泵组件和驱动泵组件的泵单元的叶轮的电动马达的控制方法与流程

1.本公开涉及一种泵组件和一种驱动泵组件的泵单元的叶轮的电动马达的控制方法。特别地，本公开适用于通过接收脉宽调制(pwm)控制信号而被外部控制的泵组件。


背景技术：

2.开水器、太阳能热系统或其他加热系统通常包括一个或多个泵组件，用于使水在加热回路中循环。开水器、太阳能热系统或其他加热系统的操作通常由中央加热控制单元控制。已知的是，泵组件可以包括用于从这种中央加热控制单元接收脉宽调制(pwm)控制信号的接口。例如，中央加热控制单元可以命令泵组件何时启动/停止或以什么速度运行。
3.例如，ep2778423a1描述了一种加热离心泵组件，其被配置为从外部控件接收pwm速度信号。
4.一般而言，pwm速度信号表示来自数字源的模拟信号，其中，pwm速度信号的特征在于以下属性：脉冲形状、幅度、占空比和频率。通常，脉冲形状是矩形的，但也可以具有其他形式，例如，三角形或锯齿状。幅度通常是固定的。占空比描述的是周期持续时间中信号处于高电平状态(“开启”)的占比。频率决定循环周期。占空比通常用于控制马达的当前速度，例如，50％的占空比可以被解译为泵马达速度的50％，或者低于10％的占空比可以被解译为用于关闭泵马达的信号。
5.然而，希望在对现有泵组件进行改变和调整尽可能少的情况下提供一种泵组件，其能够经由pwm接口接收更多的信息、配置或命令，而不仅仅是接收启动/停止或当前速度。


技术实现要素：

6.根据本公开的第一方面，提供了一种泵组件，包括：
[0007]-泵单元，包括用于泵送流体的叶轮，
[0008]-电动马达，用于驱动叶轮，
[0009]-控制模块，用于在控制模式下控制电动马达的速度，
[0010]-接口，用于接收脉宽调制(pwm)控制信号，该脉宽调制(pwm)控制信号具有指示电动马达的速度的占空比，
[0011]
其中，该控制模块被配置为在电动马达启动时，默认在配置模式下基于pwm控制信号在预定的配置窗口期间的占空比来将pwm控制信号解译为配置位序列。
[0012]
因此，控制模块可以包括pwm位序列检测器模块，其可以以软件或软件更新的形式在新的或现有的泵组件的微控制器上实现。微控制器可以是用于对驱动泵单元的叶轮的电动马达进行控制的电子设备的一部分，其中，该电子设备设置在泵组件的电子设备壳体中。
[0013]
需要注意的是，用于区分pwm控制信号中位序列的位的并不是pwm信号中的频率变化。相反，pwm控制信号的占空比的变化用于在配置模式下对位序列进行解译，因为这不需要检测频率变化所需的额外的硬连线输入电路。出于这一原因，控制模块被配置为在电动马达启动后预定的配置窗口期间默认在配置模式下启动。否则，pwm控制信号的占空比的变
化将被解译为针对每个“1”位，开启马达，并且针对每个“0”位，关闭马达。因此，配置模式是用于解译pwm控制信号的默认模式。
[0014]
可选地，配置窗口的最小长度可以由预定数量的pwm脉冲或预定时间段来定义。例如，在占空比的变化之间可能需要最小数量的脉冲(例如，六个脉冲)，以确保对逻辑位序列的稳定且可靠的解译。调制频率的范围可以在100hz与1khz之间。占空比变化之间的时间dc
δt
可以根据调制频率预定义为20ms与500ms之间的值。在配置位序列的起始处预定义的起始位序列可以具有一定数量的位，例如，六个起始位“010101”。
[0015]
例如，预定数量的pwm脉冲可能是250个，因此配置窗口的最小长度在1khz时可能是250ms并且在100hz时可能是2.5s，这提供了至少10位的空间来检查有效的起始位序列。配置窗口可以至少开放持续最小长度，以便可靠地确定是否接收到有效的起始位序列。如果接收到有效的起始位序列，则配置窗口可以保持开放以接收更多数据。否则，可以关闭配置窗口，即，控制模块可以从配置模式切换到控制模式。在控制模式下，占空比可以如马达速度设置那样“照常”解译。
[0016]
可选地，控制模块可以被配置为，如果解译后的配置位序列不符合预定的数据协议(例如，通用异步接收器发送器(uart)协议)，则从配置模式切换到控制模式。因此，无论何时违反了预定的数据协议，都可以关闭配置窗口。这甚至可以在配置窗口的最小长度过去之前实现。
[0017]
可选地，控制模块可以被配置为，如果控制模块识别出pwm控制信号中有效的同步序列，则从控制模式切换到配置模式。有效的同步序列可以在配置位序列的起始处包含预定义的起始位序列，其具有一定数量的位，例如，六个同步位“010101”。即使泵马达当前根据pwm信号先前在控制模式下设置的速度运行时，这也允许切换到配置模式。控制模块可以被配置为根据控制模式下的最新速度设置来维持配置窗口期间的速度。
[0018]
可选地，配置位序列的每个逻辑位可以由预定数量的脉冲上的占空比的值和/或模式来定义。例如，dc
δt
内占空比低于15％的至少六个连续脉冲可以定义“0”位，而dc
δt
内占空比高于15％的至少六个连续脉冲可以定义“1”位。
[0019]
可选地，控制模块可以被配置为在解译后的配置位序列中检测到有效的同步序列的情况下，延长配置窗口的长度，至少直到它已经接收到完整且有效的配置位序列为止。例如，完整且有效的配置位序列可以符合预定的数据协议，例如，uart协议。根据uart协议，具有四个寄存器(register)的完整且有效的配置位序列可能包括62位，在1khz下，对于dc
δt
＝20ms，其至少需要1.24秒，而在100hz下，对于dc
δt
＝60ms，其至少需要3.7秒。可以相应地延长配置窗口以接收一个或多个完整且有效的配置位序列。
[0020]
可选地，控制模块可以被配置为在它已经接收到完整且有效的配置位序列之后经由接口发送确认信号。因此，pwm接口可用于与外部控件进行双向通信。确认信号可以关闭配置窗口。当接收到确认信号时，外部控件可以停止发送位序列。否则，外部控件可以被配置为重复发送位序列。
[0021]
可选地，控制模块可以被配置为在配置窗口期间根据预定设置来控制电动马达的速度。该预定速度设置可以是固定的或自适应的。例如，它可能是pwm控制信号接收到的最新速度设置。
[0022]
可选地，控制模块可以被配置为在配置窗口过去之后根据接收到的pwm控制信号
在控制模式下控制电动马达的速度。
[0023]
可选地，有效的配置位序列可以具有预定的最大数量的位，其符合预定的数据协议(例如，通用异步接收器发送器(uart)协议)。
[0024]
根据本公开的第二方面，提供了一种驱动泵组件的泵单元的叶轮的电动马达的控制方法，包括：
[0025]-在泵组件的接口处接收脉宽调制(pwm)控制信号，
[0026]-在电动马达启动时，默认在配置模式下基于pwm控制信号在预定的配置窗口期间的占空比来将pwm控制信号解译为配置位序列，以及
[0027]-在配置窗口过去之后根据接收到的pwm控制信号的占空比在控制模式下控制电动马达的速度。
[0028]
可选地，配置窗口的最小长度可以由预定数量的pwm脉冲或预定时间段来定义。
[0029]
可选地，该方法还可以包括：验证解译后的配置位序列是否符合预定的数据协议，例如，通用异步接收器发送器(uart)协议。
[0030]
可选地，该方法还可以包括：如果发现解译后的配置位序列无效，则从配置模式切换到控制模式。
[0031]
可选地，该方法还可以包括：如果在pwm控制信号中识别出有效的同步序列，则从控制模式切换到配置模式。
[0032]
可选地，配置位序列的每个逻辑位可以由预定数量的pwm脉冲上的占空比的值和/或模式来定义。
[0033]
可选地，该方法还可以包括：在解译后的配置位序列中检测到有效的同步序列的情况下，延长配置窗口的长度，至少直到已经接收到完整的配置位序列为止。
[0034]
可选地，该方法还可以包括：在已经接收到完整且有效的配置位序列之后经由接口发送确认信号。
[0035]
可选地，该方法还可以包括：在配置窗口期间根据预定设置来控制电动马达的速度。
[0036]
可选地，有效的配置位序列可以具有预定的最大数量的位，其符合预定的数据协议(例如，通用异步接收器发送器(uart)协议)。
附图说明
[0037]
现在将参考以下附图通过示例的方式描述本公开的实施例，其中：
[0038]
图1示出了具有根据本文公开的发明配置的控制模块的泵组件的示例的透视图；
[0039]
图2a和图2b示出了不同的pwm输入曲线(input profile)的示意图；
[0040]
图3示出了基于pwm控制信号中占空比的变化的位序列；
[0041]
图4示出了基于pwm控制信号中占空比的变化和dc
δt
的两位；
[0042]
图5示出了根据本文公开的发明的优选实施例的用于经由pwm控制信号接收泵配置的预定的uart协议的示例；
[0043]
图6a和图6b示出了根据如图5中所示的预定的uart协议的同步序列和长度位序列的示例；
[0044]
图7示出了根据如图5中所示的预定的uart协议的寄存器标识位序列的示例；
[0045]
图8示出了在泵马达启动后的预定配置窗口内没有接收到有效的同步序列的情况下控制模块的行为；
[0046]
图9示出了在泵马达启动后的预定配置窗口内接收到有效的同步序列的情况下控制模块的行为；
[0047]
图10示出了当泵马达以根据pwm控制信号的速度运行时在接收到有效的同步序列的情况下控制模块的行为；
[0048]
图11示出了在接收到无效的配置位序列的情况下控制模块的行为；以及
[0049]
图12示出了用于配置泵组件的pwm序列检测器协议的示例。
具体实施方式
[0050]
图1示出了作为紧凑型湿运行离心泵单元的泵组件1，其用于使水在加热系统或太阳能热能(ste)系统中循环。泵组件1包括具有吸入口5和压力出口7的泵壳体3。围绕转子轴线r可旋转的叶轮(不可见)设置在泵壳体3内。永磁同步电动马达(pmsm)设置有马达壳体9，用于围绕转子轴线r驱动叶轮。马达壳体9基于转子轴线r轴向安装到泵壳体3。电子设备壳体11设置在马达壳体9的轴向端部处。电子设备壳体11包括用于控制电动马达的速度的电子设备，例如，变频器。经由位于泵组件1侧面处的电力插头13向电动马达和电子设备供电。此外，泵组件1包括pwm插口15，用于经由电缆从外部控件接收脉宽调制(pwm)控制信号。
[0051]
图1中可见的硬件可以是已经存在的泵组件1或与其非常类似。然而，位于电子设备壳体3中的电子设备包括与现有技术不同的控制模块。控制模块可以以安装在电子设备壳体11中的电子设备的现有组件(例如，微控制器)上的软件或软件更新的形式来实现。替代地或附加地，电子设备可以包括用于实现控制模块的专用硬件组件和/或电路。
[0052]
图2a和图2b示出了用于根据pwm控制信号来控制马达速度的两个不同的pwm曲线，该pwm控制信号经由pwm插口15从外部控件来接收。图2a示出了通常在加热系统中使用的pwm曲线a。当控制模块处于控制模式时，根据接收到的pwm控制信号的占空比设置马达转速。在低占空比时，例如低于10％，出于安全原因，将马达速度设置为最大速度。例如，在开水器系统中电缆断裂的情况下，泵组件1将继续以最大速度运行以将热量从开水器系统的主热交换器传递走。在10％至84％的占空比之间，速度向下线性缩减到84％占空比以上的最小速度。在占空比高于84％时，如果pwm控制信号在开关点附近波动，则迟滞阻止电动马达启动和停止。因此，马达在占空比高于95％时关闭，而在占空比为91％时开启。图2b示出了通常在太阳能热能(ste)系统中使用的pwm曲线c。与图2a中所示的曲线a相比，图2b中所示的曲线c有所倒置。再次，当控制模块处于控制模式时，根据接收到的pwm控制信号的占空比来设置马达速度。马达在5％占空比下启动，并以最小速度运行，直到占空比为15％为止。在15％至90％的占空比之间，速度向上线性增大到占空比高于90％时的最大速度。如果占空比从15％向下减小，出于安全原因，马达在8％的占空比下关闭。因此，如果pwm控制信号丢失(例如，由于电缆断裂)，则泵马达将停止以避免太阳能热系统过热。如果pwm控制信号在开关点附近波动，则对于曲线c，迟滞还阻止电动马达启动和停止。
[0053]
该示例中的控制模块包括pwm位序列检测器模块，其能够检测pwm控制信号中的数字位，而不管是使用曲线a还是曲线c。对于曲线a中84％至95％之间的占空比以及曲线c中8％至15％之间的占空比，最小速度设置的平稳状态可以被解译为逻辑位“0”。上述的任何
速度设置都可以被解译为逻辑位“1”。因此不需要改变pwm控制信号的频率来通过pwm控制信号传送数字信息。在下文中，假设使用曲线c作为示例。
[0054]
图3示出了可以如何通过在曲线c中10％至20％之间改变占空比来传送位序列形式的数字信息。如图4所示，可能需要某个最小数量的(例如，6个)pwm脉冲来确保正确且可靠地确定当前的占空比。调制频率的范围可以在100hz至1khz之间。占空比变化之间的时间dc
δt
可以根据调制频率预定义为20ms至500ms之间的值。例如，在1khz时在6ms内接收到6个脉冲，因此可以在20ms内接收到3位。然而，在100hz时，6个脉冲至少需要60ms，因此dc
δt
应大于60ms。
[0055]
图5示出了pwm位序列检测器模块期望接收的预定的数据协议的示例。它遵循通用异步接收器发送器(uart)标准。前六位是预定义的同步序列，即，特定的位模式，例如“101010”。接下来的三位表示数据长度或跟随的寄存器的数量，例如“100”，即四个寄存器。然后，每个寄存器后面有13位，其中前5位标识寄存器，而后8位包含每个寄存器的数据。配置位序列还可以包括用于交叉检查最后的寄存器数据是否有错的偶校验位。在校验位之后，配置位序列可以以停止位结束。停止位可以与同步序列的起始位相反，以保证后续配置位序列之间的至少一个逻辑位改变。因此，如果同步序列的起始位为“0”，则停止位可能为“1”。要注意的是，每个位序列块都以最低有效位(lsb)开始并以最高有效位(msb)结束，使得每个位序列块的二进制数中lsb为最低位而msb为最高位。
[0056]
图6a示出了“101010”的同步序列，pwm位序列检测器模块在配置位序列的起始处期望该同步序列。
[0057]
在配置位序列的起始处预定义的起始位序列可以具有一定数量的位，例如，六个起始位“010101”。因此，对于每6个pwm脉冲，占空比在10％和20％之间变化。图6b示出了用于随后的寄存器的长度或数量的接下来的三位的示例，即，这里为“100”，四个寄存器。图7示出了用于随后的寄存器id的接下来的五位的示例，即，这里为“01000”＝8。
[0058]
如果在马达启动后的前250个pwm脉冲内没有检测到有效的同步序列，则控制模块的行为如图8所示。250个pwm脉冲表示预定的配置窗口，其在1khz的pwm频率下对应于250ms。控制模块在启动后的默认模式是配置模式，其中，速度不是根据接收到的pwm控制信号进行设置的，而是设置为预定义的速度设置。预定义的速度设置可以是可重新配置的或固定的值，例如，最小速度。在这种情况下，外部控件不会发送配置位序列。它发送“普通”的pwm控制信号，泵马达将根据该信号运行。在250个pwm脉冲或250ms已经过去而没有接收到有效的同步序列后，控制模块被配置为切换到控制模式，以使用pwm控制信号来相应地设置马达速度。
[0059]
在图9中，外部控件确实在启动后的前250个pwm脉冲内发送了配置位序列。因此，配置窗口被延长，并且控制模块在250个pwm脉冲后不会切换回控制模式。只要控制模块需要接收完整的配置位序列，即在接收到停止位之前，它都保持在初始的配置模式下。在此期间，马达速度被设置为预定义的速度设置。在成功地接收到停止位后，控制模块执行配置并将确认信号发送回外部控件以执行握手。例如，确认信号可以是75％占空比下的六个脉冲。一旦发送了确认信号，控制模块就切换回控制模式，以将传入的pwm控制信号解译为速度设置。然而，pwm位序列检测器模块返回到监测pwm控制信号，以得到指示新的配置位序列的开始的任何同步序列。
[0060]
图10示出了在马达运行于控制模式下的同时发送配置位序列的罕见情况。在大多数情况下，外部控件会在启动后开放的配置窗口期间发送配置位序列。然而，由于pwm位序列检测器模块在控制模式下持续监测pwm控制信号，因此在检测到有效的同步序列的情况下，控制模块可以切换回配置模式。然后马达速度被设置为预定义的速度设置，并且配置模式一直保持直到成功地接收到完整的配置位序列为止。在发送了确认信号后，控制模块切换回控制模式。
[0061]
图11示出了失败的配置尝试，其中，配置模式由于无效数据而终止。在检测到损坏的、意料之外的或不合规的位序列后，控制模块切换到控制模式并等待指示重复的配置位序列的开始的另一个同步序列。没有确认信号被发送回外部控件。如果外部控件没有接收到确认信号，则重复配置模式。一旦检测到新的同步序列，控制模块就切换回配置模式以进行下一次配置尝试。
[0062]
图12示出了配置泵组件1以启用“进入平衡(go balance)”功能的示例，该功能是通过使用已连接的智能手机应用(app)进行液压平衡。如果通过相应地改变pwm控制信号的占空比来发送描述的配置位序列，则该功能由外部控件启用。
[0063]
若在前面的描述中提及了具有已知的、明显的或可预见的等同物的整数或元素，则这些等同物被合并在本文中，就如同单独阐述一样。应当参考权利要求书以用于确定本公开的真实范围，应将权利要求解读为涵盖任何这种等同物。读者还应理解，本公开中被描述为可选的、优选的、有利的、方便等等的整数或特征是可选的，并且不限制独立权利要求的范围。
[0064]
应理解，上述实施例为本公开的示例性示例。应当理解，针对任何一个方面或实施例描述的任何特征可以单独使用，或者与描述的其它特征结合使用，并且还可以与任何其它方面或实施例的一个或多个特征结合使用，或与任何其它方面或实施例的任何组合结合使用。尽管已经示出和描述了至少一个示例性方面或实施例，但是应当理解，其它修改、替换和变型对于本领域普通技术人员来说是显而易见的，并且可以在不脱离本文描述的主题的范围的情况下进行改变，并且本技术旨在涵盖在此讨论的特定实施例的任何改变或变型。
[0065]
此外，“包括”不排除其它元素或步骤，并且“一”或“一个”不排除复数形式。此外，已经参考上述示例性方面或实施例之一描述的特征或步骤也可以与上述其它示例性实施例的其它特征或步骤结合使用。方法步骤可以按任何顺序应用或并行应用，或者可以构成另一个方法步骤的一部分或更详细的版本。应当理解的是，所有这些合理且恰当地落入对本领域所作出的贡献范围内的修改都应该落入在所授权的专利的范围内。可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下作出这些修改、替换和变型，本公开的精神和范围应由所附权利要求及其合法等同物来确定。
[0066]
附图标记列表：
[0067]1ꢀꢀꢀꢀ
泵组件
[0068]3ꢀꢀꢀꢀ
泵壳体
[0069]5ꢀꢀꢀꢀ
吸入口
[0070]7ꢀꢀꢀꢀ
压力出口
[0071]9ꢀꢀꢀꢀ
马达壳体
[0072]
11
ꢀꢀꢀ
电子设备壳体
[0073]
13
ꢀꢀꢀ
电力插口
[0074]
15
ꢀꢀꢀꢀ
pwm插口
[0075]
dc
ꢀꢀꢀꢀ
占空比
[0076]
lsb
ꢀꢀꢀ
最低有效位
[0077]
msb
ꢀꢀꢀ
最高有效位。