專利名稱：用于靜音可變的電機速度控制的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于給交流(AC)負載如電機負載特別是給AC風扇電機提 供可變功率的負載控制設備，更具體地，本發(fā)明涉及一種靜音可變的風扇速 度控制，其允許在風扇速度控制中基本上完全可變。
背景技術：
用于風扇電機的己知的控制器存在的問題為過去使用的一些技術有嚴 重的缺陷。例如，己知的完全可變風扇速度控制。圖1A顯示了現有技術中 的完全可變風扇速度控制10，其中通過開關電路14來控制開關12以改變所 述觸發(fā)三極管開始導通時的相位角，由此提供可變的速度控制，所述開關12 典型地包括雙向半導體開關，例如觸發(fā)三極管。所述風扇速度控制10被耦 合在AC電源16和風扇電機18之間。如本領域技術人員所熟知的，通過控 制觸發(fā)三極管開始導通時的相位角(即，所述AC電源每半個周期觸發(fā)三極 管的導通時間)，可以控制提供給風扇電機的功率量并由此可以控制風扇電 機的速度。
雖然現有技術中風扇速度控制10提供了基本上完全可變的速度控制， 但是這種電路存在這樣的問題當通過所述相位角技術來控制風扇電機時， 在該風扇電機中可能產生機械噪聲和噪聲，這會令人煩惱和分心。圖1B顯
示了所述AC輸入線電壓30A的波形、通過開關施加給風扇電機的電機電壓 30B、以及通過所述風扇電機的電機電流30C。如從上述波形可以看出，所 述電機電壓30B具有大的不連續(xù)性以及由此的諧波，其導致在所述風扇電機 中產生噪聲和振動。圖1C顯示了進一步的波形圖表(a)和(W顯示了接近 低速工作和接近高速工作時的線電壓32A以及通過所述風扇電機的電機電 流32B、 32C的波形，圖表(c)和(d)顯示了接近低速工作和接近高速工作時 線電壓32A以及風扇電機兩端的電機電壓32D、 32E的波形。提供給所述風 扇電機的電機電壓32D、32E中的諧波引起了大量的令人分心的噪聲和振動， 因此期望一種更好的解決方案。
圖1D顯示了另一種現有技術的方法，該方法提供一種靜音的風扇速度 控制20。在這種方法中，多個半導體開關21、 22、 23，例如觸發(fā)三極管， 被提供。電容24被提供與開關22串聯而電容25被提供與開關23串聯。與 風扇電機相串聯的電容的不同的值導致不同的風扇速度。通過控制開關22、 23來選擇性地在電路中插入或者移除電容24、 25，多個離散的風扇速度被 提供。如果圖1D中的開關21被導通，則所述風扇電機18以全速工作。如 果開關22或23或這些開關的組合被導通，則依據它們串聯的電容，風扇電 機將以某個較慢的速度工作。由此，通過圖1D所示的電路，可以獲得多達 四個不同的離散的速度。
但是，這不允許連續(xù)或者完全或者接近完全的可變的速度控制?？梢酝?過提供另外的電容和開關來獲得更多的離散的速度等級，但是隨著更多的元 件被添加，電路將會變得不必要的復雜、大型和昂貴。這種類型的速度控制 的示例被描述于1991年2月12日公布的、題為SWITCHING CIRCUIT PROVIDING ADJUSTABLE CAPACITIVE SERIES VOLTAGE DROPPING CIRCUIT WITH A FRACTIONAL HORSEPOWER MOTOR的美國專利 No.4992709，其被公開的全部內容作為引用被結合于此。
不過，圖ID中所示的系統(tǒng)提供了靜音的風扇速度控制。圖IE顯示了 圖1D中的現有技術的風扇速度控制20的線電壓34A、電機電壓34B、以及 電機電流34C的波形。如所觀察的，所述波形相當的連續(xù)和平滑，沒有圖 1A中所示系統(tǒng)的不連續(xù)性。由于開關21、 22、 23要么是導通的或者要么是 斷開的，而且不是根據圖1A中風扇速度控制的相位切斷技術來被操作，因 此這些波形沒有顯示出不連續(xù)性。圖1F顯示了進一步的波形其中圖表(a) 和(W顯示了在接近低速工作和接近高速工作時線電壓36A和通過風扇電機 的電機電流36B、 36C的波形，圖表(c)和(d)顯示了在接近低速工作和接近 高速工作時線電壓36A和風扇電機兩端的電機電壓36D、 36E的波形。
雖然這種現有技術的系統(tǒng)提供了靜音的風扇速度控制，但是它仍存在速 度不能連續(xù)地或完全可變地或接近完全可變地被控制的缺陷。
因此，期望一種更令人滿意的解決方案，其提供靜音的風扇速度控制和 接近完全的可變的速度控制、以及甚至連續(xù)的可變的風扇速度控制的優(yōu)點。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種用于控制AC電機速度的裝置，該AC電機由來自AC 電源的AC電源電壓來驅動，該裝置包括適合于被串聯耦合在所述AC電 源和AC電機之間的串聯電容；分流開關，適合于以并聯電連接被耦合到所 述AC電機的兩端；以及控制電路，用于控制所述開關的導通時間。所述分 流開關具有控制輸入，該控制輸入被耦合到用于所述分流開關的控制的控制 電路。依據所述分流開關的導通時間所述電機速度是可控制的。
根據本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式，所述控制電路用于產生脈寬調制信號 以控制所述分流開關的導通時間。所述脈寬調制信號具有用于改變所述電機 速度的可變的占空因數。根據另一實施方式，所述裝置包括以并聯電連接被 耦合到所述串聯電容兩端的旁路開關來為串聯電容設置旁路從而實現所述
AC電機基本上的全速工作。
本發(fā)明還提供一種用于控制AC電機速度的方法，所述AC電機由來自 AC電源的AC電源電壓來驅動，該方法包括步驟將第一電容以串聯電連 接耦合在所述AC電源和AC電機之間；將第一分流開關以分流電連接耦合 在所述AC電機的兩端，所述開關具有用于控制所述第一開關的導通時間的 控制輸入；以及控制所述開關的導通時間以改變所述電機的速度。依據所述 分流開關的導通時間所述電機速度是可控制的。
根據一優(yōu)選實施方式，所述控制步驟包括產生脈寬調制信號，該信號用 于控制所述第一開關的導通時間。所述脈寬調制信號具有用于改變所述電機 速度的可變的占空因數。根據另一實施方式，所述方法還包括步驟將第二 開關以并聯電連接與所述第一電容耦合；以及閉合所述第二開關來為所述第 一電容設置旁路從而實現所述電機基本上的全速工作。
通過下面參照附圖對本發(fā)明的描述，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將變得更 加清楚。


在下面的參照附圖的詳細的說明書中將對本發(fā)明進行更詳細的描述，其 中附圖為
圖IA顯示現有技術的可變風扇速度控制；
圖IB顯示圖1A中的電路的波形；
圖1C顯示圖1A中的電路的進一步的波形；
圖ID顯示另一現有技術的風扇速度控制；
圖IE顯示圖ID中的電路的波形；
圖IF顯示圖ID中的電路的進一步的波形；
圖2顯示了根據本發(fā)明用于提供連續(xù)可變的靜音風扇速度控制的電路的
簡化電路圖3A是圖2中的電路的控制電路的簡化框圖3B是圖3A中控制電路中的微處理器的控制環(huán)的流程圖4顯示圖2的電路中的波形；
圖5A是解釋圖2中的電路當開關關閉時的工作的電路圖5B進一步是輔助解釋圖2中的電路在開關開啟時的工作的圖6A顯示圖2中的電路的電機電壓波形；
圖6B顯示對由圖2中的本發(fā)明的風扇速度控制、圖1A中的現有技術 的風扇速度控制、以及圖1中的現有技術的風扇速度控制進行操作的風扇電 機的聲音測量的圖表；
圖6C顯示圖6B中的圖表的噪聲水平測量的數值；
圖7顯示圖2中的電路的進一步波形；
圖8顯示根據本發(fā)明的電路的第二實施方式的簡化電路圖； 圖9顯示根據本發(fā)明的電路的第三實施方式的簡化電路圖；以及 圖10顯示圖9中的風扇速度控制的操作模式相對風扇電機的期望速度 的圖表。
具體實施例方式
以上的概述以及接下來的優(yōu)選實施方式的詳細描述，在結合附圖閱讀時 可以被更好的理解。為了例證本發(fā)明，這里描述了圖中所示的當前優(yōu)選的實 施方式，其中在附圖中的多個視圖中的相同的數字代表了類似的部分，然而 應該理解的是，本發(fā)明不局限于公開的特定的方法和裝置。
再轉向附圖，圖2顯示了根據本發(fā)明的連續(xù)可變的靜音的風扇速度控制 50的簡化框圖。所述風扇速度控制50具有熱端子(hot terminal) 44，其與 AC電源40耦合，風扇速度控制50還具有負載端子46，該負載端子46與
風扇電機42連接。雖然典型地，所述風扇電機42為無刷的同步或者感應電 機，但是風扇電機42可以是無刷的或者是有刷的電機。所述風扇速度控制 50還包括中性端子48，中性端子48與所述AC電源40和風扇電機42連接。 AC電源40通過串聯電容52向風扇電機42提供功率。所述串聯電容52優(yōu) 選地具有18jim的電容值。
分流開關54被設置在所述風扇42兩端，分流開關54可以是合適的半 導體設備，例如，起雙向開關作用的兩個反串連接的場效應管(FETs)，或 者在整流橋中的單個FETs，其也起雙向開關的作用?？刂齐娐?6通過提供 脈沖信號給所述開關54的柵極來控制所述開關54的導通時間。特別地，通 過脈寬調制(PWM)信號來驅動開關54從而控制所述導通時間。當所述開 關54導通時，所述風扇電機42基本上被短路，這樣在所述風扇電機的兩端 基本上沒有電壓。當所述開關未導通時，所述的電源電壓的一部分通過所述 電容52被提供給所述風扇電機42。這樣的效果是根據所述開關54的導通時 間來改變提供給所述風扇電機42的功率。當開關54連續(xù)導通時，沒有功率 被傳送給所述風扇電機42并且其速度將下降或者所述風扇電機將保持靜止。 隨著所述開關54的導通時間下降，所述風扇速度上升。當所述開關54在整 個時間，即在整個AC線周期期間都不導通時，所述風扇電機達到其通過串 聯電容52所允許達到的最大速度。
為獲得全速工作，旁路開關58被選擇地提供與電容52并聯來分流所述 電容并由此施加所述全部AC電源電壓給所述風扇電機42。也可以通過所述 控制電路56來控制所選的旁路開關58。
此外，正如以下將要解釋的，因為所述切換發(fā)生在所述電機電壓為零并 且所述電機電流中的不連續(xù)性被減少時，所以本發(fā)明提供了靜音的風扇速度 控制。本發(fā)明沒有圖1中的現有技術的電路的缺點，該現有技術的電路產生 大量的噪聲，并且本發(fā)明不局限于圖1D中的現有技術電路的離散速度設置。
為了減小所述噪聲，可以確定，當所述風扇電機兩端的電機電壓Vm基
本上為0時，優(yōu)選地閉合所述開關54。所述風扇電機兩端的電壓vm通過 vm監(jiān)控器電路60而被監(jiān)控。所述vm監(jiān)控器電路60優(yōu)選地作為零交叉檢測 電路被執(zhí)行，該檢測電路可以識別所述電機電壓Vm的零交叉。零交叉被定 義為當所述電機電壓轉變通過O時的時刻，即當所述電機電壓從正值變到0 或者從負值變到0時的時刻，例如，圖4中的零交叉61A，所述vm監(jiān)控器 電路60提供表示所述電機電壓VM的零交叉的信號給所述控制電路56。所 述vm監(jiān)控器電路60的輸出信號的靜止狀態(tài)為邏輯高電平。當零交叉發(fā)生時， 所述vm監(jiān)控器電路60將短暫地使所述輸出信號跳動至邏輯低電平。
當所述電機電壓vm為0 (即，己檢測到零交叉)時，閉合所述分流開 關54。相信這具有降低洛侖茲力的效果，洛侖茲力引起風扇振動并引起噪聲。 此外，閉合所述分流開關54為所述電機電流環(huán)流提供了路徑，從而減少了 所述電機電流的不連續(xù)性并有助于將引起噪聲操作和振動的磁力最小化。
還可以確定，用于所述脈寬調制信號的合適的頻率是所述AC電源電壓 的線頻率的兩倍。因此，對于60赫茲的AC主頻率，所述脈寬調制信號的 頻率優(yōu)選為120赫茲。
圖3A為圖2中的電路的控制電路的簡化框圖。所述控制電路包括鎖存 器56A，鎖存器56A具有兩個有源低輸入(即，設置輸入和復位輸入)和一 個輸出。所述鎖存器56A的輸出為所述分流開關54提供控制信號。所述鎖 存器56A的設置輸入從所述vm監(jiān)控器電路60中被接收并控制所述分流開 關54的開啟。微處理器56B接收所述鎖存器56A的輸出并提供控制信號給 鎖存器56A的復位輸入以控制所述分流開關54的關閉。所述微處理器56B 還包括用于所述旁路開關58的控制的輸出。所述微處理器56B可以為任何 合適的處理設備，例如可編程邏輯設備(PLD)，微控制器，或者專用集成 電路(ASIC)。
此外，所述微處理器56B接收期望的風扇速度輸入56C，風扇速度輸入 56C被所述微處理器用來確定所述分流開關54的開啟時間的長度。所述期 望的風扇速度輸入56C可以從所述風扇速度控制50的用戶接口被接收，所 述用戶接口包括一個或者多個用于允許用戶調節(jié)所述風扇速度的調節(jié)器。所 述期望的風扇速度輸入56C也可以從通信電路被接收，所述通信電路允許所 述風扇速度控制50從控制系統(tǒng)的其它設備中接收表示期望的風扇速度的信 號。所述通信電路可以與通信鏈路耦合，例如，有線串行通信鏈路，電力線 載波(PLC)通信鏈路，或者無線串行通信鏈路，例如紅外(IR)或射頻(RF) 通信鏈路。這樣的控制系統(tǒng)的示例在與本申請同一天提交的、題為SYSTEM FOR CONTROL OF LIGHTS AND MOTOR、代理人申請案編號05-12143-P2、 共同轉讓的、共同未決的美國專利申請中有詳細的描述，其全部內容作為參 考結合于此。
所述控制電路56還包括電源56D，其用于產生DC電壓以激勵所述鎖 存器56A、微處理器56B、以及所述電扇速度控制50的其它的低電壓電路 系統(tǒng)。所述電源56D被耦合在所述風扇速度控制50的熱端子44和中性端子 48之間。
為產生用于控制所述分流開關54的PWM信號，所述鎖存器56A接收 來自所述VM監(jiān)控器電路60和微處理器56B的輸入。優(yōu)選地，所述控制電 路56驅動所述分流開關54在所述電機電壓VM的零交叉處導通。特別地， 當所述鎖存器56A在所述設置輸入處接收的來自所述VM監(jiān)控器電路60的 信號為低脈沖(即，約為0伏)時，所述鎖存器將所述輸出推向邏輯高電平 (即，Vcc)，由此驅動所述分流開關54導通。根據所述期望的風扇速度輸 入56C，所述微處理器將在驅動所述鎖存器56A的復位輸入為低(即，約為 0伏)之前，在一段時間內保持對鎖存器56A的復位輸入的輸出為高(即， 在Vcx)。因此，所述鎖存器56A將驅動所述輸出使所述分流開關54的為低
從而導致所述分流開關停止導通。
圖3B是用于控制所述風扇速度的微處理器56A的控制環(huán)300的流程圖。 期望的風扇速度輸入56C在輸入302處被提供給所述控制環(huán)300。在步驟 304，如果所述期望的風扇速度輸入302為全速，則旁路開關58將在步驟306 被閉合并且該過程循環(huán)直到所述期望的風扇速度改變。如果在步驟304所述 期望的風扇速度輸入302不為全速，則在步驟308所述旁路開關58被斷開。 接著，根據所述期望的風扇速度輸入302，所述分流開關54的期望的開啟時 間，t，被確定。步驟310中所述開啟時間t，的確定通過線性函數可以被簡 單地計算，例如，t0N=(l-DFS)/fPWM,其中DFS為以0%和100%之間的百分 比形式的期望的風扇速度，而fpwM為所述PWM信號的頻率(即，120Hz)。
在步驟312，所述微處理器56A等待直到所述鎖存器56A的輸出從邏輯 低電平轉變?yōu)檫壿嫺唠娖?。當在輸?14所述鎖存器56A的輸出為高時，所 述分流開關54被閉合。在步驟316，所述微處理器56B等待在步驟310處 確定的開啟時間t，的長度。然后，在步驟318通過驅動所述鎖存器56A的 復位輸入為低來使鎖存器56A復位。由此，所述鎖存器56A的輸出將轉變 為邏輯低電平，從而使所述分流開關54斷開。最后，所述處理環(huán)循環(huán)來察 看在步驟302處所述期望的風扇速度是否變化。
當所述控制電路56包括作為單獨的硬件設備的所述鎖存器56A時(如 圖3A所示)，鎖存器56A的功能可以替代地通過所述微處理器56B的軟件 來被完全執(zhí)行。例如，所述微處理器56B可以接收來自所述VM監(jiān)控器電路 60的信號并且直接控制響應于來自VM監(jiān)控器電路60的信號的所述開關54。
圖4為圖2中的電路的波形圖，顯示所述線電壓62A，電機電壓62B， 電機電流62C，以及分流開關控制信號62D。盡管所述電機電壓62B和電機 電流62C是非正弦的，但是所述開關54在電機電壓為零時切換并且電機電 流基本上是連續(xù)的。如圖4所示，所述開關54以兩倍于所述線電壓62A的
頻率被操作。
圖6A顯示了圖2的電路中的電機電壓62B進一步的細節(jié)。所述開關54 導通的時間AT被顯示。當所述開關54未導通時，電壓被施加到所述風扇電 機42。所述時間周期AT與所述電機電壓的周期的比率表示所述PWM信號 的占空因數。在圖6A中，所述占空因數略小于50%。所述占空因數在0% 至100%之間被改變以控制所述風扇速度。當所述占空因數為0%時，所述風 扇電機以全速工作，該速度由所述串聯電容52所確定。當所述占空因數為 100%時，所述風扇電機靜止。
圖5A顯示了當所述開關54關閉時的等效電路圖，其顯示了電流64從 AC電壓源40流經所述電容52以及流經所述感應風扇電機42。所述風扇電 機42用電感LM與電阻RM串聯的模型來顯示。
圖5B顯示了當所述開關54被開啟時的等效電路。通過所述電容的電流 66在包括所述電容52、所述開關54、以及所述AC電壓源40的環(huán)路中循環(huán)。 如圖5B中所示，感應電流68連續(xù)地循環(huán)流經所述風扇電機42流和所述閉 合的開關54。如圖4中所示，當所述開關54導通時，所述風扇電機42中的 感應電流68開始減小，然后反轉極性并且以漸小的速率開始增加直到所述 開關再度被關閉。如圖4中所示，當所述風扇電機兩端的電機電壓為O伏， 即在電壓負向零交叉61A和正向零交叉61B時所述開關54被開啟。
如圖6A所示，所述開關開啟時間的值，AT，控制所述風扇速度。開啟 時間AT越大，風扇速度減小。如圖5B所示，當所述開關閉合時，所述電 流68循環(huán)通過所述風扇電機。
因此，所述風扇速度控制50提供風扇電機42的連續(xù)可變的、靜音控制。 圖6B顯示了使用圖2中的本發(fā)明的風扇控制50、圖1A中的現有技術風扇 速度控制10、以及圖1D中的現有技術風扇速度控制20的風扇電機的近似 的聲音測量圖表。所述風扇電機對每種風扇速度控制以不同的RPM水平(轉 每分鐘)工作并且記錄所述聲音測量。使用具有周圍的噪聲水平為17dBA 的相同風扇電機進行所有測試。圖6C中顯示了圖6B中的聲音測量的數值。
如圖6B中的圖表所示，所述風扇速度控制50提供了靜音操作，該靜音 操作非常類似于由所述現有技術的靜音風扇控制20產生的噪聲水平。相反， 所述風扇速度控制50提供連續(xù)可變的風扇速度控制，而所述現有技術的靜 音風扇控制20不能提供所述風扇電機的連續(xù)可變操作。此外，所述連續(xù)可 變的風扇速度控制50與所述現有技術的連續(xù)可變的風扇速度控制10相比， 提供了關于產生噪聲水平的改進的操作。
圖7顯示了圖2中的電路的另外的波形。特別地，圖表(a)中顯示了在 風扇電機接近低速工作時的線電壓70A和通過風扇電機的電機電流70B。圖 表(b)中顯示了在風扇電機接近高速工作時的線電壓70A和通過風扇電機的 電機電流70C。圖表(c》中顯示了在風扇電機接近低速度工作時線電壓70A 和風扇電機兩端的電機電壓70D以及圖表(d)中顯示了在風扇電機接近高速 度工作時線電壓70A和風扇電機兩端的電機電壓70E。
參考圖2，所述分流開關54、旁路開關58、和電容52、以及所述控制 電路56，可以被包括在定位在接線盒中的墻式安裝控制中。由于存在所述中 性線，所以用于操作所述分流開關54和旁路開關58的控制電路的電源可以 由所述熱線和中性線之間的電勢產生的功率來提供。
通常，當以極低速度開啟風扇電機時，所述風扇電機的啟動會有問題。 為了克服這個問題，當啟動所述風扇電機42且所述風扇的期望啟動速度低 時，通過將所述分流開關52斷開一段預定時間以驅動所述風扇電機42在最 大速度，所述控制電路56最初"啟動"("kick-starts")所述風扇電機42。在 這段時間之后，所述風扇電機42以可接受的速度工作并且所述控制電路隨 之用所述PWM信號來操作所述分流開關52并且以期望的較低的速度驅動 所述風扇電機。備選地，所述控制電路56可以閉合所述旁路開關58以在所
述預定的時間段內提供全部AC電源電壓給風扇電機，斷開旁路開關58，并
且驅動風扇電機至期望的較低速度。
圖8顯示了根據本發(fā)明的第二實施方式中的風扇速度控制80的簡化電 路圖。所述風扇控制80包括與所述分流開關54并聯的電容82。旁路開關 84與所述電容82串聯并且被控制電路86控制以選擇性地從所述風扇速度控 制80的電路中移除電容82。優(yōu)選地，所述電容82的電容為4.7pF。
當所述開關84斷開時，所述風扇速度控制80以與圖2中的風扇速度控 制50相同的方式進行工作。但是，當所述開關84閉合時，所述電容82與 所述風扇電機42并聯并且為高頻電流提供流向中性的路徑。所述電容82通 過消除所述風扇電機42兩端的電機電壓中的高頻分量從而起濾波器的作用， 其進一步減小了由風扇電機產生的可聽到的噪聲。
如果所述風扇電機42的全速是所期望的，所述開關58被閉合來為所述 電容52設置旁路，并且所述開關84被斷開以將所述電容82從所述風扇速 度控制80的電路中移除。由于當開關84閉合時有些電流將流經電容82，因 此所述風扇電機42在最大的可能的速度處無法運行。由此，當所述最大風 扇速度是所期望的時，所述開關84是斷開的。
圖9顯示了根據本發(fā)明的第三實施方式中的風扇速度控制90的簡化電 路圖。所述風扇速度控制90包括與所述端子44、 46串聯的被切換的電容網 絡91。所述切換電容網絡91包括多個開關92、 93、 94、 95，每一個都分別 被控制電路99控制。三個開關93、 94、 95的每一個都分別與三個電容96、 97、 98中的一個相串聯。
所述風扇速度控制90提供三種不同的操作模式以驅動所述風扇電機 42。第一種操作模式(在此被稱為"120Hz AC buck"模式)以與圖8中的風 扇速度控制80相似的方式進行工作。在這種模式中，所述被切換的電容網 絡91的開關中的一個(例如，開關93) —直閉合從而一個串聯電容(例如，
電容96)與端子44、 46串聯。當控制電路99保持開關84為閉合時，控制 電路99提供脈寬調制信號，以優(yōu)選約為120Hz的頻率，來控制所述分流開 關54和風扇電機42的速度。為提供全部的AC電壓給所述風扇電機42，控 制電路99使開關92閉合并且使開關84斷開。
第二種操作模式(在此被稱為"靜態(tài)電容切換"模式)以與圖1D中的現 有技術的風扇速度控制20相似的方式進行工作。在這種模式中，所述分流 開關54和開關84保持斷開并且所述開關93、 94、 95被選擇性地斷開或者 閉合以提供所述風扇電機42速度的離散的階段。
此外，所述風扇控制90可用于在第三種操作模式中運行。在這種模式 中，所述開關84、 93、 94、 95被保持在斷開狀態(tài)并且所述開關54和92被 兩個PWM信號有效地控制。所述開關以互補的方式在未導通狀態(tài)和導通狀 態(tài)之間切換，這樣當開關54導通時，開關92斷開，反之亦然。以這種方式， 所述風扇電機42不是與所述AC電壓源40連接，或者就是允許通過風扇電 機42的電流流經開關54而被短路。在2005年6月21日公布的、題為 CIRCUIT DEVICE FOR DRIVING AN AC ELECTRIC LOAD的專利號為 6909258的美國專利中對這種操作模式進行了更詳細的描述，其全部內容作 為參考結合于此。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式中，風扇速度控制90可用于在操作模式 之間交替地切換以提供連續(xù)可調的、靜音的風扇速度操作。所述第一種操作 模式(即，"120Hz AC buck"模式)提供風扇電機連續(xù)可調的速度。但是， 一些從市場上可獲得的風扇電機在較高速度下使用所述第一種操作模式時 不能如期望的那么靜音。所述第二種操作模式(即，"靜態(tài)電容切換"模式) 允許在較高速度下非常靜音的操作，但是由于控制不是連續(xù)可變的，這種模 式受到限制。然而，在風扇電機高速工作時， 一般人通?？床怀鲲L扇電機的 速度中的離散階段之間的差異。當風扇電機以低速工作并且通常由人眼所見
的風扇速度中的變化更顯著時，所述連續(xù)可變控制最被期望作為風扇速度控 制90的特征。
因此，如圖10所示，風扇速度控制90的優(yōu)選的操作方法是，當風扇電 機以低速(低于最大風扇速度的40%左右)工作時使用第一種操作模式(即， "120HzACbuck"模式)，并且當風扇電機以高速(高于最大風扇速度的40% 左右)工作時使用第二種操作模式(即，"靜態(tài)電容切換"模式)。所述控制 電路99用于確定期望的風扇速度并且使風扇速度控制90在操作模式間切 換。在圖10中，用于改變操作模式的閾值約為最大風扇速度的40%，而且 提供了某些滯后。由于風扇電機的工作特性中的廣泛差異，用于改變操作模 式的閾值優(yōu)選地可以由用戶通過風扇速度控制90的用戶界面來改變以確定 用于特定應用的最佳閾值。
對本發(fā)明關于風扇電機的控制已經進行了描述，但是本發(fā)明的負載控制 設備可以被用于控制任意類型的電機或者其它類型的負載，例如白熾燈。
盡管根據本發(fā)明的具體的實施方式對本發(fā)明進行了描述，但是許多其它 的變型和修改以及其它的應用對于本領域技術人員來說是顯而易見的。因 此，本發(fā)明不受在此特定公開的限制，而僅受權利要求的限制。
權利要求
1、一種用于控制AC電機速度的裝置，該AC電機由來自AC電源的AC電源電壓來驅動，該裝置包括串聯電容，適合于以串聯電連接被耦合到所述AC電源和AC電機之間；分流開關，適合于以分流電連接被耦合到所述AC電機的兩端，所述開關具有控制輸入；以及控制電路，其被耦合到所述控制輸入以控制所述分流開關的導通時間；由此依據所述分流開關的導通時間所述電機的速度是可控制的。
2、 根據權利要求1所述的裝置，其中所述控制電路用于產生用于控制 所述分流開關的導通時間的脈寬調制信號，所述脈寬調制信號具有用于改變 所述電機速度的可變的占空因數。
3、 根據權利要求2所述的裝置，其中所述可變的占空因數是連續(xù)可變的。
4、 根據權利要求2所述的裝置，其中所述可變的占空因數是離散可變的。
5、 根據權利要求2所述的裝置，其中，在通過所述脈寬調制信號來控 制所述分流開關之前，所述控制電路用于當啟動所述電機時將所述分流開關 斷開一段預定的時間。
6、 根據權利要求2所述的裝置，還包括旁路開關，以并聯電連接被耦合到所述串聯電容的兩端，用于為所述串 聯電容設置旁路從而獲得所述電機的基本上全速操作； 其中，在通過所述脈寬調制信號來斷開所述旁路開關和控制所述分流開 關之前，所述控制電路用于當啟動所述電機時將所述旁路開關閉合一段預定 的時間。
7、 根據權利要求2所述的裝置，還包括:第一串聯開關，以串聯電連接與所述串聯電容耦合，所述第一串聯開關 具有控制輸入；第二串聯電容，適合于以串聯電連接被耦合在所述AC電源和AC電機 之間；以及第二串聯開關，以串聯電連接與所述第二串聯電容耦合，所述第二串聯 開關具有控制輸入；其中所述控制電路用于當離散地控制所述第一串聯開關和第二串聯開 關時保持所述分流開關是未導通的，從而依據所述第一串聯開關和第二串聯 開關的導通狀態(tài)所述電機速度是離散可控的。
8、 根據權利要求6所述的裝置，其中所述控制電路還用于在期望的電 機速度高于預定閾值時通過脈寬調制信號來控制所述分流開關，并且在所述 期望的電機速度低于預定閾值時離散地控制所述第一串聯開關和第二串聯 開關。
9、 根據權利要求1所述的裝置，其中所述控制電路以依據所述AC電 源電壓的線頻率的頻率來控制所述分流開關的導通時間。
10、 根據權利要求9所述的裝置，其中所述控制電路以兩倍于所述AC 電源電壓的線頻率的頻率來控制所述分流開關的導通時間。
11、 根據權利要求l所述的裝置，還包括-電機電壓監(jiān)控電路，適合于被耦合到所述電機以監(jiān)控所述電機兩端的電 壓；所述電機電壓監(jiān)控電路具有被耦合到所述控制電路的輸出。
12、 根據權利要求11所述的裝置，其中當所述電機兩端的電壓接近于O伏時所述控制電路使得所述分流開關變?yōu)閷ā?br> 13、 根據權利要求l所述的裝置，其中所述分流開關包括半導體設備。
14、 根據權利要求13所述的裝置，其中所述半導體設備包括兩個反串 連接的場效應管。
15、 根據權利要求13所述的裝置，其中所述半導體設備包括整流橋中 的場效應管。
16、 根據權利要求l所述的裝置，還包括以并聯電連接被耦合于所述串 聯電容兩端的旁路開關，用于為所述串聯電容設置旁路以獲得所述電機的基 本上全速操作。
17、 根據權利要求16所述的裝置，其中所述旁路開關包括半導體設備。
18、 根據權利要求1所述的裝置，還包括分流電容，適合于以分流電連接被耦合在所述AC電機的兩端。
19、 一種用于控制AC電機速度的方法，該AC電機由來自AC電源的 AC電源電壓來驅動，該方法包括以下步驟 將第一電容以串聯電連接耦合在所述AC電源和AC電機之間； 將第一開關以分流電連接耦合在所述AC電機的兩端，所述第一開關具 有用于控制所述第一開關的導通時間的控制輸入；以及 控制所述第一開關的導通時間以改變所述電機的速度； 由此依據所述第一開關的導通時間所述電機速度是可控的。
20、 根據權利要求18所述的方法，其中所述控制步驟包括產生脈寬調 制信號來控制所述第一開關的導通時間，所述脈寬調制信號具有可變的占空 因數以改變所述電機速度。
21、 根據權利要求20所述的方法，其中所述可變的占空因數是連續(xù)可 變的。
22、 根據權利要求20所述的方法，其中所述可變的占空因數是離散可 變的。
23、 根據權利要求20所述的方法，還包括以下步驟 當開啟所述電機時將所述第一開關斷開一段預定量的時間以獲得所述電機的最大速度操作；以及在所述預定量的時間過去之后用所述脈寬調制信號來控制所述第一開關。
24、 根據權利要求20所述的方法，還包括以下步驟 將第二開關以并聯電連接與所述第一電容耦合；當啟動所述電機時將所述第二開關閉合一段預定量的時間來為所述第 一電容設置旁路從而獲得所述電機的基本上全速操作； 在所述預定量的時間終止后斷開所述第二開關；以及 在所述預定量的時間流逝后用所述脈寬調制信號來控制所述第一開關。
25、 根據權利要求20所述的方法，還包括以下步驟 將第二開關以串聯電連接與所述第一電容耦合，所述第二開關具有控制輸入；將第二電容以串聯電連接耦合在所述AC電源和AC電機之間；以及 將第三開關以串聯電連接與所述第二電容耦合，所述第三開關具有控制 輸入；以及離散地控制所述第二開關和第三開關，同時保持所述第一開關未導通； 由此依據所述第二開關和第三幵關的導通狀態(tài)所述電機速度是離散可 控的。
26、 根據權利要求25所述的方法，還包括以下步驟 當期望的電機速度高于預定閾值時用脈寬調制信號來控制所述第一開關；以及當所述期望的電機速度低于預定閾值時離散地控制所述第二開關和第 三開關。
27、 根據權利要求19所述的方法，其中所述控制步驟包括以依據所述 AC電源電壓的線頻率的頻率來控制所述第一開關的導通時間。
28、 根據權利要求27所述的方法，其中所述控制步驟包括以兩倍于所 述AC電源電壓的線頻率的頻率來控制所述第一開關的導通時間。
29、 根據權利要求19所述的方法，其中所述控制步驟包括監(jiān)控所述電機兩端的電壓。
30、 根據權利要求29所述的方法，其中所述控制步驟還包括當所述電 機兩端的電壓接近0伏時使所述第一開關變?yōu)閷ā?br> 31、 根據權利要求19所述的方法，其中所述第一開關包括半導體設備。
32、 根據權利要求31所述的方法，其中所述半導體設備包括兩個反串 連接的場效應管。
33、 根據權利要求31所述的方法，其中所述半導體設備包括整流橋中 的場效應管。
34、 根據權利要求19所述的方法，還包括以下步驟 將第二開關以并聯電連接與所述第一電容耦合；以及 閉合所述第二開關以為所述第一電容設置旁路從而獲得所述電機的基本上全速操作。
35、 根據權利要求34所述的方法，其中所述旁路開關包括半導體設備。
36、 根據權利要求19所述的方法，還包括以下步驟 將第二電容以分流電連接耦合在所述AC電機的兩端。
全文摘要
一種用于控制AC電機速度的裝置，包括適合與AC電機的電源端并聯耦合的開關；與所述開關和電機的并聯組合串聯耦合的電容；所述電容適合于將來自AC電源的AC電源電壓提供給包括所述電機和開關的并聯電路；以及控制電路，其用于控制所述開關的導通時間從而改變所述電機的速度。優(yōu)選地，所述開關以兩倍于所述AC電源電壓線頻率的頻率被脈寬調制，而且當所述AC電機兩端的電壓為0伏特時，所述開關被開啟。所述裝置用于在最小化所述電機中的噪聲時提供所述電機速度的連續(xù)可變控制。
文檔編號H02P6/00GK101366168SQ200680028138
公開日2009年2月11日 申請日期2006年6月6日 優(yōu)先權日2005年6月6日
發(fā)明者A·多賓斯, C·M·吳, J·P·斯坦納, S·德容格 申請人:路創(chuàng)電子公司