提高dc電動機(jī)冷卻風(fēng)扇效率的方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域一般涉及通過低頻脈沖寬度調(diào)制（PffM)進(jìn)行的直流（DC)電動機(jī)速度控 制，并且更具體來說，涉及通過根據(jù)PWM切換設(shè)備和DC電動機(jī)速度條件調(diào)整PffM切換頻率 和其占空比來提高車輛冷卻風(fēng)扇DC電動機(jī)的效率。
【背景技術(shù)】
[0002] 低頻脈沖寬度調(diào)制（PffM)切換是用來改變控制驅(qū)動冷卻風(fēng)扇的DC電動機(jī)的速度 的電壓的重要技術(shù)。這是因為驅(qū)動PWM的場效應(yīng)晶體管（FET)的低頻切換比高頻切換產(chǎn)生 較少熱量。較低的熱量產(chǎn)生允許較小的散熱器，散熱器重且相對高成本。"高"或"低"頻率 的定義是根據(jù)具有特定DC電動機(jī)特征的電動機(jī)的確定的，所述特征諸如：額定速度、電極 數(shù)量、電感特征和指定的溫度考慮。作為非限制性實例，本文中將"低頻率"定義為低于1 kHz 〇
[0003] 脈沖寬度調(diào)制（PffM)或脈沖持續(xù)時間調(diào)制（PDM)是基于調(diào)制器信號信息來符合電 壓脈沖的寬度（即，脈沖持續(xù)時間）的調(diào)制技術(shù)。盡管此調(diào)制技術(shù)可以用來編碼信息用于傳 輸，但是其主要用途是允許控制供應(yīng)給電氣設(shè)備的功率，特別是供應(yīng)給諸如電動機(jī)的慣性 負(fù)載的功率。在使用中，通過將電源與負(fù)載之間的開關(guān)(即，晶體管）以快節(jié)奏"接通"和"斷 開"來控制饋送到負(fù)載的電壓(和電流）的平均值。開關(guān)"接通"相對于"斷開"時間越長，則 供應(yīng)到負(fù)載的功率越高。
[0004] "周期"是信號完成接通和斷開周期所花費的時間。作為公式，占空比可以表達(dá)為：
其中"是占空比，7是信號有效的時間，并且尸是信號的總周期。因此，60%占空比意味 著信號在60%的時間接通并且在40%的時間斷開。取決于周期的長度，用于60%占空比的 "接通時間"可以是一秒、一天或者甚至一周的一小部分。
[0005] 對于實踐的目的，PffM切換頻率(或1/P)必須比將會影響負(fù)載(也就是說，使用功 率的設(shè)備）的頻率快得多。通常，PWM切換用于諸如燈調(diào)光器、電動機(jī)驅(qū)動器、電爐、音頻放 大器和計算機(jī)電源的設(shè)備中，其中切換頻率從幾 Hz變化到幾百kHz。
[0006] 術(shù)語"占空比"描述"接通"時間與有規(guī)律間隔或時間的"周期"的比例；低占空比 對應(yīng)于低功率，因為功率在大部分時間斷開。占空比以百分比表達(dá)，其中100%是完全接通。 圖5是不同占空比對電壓的影響的圖。周期P 1的脈沖提供電SV1。隨著脈沖的周期增加 (例如，P2)，V 2增加，其中T sysclk是時鐘增量。
[0007] 通常，通過與電動機(jī)串聯(lián)的電阻卡來控制DC電動機(jī)的速度，然而存在由于電阻中 的熱量而耗散的功率損耗，能量浪費。因此，PWM由于設(shè)備中的較低功率損耗而在控制DC電 動機(jī)速度方面具有較高效率，并且提供較精細(xì)的速度控制。切換設(shè)備功率損耗|^@是電阻 和切換頻率的函數(shù)，由以下提供： 方程I 其中：
Ediss是由FET耗散的能量， VFETofT是處于斷開狀態(tài)下的晶體管電壓降， IFETofT是通過處于斷開狀態(tài)下的晶體管的電流， Rds是指處于接通狀態(tài)下的晶體管電阻， IFETon是通過處于接通狀態(tài)下的晶體管的電流， Vturnon是處于接通狀態(tài)下的晶體管電壓降， Iturnon是通過處于接通狀態(tài)下的晶體管的電流， VturnofT是處于斷開狀態(tài)下的晶體管電壓降， IturnofT是通過處于斷開狀態(tài)下的晶體管的電流， t是在某個周期T期間累計的時間。
[0008] 參照方程1，圖9描繪其中耗散相應(yīng)的功率的場效應(yīng)晶體管（FET)內(nèi)的電流和電壓 的說明性波形。圖9包括具有關(guān)于X軸的時間（t)和關(guān)于y軸的電流、電壓（I，V)的第一 曲線圖902和具有關(guān)于X軸的時間（t)和關(guān)于y軸的功率（P)的第二曲線圖904。第一曲 線圖包括其中場效應(yīng)晶體管（FET)被斷開的第一區(qū)域906、其中FET被接通的第二區(qū)域908 和其中FET被斷開的第三區(qū)域910。第二曲線圖904包括其中傳導(dǎo)損耗被接通的第一區(qū)域 912、其中傳導(dǎo)損耗發(fā)生的第二區(qū)域914和其中傳導(dǎo)損耗被斷開的第三區(qū)域916。
[0009] 將某個時間周期考慮為參考，由于飽和(切換設(shè)備接通）與切斷(切換設(shè)備斷開）區(qū) 域之間的較高轉(zhuǎn)變量，所耗散的能量(?^)趨向于在高頻下操作時較高。因此，使用低頻切 換PffM來驅(qū)動電動機(jī)減少FET變熱，從而使得可以減小散熱器尺寸和系統(tǒng)成本。
[0010] 然而，低頻PWM控制就每單位的電功率輸入的機(jī)械扭矩輸出而言對效率具有不利 影響。這是因為在每個PWM周期中對電動機(jī)不輸入功率的時間量在低頻下大于在高頻下。 這減少該周期期間的速度和扭矩。因此，由于在"斷開"時間期間損失的速度，使得在"接通" 時間期間傳遞到電動機(jī)的電流將較高，這導(dǎo)致較低的效率。此效應(yīng)還不利地影響電動機(jī)起 動，并且在達(dá)到所需速度和較高峰值電流的較長時間內(nèi)明顯，這導(dǎo)致對系統(tǒng)的壓力。
[0011]因此，需要提供改進(jìn)控制系統(tǒng)以有效地控制車輛的冷卻風(fēng)扇的方法和系統(tǒng)。此外， 需要根據(jù)DC電動機(jī)操作條件(諸如電動機(jī)起動、占空比和FET溫度)來動態(tài)地改變PffM切換 頻率。此外，本發(fā)明的其他所需特征和特性將從結(jié)合附圖和以上技術(shù)領(lǐng)域和背景進(jìn)行的以 下詳細(xì)描述和隨附權(quán)利要求變得顯而易見。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 提供一種用于基于電動機(jī)的速度和傳遞函數(shù)通過晶體管來控制脈沖寬度調(diào)制電 流的方法。方法包括接收指示所需電動機(jī)速度增加的電子信號并且將電子信號與傳遞函數(shù) 相比較以確定實現(xiàn)電動機(jī)速度增加所需的電動機(jī)電流的占空比。當(dāng)速度增加高于預(yù)定值 時，則將用于脈沖寬度調(diào)制的切換頻率增加到指定的高水平，但是處于或低于指定的最大 頻率，并且基于將占空比與占空比輸出值相關(guān)聯(lián)的占空比改變函數(shù)來改變占空比。
[0013] 提供一種用于基于電動機(jī)的速度通過晶體管來控制脈沖寬度調(diào)制的系統(tǒng)。在一個 實施例中，系統(tǒng)包括：存儲傳遞函數(shù)的存儲器；具有調(diào)制輸入電壓和調(diào)制的輸出電流的晶 體管；通過晶體管將電流提供給電動機(jī)的直流電源；配置成從晶體管吸收由于電流產(chǎn)生的 熱量的散熱器；以及計算設(shè)備。計算設(shè)備被配置成接收表示所需的電動機(jī)速度的電子信號 并且被配置成控制調(diào)制輸入電壓，其中晶體管基于晶體管溫度在切換頻率下從直流電源產(chǎn) 生調(diào)制的輸出電流，并且具有占空比是基于作為對傳遞函數(shù)的輸入的電子信號。
[0014] 提供一種車輛，該車輛包括：電動機(jī)；具有調(diào)制輸入電壓和調(diào)制的輸出電流的晶 體管；通過晶體管將直流電流提供給電動機(jī)的電源；以及計算設(shè)備。
[0015] 本發(fā)明包括以下技術(shù)方案： 1. 一種用于基于具有最大切換頻率的電動機(jī)速度和傳遞函數(shù)通過晶體管來控制脈沖 寬度調(diào)制電流的方法，包括： 接收指示所需電動機(jī)速度增加的電子信號； 將所述電子信號與所述傳遞函數(shù)相比較以確定實現(xiàn)電動機(jī)速度所需的電動機(jī)電流的 占空比； 當(dāng)所述速度增加高于預(yù)定值時，則將用于所述脈沖寬度調(diào)制的切換頻率增加到指定的 高水平，但是處于或低于指定的最大頻率，并且基于將新的所需占空比值與當(dāng)前占空比值 相關(guān)聯(lián)的占空比改變函數(shù)來改變所述占空比。
[0016] 2.如技術(shù)方案1所述的方法，其進(jìn)一步包括： 當(dāng)所述速度增加低于所述預(yù)定值時，則根據(jù)輸出傳遞函數(shù)保持所述占空比并且基于晶 體管溫度調(diào)整所述切換頻率，目標(biāo)在于處于給定溫度極限內(nèi)的最大可能頻率，以增加與用 于給定輸入功率的電動冷卻風(fēng)扇直流電動機(jī)工作有關(guān)的能量效率。
[0017] 3.如技術(shù)方案2所述的方法，其進(jìn)一步包括在存儲器中建立晶體管溫度極限、第 一預(yù)定頻率值、數(shù)字計數(shù)器（N)、第一預(yù)定計數(shù)器值（NI)以及第二預(yù)定計數(shù)器值（N2);其中 所述第一預(yù)定計數(shù)器值（Nl)小于所述第二預(yù)定計數(shù)器值（N2 )。
[0018] 4.如技術(shù)方案3所述的方法，其中當(dāng)所述晶體管溫度小于所述晶體管溫度極限 時，則將所述計數(shù)器（N)減量1并且將所述切換頻率設(shè)置為所述最大切換頻率。
[0019] 5.如技術(shù)方案3所述的方法，其中當(dāng)所述晶體管溫度大于或等于所述晶體管溫 度極限時，則將所述數(shù)字計數(shù)器（N)與所述第二預(yù)定計數(shù)器值（N2)相比較，其中進(jìn)一步當(dāng) 所述數(shù)字計數(shù)器（N)小于所述第二預(yù)定計數(shù)器值（N2)時，將所述切換頻率設(shè)置為零。
[0020] 6.如技術(shù)方案5所述的方法，其中當(dāng)所述晶體管溫度小于所述晶體管溫度極限 時，則將所述數(shù)字計數(shù)器（N)重置為所述第一預(yù)定計數(shù)器值（N1)。
[0021] 7.如技術(shù)方案5所述的方法，其中當(dāng)所述數(shù)字計數(shù)器（N)小于所述第二預(yù)定計數(shù) 器值（N2)時，則確定所述數(shù)字計數(shù)器（N)是否大于或等于所述第一預(yù)定計數(shù)器值（N1)，其 中當(dāng)所述數(shù)字計數(shù)器（N)大于或等于所述第一預(yù)定計數(shù)