所述时钟的所述时间值，用所述处理器线性地内插一电流值；以及

(c2)返回所述内插所得的电流值。

14．如权利要求11所述的方法，其中所述确定步骤包括下列步骤：

(c1)连同来自所述三或更多维表的预选列的两相邻时间值和对应的电流值一起、使用来自所述时钟的所述时间值，用所述处理器曲线拟合内插一电流值；以及

(c2)返回所述内插所得的电流值。

15．一种控制流向电路的电流的数据处理器控制***，所述控制***包括：

限流器，所述限流器构造和配置成调节流向所述电路的所述电流；

时钟，所述时钟构造和配置成提供时间指示值；

存储器，所述存储器构造和配置成存储一表的值，所述表具有至少两个包含定时值的维和至少两个包含电流值的维；以及

处理器，所述处理器构造和配置成控制所述限流器，所述处理器还构造和配置成存取所述存储器中的所述表并从所述时钟接收所述时间指示值；

其中所述处理器从所述表查找作为来自所述时钟的所述时间指示值的函数的限流值，以便限制流向所述电路的输入电流。

16．如权利要求15中所述的控制***，其中所述表具有三或更多维，这些维构成为从外部源预先加载的阵列。

17．如权利要求15中所述的控制***，其中所述表具有三或更多维，这些维构成为从所述处理器预先计算得出的阵列。

18．如权利要求15中所述的控制***，其中所述限流器为磁场效应晶体管开关。

19．如权利要求15中所述的控制***，其中所述限流器为通过式晶体管。

20．如权利要求15中所述的控制***，其中所述限流器为三端双向可控硅开关控制器。

21．一种控制流向电路的电流的数据处理器控制***，所述控制***包括：

时钟，所述时钟构造和配置成提供时间指示值给所述处理器；以及

存储器，所述存储器构造和配置成存储一表的值，所述表具有包含定时值的第一维和至少附加的维，所述附加维包含限流值；

22．如权利要求21中所述的控制***，其中所述多维表从外部源预先加载。

23．如权利要求21中所述的控制***，其中所述多维表从所述处理器预先加载。

24．如权利要求21中所述的控制***，其中所述限流器为磁场效应晶体管开关。

25．如权利要求21中所述的控制***，其中所述限流器为通过式晶体管。

26．如权利要求21中所述的控制***，其中所述限流器为三端双向可控硅开关控制器。

27．一种控制流向电路的电流的数据处理器控制***，所述控制***包括：

时钟，所述时钟构造和配置成提供时间指示值给所述处理器；

存储器，所述存储器构造和配置成存储一表的值，所述表具有至少两个包含定时值的维和一个包含电流值的维；以及

28．如权利要求27中所述的控制***，其中所述多维表从外部源预先加载。

29．如权利要求27中所述的控制***，其中所述多维表从所述处理器预先加载。

30．如权利要求27中所述的控制***，其中所述限流器为磁场效应晶体管开关。

31．如权利要求27中所述的控制***，其中所述限流器为通过式晶体管。

32．如权利要求27中所述的控制***，其中所述限流器为三端双向可控硅开关控制器。

33．如权利要求1中所述的控制***，其中所述存储器为非易失性存储器。

34．一种控制流向电路的电流的数据处理器控制***，所述控制***包括：

时间索引；

存储器，所述存储器构造和配置成存储一个一维表的电流值；以及

处理器，所述处理器构造和配置成控制所述限流器，所述处理器还构造和配置成存取所述存储器中的所述一维表；

其中所述处理器使用所述时间索引来从所述一维表查找限流值，并将所述限流值施加到所述限流器，以便限制流向所述电路的输入电流。

35．如权利要求34中所述的控制***，其中所述一维表从外部源预先加载。

36．如权利要求34中所述的控制***，其中所述一维表从所述处理器预先加载。

37．如权利要求34中所述的控制***，其中所述限流器为磁场效应晶体管开关。

38．如权利要求34中所述的控制***，其中所述限流器为通过式晶体管。

39．如权利要求34中所述的控制***，其中所述限流器为三端双向可控硅开关控制器。

40．如权利要求34中所述的控制***，还包括延迟，所述延迟与所述时间索引结合使用以控制所述流向所述电路的电流的变化斜率。

41．一种控制流向电路的电流的方法，所述方法包括步骤：

(a)将时间索引设定到零；

(b)检查所述时间索引是否不小于存储在存储器中的一维表的容量；

(c)如果所述时间索引不小于所述一维表的容量，则将电流设定到全导通，否则使用所述时间索引作为偏移来从所述一维表查找所述电流值；

(d)根据所述电流值限制流向所述电路的所述电流；

(e)递增所述时间索引值；以及

(f)重复步骤(b)。