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CN1735793A - 确定泵中的液力流率的方法和装置 - Google Patents

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CN1735793A CNA2004800017596A CN200480001759A CN1735793A CN 1735793 A CN1735793 A CN 1735793A CN A2004800017596 A CNA2004800017596 A CN A2004800017596A CN 200480001759 A CN200480001759 A CN 200480001759A CN 1735793 A CN1735793 A CN 1735793A
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Abstract

本发明涉及一种确定由同步电马达(12)驱动的泵中的液力流率的方法以及相关的电子装置(10)，所述马达(12)是包括配备有永磁体的转子(14)的类型，所述转子由配备有极件(18)的定子(16)所生成的电磁场来旋转驱动，所述极件具有相关绕组。所述方法包括通过如下步骤对流率的间接测量：采集至少一个泵操作变量；用预定相关表来比较所述变量的值与液力流率值并确定对应的流率值。

Description

确定泵中的液力流率的方法和装置
技术领域
本发明在其较为概括的方面涉及一种由同步电马达驱动的泵，该马达的类型为：配备有永磁体的转子由配备有极件(pole piece)的定子所生成的电磁场来旋转驱动，所述极件具有相关绕组。
具体来说，本发明涉及一种用于确定由同步电马达驱动的泵中的液力流率(hydraulic flow rate)的方法和装置。
背景技术
如本领域技术人员所熟知的，流体循环泵安装在例如加热和/或调节系统中，而且还安装在家庭和工业洗涤机中。
它们当前的产品几乎都由异步马达来执行。具有同步马达的型号只是最近才被引入。
在所有这些应用中，泵流率，即电马达所支持的负载，随时间而变化，有时候是突然地并且不可预期地。马达工况因此改变。
例如，在关于洗涤机的应用的情况中，泵必须让流体混合物循环或者被排出，在所述混合物中水和空气的百分比经历一些变化。然而，马达一直以接近最高效率的速度来运行是可取的，这还使得为用户节省能量。
另外，过于剧烈的负载变化还可导致临时的马达停机，这将需要手动或者自动干预以便于新的启动。
为了获得稳定的速度，将非常有用的是进行逐秒的负载测量，即流体液力流率的测量。
在现有技术中，已知几种装置用于测量所述流率，其甚至有连续观测。
这些流率计通常是与泵的交付相一致地安置的装置并且它们通过使用几种原理来确定在预定时间内流过给定截面的流体的体积。
确定通过泵的压力损失和流率的方法在以Sulzer Electronics AG等的名义的欧洲专利申请No.0 971 212中被描述。
尽管实现了测量流率的目标，但是所有这些计量器都具有一些缺陷。首先，必须在交付时提供某个区域来容纳它们。另外，该目标是要指出，为了检查其好的运行，这些装置必须经历定期的预防性维护行为。
其它解决方案可提供例如电流传感器的使用，从而通过感测定子绕组的较高或较低的电流吸收来间接确定泵流率。
然而该解决方案不提供精确且可靠的措施。
另一个现有技术解决方案在欧洲专利申请No.0 403 806中披露，共涉及离心泵或者扇(fan)，用于使流体以受控的温度循环，特别是在加热系统中。用于确定流体流率的传感器和用于确定流体温度的温度传感器也被提供。与电马达关联的控制器处理由所述传感器接收的值以驱动该马达以便获得几乎稳定的流体温度。
该解决方案还需要昂贵的传感器的存在和管理，其使该泵以及相关电马达的驱动装置的结构变得复杂。
本发明之下的问题是提供一种方法和相关的装置，用于确定由同步电马达驱动的泵中的流率，其具有如此的相应特征从而克服了针对现有技术所提到的所有缺陷。
发明内容
本发明之下的解决方案思想是通过感测泵操作变量来进行对流率的间接测量，所述变量根据实验上获得的预定非线性相关比而相关于流率。
基于该解决方案思想，根据本发明，通过如先前所示并且特征在于它包括如下步骤的方法解决了所述技术问题：
-采集至少一个泵操作变量；
-用预定相关表来比较所述变量的值与液力流率值并确定对应的流率值。
更具体地，根据本发明的特定实施例，该方法包括如下步骤：
-采集负载角或者延迟θ的当前值，也就是施加到马达端子的网络电压与通过叠加定子通量和由转子永磁体旋转所感生的通量的作用而生成的反电动势之间的相移角的当前值；
-用预定相关表来比较负载角θ的所述当前值与液力流率值并确定对应的当前流率值。
通过下文中参照附图给出的其实施例的描述，所述用于确定由同步电马达驱动的泵的流率的方法和装置的其它特征和优点将变得更为明显，所述附图通过指示性且非限制性的例子来给出。
附图说明
图1示意性地示出了同步电马达的电压和反电动势图；
图2示意性地示出了同步电马达的不同操作步骤中的电压和反电动势图；
图3示意性地示出了配备有根据本发明的装置的同步电马达，该装置用于确定由该马达驱动的泵的流率；
图4示出了根据本发明的装置的块图，该装置用于确定由同步电马达驱动的泵中的流率；
图5，6和7是根据本发明的方法的流程图，该方法用于确定由同步电马达驱动的泵的流率。
具体实施方式
首先参照图4的例子，一装置被示出，其是根据本发明来制造的并且以10在总体上指示，用于确定由同步电马达12驱动的泵中的流率。图3中可见的马达12是包括配备有永磁体的转子14的类型，所述转子由配备有极件18的定子16所生成的电磁场来旋转驱动，所述极件具有相关绕组。
装置10包括转子14的磁通量传感器20，例如霍尔(Hall)传感器，其接近于转子14而安置在定子16上。传感器20连接到处理单元22，其输出泵流率的值。
根据本发明，为确定由同步电马达12驱动的泵中的流率，装置10的处理单元22被使用，其被关联于一存储器部，该存储器部储存流率值与泵马达的操作变量，例如负载角的对应值之间的实验相关数据。
在实践中，通过使用对泵操作变量的测量，具体来说是对负载角或者延迟θ的测量，本发明的方法允许在由同步马达12驱动的泵中的流体循环的流率在其稳态操作期间被确定。
如所熟知的，该负载角θ表示施加到马达12的端子的电压与通过叠加定子16通量和由转子14永磁体旋转感生的通量的作用而生成的反电动势之间的相移。
当施加到连接于马达12的泵的轴的负载变化时，施加到马达12的转子14的转矩(torque)也变化，由此修正反电动势和网络电压之间的相移角，也就正好是负载角θ。
以区间线性的相关性，负载角的增加成比例地相关于泵内液力流率的增加。例如，液力流率的增加涉及负载角的成比例增加；反之，负载角的减小对应于相关流率的减小。
根据本发明，流率值和对应的负载角值之间的相关性被预先确定：该相关性可通过实验测试来确定，或者也可通过理论仿真或者计算机仿真来确定，优选地在该泵的生产地点优选执行的校准步骤期间进行。
更详细地，如图4中所适当示出的，除了被连接到传感器20以外，处理单元22还在它的输入处接收网络同步信号24和与网络电压26的有效值成比例的信号。
数字霍尔传感器20测量转子14的磁通量峰值的通过。在已知后者相对于反电动势被延迟90°时，负载角θ被精确地确定为从网络同步信号24获知的施加到马达12的端子的电压与通过叠加定子16的通量和由转子14的永磁体旋转感生的通量所产生的反电动势之间的相移。
这样通过将网络同步信号24作为基准，由处理单元22来确定相移θ，所述网络同步信号24是方波化的信号，其上升和下降沿与网络电压的过零相一致。
注意力被放在如下事实上：数字霍尔传感器20输出方波化的信号，其上升和下降沿与旋转期间的转子14的永磁体的极性反转一致。
在同步信号24的沿和指示转子14位置的传感器信号20的沿之间的时间流逝与负载角θ成比例。
尽管如此，该时间随所述流率、马达12的供应电压和转子14磁体的操作温度而变化。
在这里值得详细说明的是负载角θ对流率的依赖被链接到泵电物理特征。忽略在结合的产品中主要因为生产容差而影响负载角θ但却以小且相对稳定的值来影响的构造方面(如液力装置，定子绕组和机械部分)，直接影响负载角变化的其它关键参数恰恰是网络电压和转子14的磁体温度。在具有同步马达12和浸在工作流体中的转子14的泵的情况中，磁体温度对应于该工作流体的温度。
如果网络电压降低，由定子16产生的磁通量的强度也降低，随后是对马达12的欠激励。
该欠激励使得较难以保持马达12中的同步状况并且它被解释为工作负载的增加，从而直接导致负载角的增加。
反之，网络电压的增加涉及对马达12的过激励并因此涉及负载角的减小。
对工作流体温度的依赖是由于如下事实：构成转子14的铁磁材料具有随温度变化的残留磁感应BR。
转子14磁体的操作温度的增加使BR降低，从而又影响串级通量(concatenated flux)的强度，降低它并使马达12回到与供应电压降低的情况相似的状况。
然后，对于负载角，温度增加将导致其增加，反之亦然。
为了区分负载角θ变化是否由于供应电压或者该变化是否由于泵流率的改变，与网络电压26的有效值成比例的信号被使用。
该信号26例如是借助于如电压调整器硬件电路的调节块28从网络电压信号30获得的。该信号26允许处理单元22被带回到有效供应值。以这种方式，处理单元22能够提供与液力流率成比例并且完全独立于该供应电压的信号。
相反，为了区分负载角θ变化是否由于热漂移或者该变化是否由于泵流率的改变，模拟霍尔传感器20A必须被使用。
除了允许转子14磁体的极性反转被读取以外，模拟霍尔传感器20A还能够输出一正弦信号，其振幅与构成转子14的铁磁材料的残留感应BR成比例。
如上面已经提到的，磁体的残留感应BR严格依赖于操作温度，因此借助该信号，处理单元22能够进一步区别由于流率改变造成的负载角变化与由于温度改变造成的负载角度变化。
大体上，借助于装置10的处理单元22来实施的本发明的方法包括如下步骤：
-采集负载角θ的当前值；
-用预定相关表来比较该当前负载角值与流率值并确定对应的当前流率值。
所述采集可被连续执行或者通过离散采样来执行。
为了更精确和安全的流率确定，该方法包括如下步骤：
-采集负载角θ、网络电压和转子14磁体温度的当前值；
-用预定相关表来比较所述负载角的当前值与流率值；
-根据网络电压和/或转子磁体温度的值来校正该流率值并确定当前的流率值。
更一般的情况，本发明涉及一种用于确定由同步电马达驱动的泵中的流率，其包括通过以下步骤间接测量所述流率：
-采集至少一个泵操作变量；
-用预定相关表来比较所述变量的当前值与流率值并确定对应的流率值。
优选地，所述至少一个操作变量是在现有技术泵的控制单元中正常采集的值，或者它是可以以低成本容易确定的值：例如从霍尔传感器20信号获得的负载角θ的值特别适合于本发明的方法的实施。
现在特别参考图5、6和7的流程图，现在详细描述处理单元22的算法流程，在操作变量为负载角θ的例子中其允许实施本发明的方法。
基本上，在将处理建立在由实验上获得的值形成的表的基础上时，流率输出信号50与结合在单元22中的负载角θ的计数器的值成比例，并且因此与液力流率成比例地生成。
知道了单元22执行中断例行程序所花费的时间，即图5中示意性示出的程序的执行时间，并且将它乘以延迟θ计数器52的值，则网络同步信号24的沿与霍尔传感器20输出信号的沿之间的时间流逝被获得，从而使其达到负载角θ。
块54，图5的中断例行程序从初始条件开始，其中流率输出信号50的初始值被指示。
块56，进行第一测试步骤，在其中估计是否已经到达网络同步信号24的上升沿。
如果是，那么在块58，进行角θ的计数器52的增加。然后块60，执行第二测试步骤，在其中估计是否已经到达霍尔传感器20输出信号的上升沿。
如果是，则计算块62被接通，通过它计数器52被切断并且延迟θ变量被更新。
为了描述的完整性，现在也说明分别在图6和7中示出的两个过程的存在，二者都是任选的：第一电压补偿过程64和第二温度补偿过程66。相关的信号处理流程在图6和7中被详细示出，但是它将在以后被示出以不中断现在对主中断例行程序的描述。
此时，所述流程到达基于延迟θ变量与液力流率成比例的输出信号的生成块68。
在第一测试块56或者在第二测试块60的否定回答的情况中，在通过保持块70之后，也到达该生成块68，在所述保持块中延迟θ变量被保持在它的最近期的值。
传输块72允许将在生成块68中生成的输出信号传输出处理单元22。
由此到达中断例行程序的停机块74。
图6示出了详细描述图5的电压补偿块64内的处理的流程图。
在对与网络电压成比例的值的读取步骤，块76之后，到达对延迟θ变量的第一缩放因子的分配块78。基于在读取块76中获得的值和借助实验值获得的预先建立的表来执行该分配。
然后到达更新块80，其中根据分配块78的第一缩放因子来修正延迟θ变量。
图7示出了详细描述图5的温度补偿块66内的处理的流程图。
在块77，读取来自模拟霍尔传感器20的与磁体残留磁感应BR成比例的值之后，到达对延迟θ变量的第二缩放因子的分配块79。基于在读取块77中获得的值以及借助实验值获得的预先建立的表来执行该第二分配。
然后到达更新块81，其中根据分配块79的第二缩放因子来修正延迟θ变量。
其目标是亦指出从处理单元22获得的液力流率值如何被泵控制单元22重新用于调整由该泵吸收的功率(在该情况中电子控制装置包括所述处理单元22)，或者它可被向外传输到另一个控制装置用于进一步的处理或者它可被用于上述两选项。
由本发明的用于确定由同步电马达驱动的泵的流率的方法所实现的主要优点是它允许以异常迅速和可靠的方式来估算该流率。
以上描述的用于确定由同步电马达驱动的泵中的流率的方法和装置可经历一些修改，所有修改都在本领域的技术人员所能及的范围内并落在所附权利要求所限定的本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种用于确定由同步电马达(12)驱动的泵中的液力流率的方法，所述马达(12)是包括配备有永磁体的转子(14)的类型，所述转子由配备有极件(18)的定子(16)所生成的电磁场来旋转驱动，所述极件具有相关绕组，所述方法包括如下步骤：
-通过采集至少一个泵操作变量来间接测量所述流率，
-比较预定相关表内的所述变量的值并确定对应的流率值，以及
-确定对应的流率值特征在于采集所述至少一个泵操作变量的所述步骤采集负载角或者延迟θ，即施加到马达(12)端子的网络电压与通过叠加定子(16)通量和由转子(14)永磁体旋转感生的通量的作用而生成的反电动势之间的相移角，并且在于所述相关表链接流率值和负载角值。
2.根据权利要求1的用于确定泵中的流率的方法，特征在于它进一步包括校准步骤，其中所述相关表是借助于实验测试、理论仿真或者计算机仿真来填入的。
3.根据权利要求1的用于确定泵中的流率的方法，特征在于采集所述负载角或者延迟θ的所述步骤是连续进行的。
4.根据权利要求1的用于确定泵中的流率的方法，特征在于它进一步包括步骤：采集另外的泵操作变量，如施加到马达(12)的端子的网络电压。
5.根据权利要求1的用于确定泵中的流率的方法，特征在于它进一步包括步骤：采集另外的泵操作变量，如转子(14)的磁体温度。
6.根据权利要求1的用于确定泵中的流率的方法，特征在于它进一步包括当马达电源电压变化时补偿所述流率值的步骤；该补偿借助于另外的预定相关表来获得。
7.根据权利要求1的用于确定泵中的流率的方法，特征在于进一步包括步骤：测量所述转子(14)温度以当温度改变时补偿所述流率的值并借助于另外的预定相关表来补偿。
8.根据权利要求1的用于确定泵中的流率的方法，特征在于它进一步包括步骤：借助于模拟霍尔传感器(20A)来感测与转子(14)的铁磁材料的残留感应(BR)成比例并依赖于操作温度的信号。
9.一种用于确定由同步电马达(12)驱动的泵的液力流率的电子装置(10)，所述马达(12)是包括配备有永磁体的转子(14)的类型，该转子由配备有极件(18)的定子(16)所生成的电磁场来旋转驱动，所述极件具有相关绕组；并且包括处理单元(22)，其在其输入处接收来自转子(14)的磁通量传感器(20，20A)的第一信号并且配备有或者关联于一存储器部，该存储器部储存链接液力流率值和泵马达的操作变量值的相关表，特征在于所述泵操作变量是负载角或者延迟θ，也就是网络同步信号(24)与通过叠加定子(16)的通量和由转子(14)的永磁体旋转感生的通量的作用而生成的反电动势之间的相移角，并且在于所述处理单元(22)比较所述负载角度与储存在所述相关表中的所述操作变量值以确定对应的液力流率值。
10.根据权利要求9的电子装置，特征在于所述传感器(20)是数字霍尔传感器。
11.根据权利要求9的电子装置，特征在于所述传感器(20A)是模拟霍尔传感器。
12.根据权利要求9的电子装置，特征在于它具有第三信号输入以接收与借助于电压调整器(28)获得的网络电压的有效值成比例的信号(26)，从而产生完全独立于电源电压的与液力流率成比例的信号(50)。
13.根据权利要求11的电子装置，特征在于它包括内部计数器(52)以在网络时钟信号(24)的每个上升沿增加负载角θ的计数。
14.根据权利要求11的电子装置，特征在于所述模拟传感器(20A)检测与转子(14)的铁磁材料的残留感应(BR)成比例并且依赖于操作温度的信号。
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