CN101464032A - 正弦直流变频空调控制器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种直流变频空调控制器,包括:室内机控制器部件100和室外机控制器部件200,室内机控制器部件100包括:单片机电路构成的室内机控制器102;参数设定部114;室内检测保护单元106;室外机控制器部件200包括:室外机控制器202,其通过火线通讯电路与室内机控制器102连接;室外检测保护单元204;PFC装置214;开关电源212;驱动单元220及用于驱动压缩机用永磁同步电机218的变频装置216。本发明还提供了一种利用该空调控制器控制压缩机运转的方法。通过本发明的技术方案实现了空调系统的快速制冷/制热能力,具有温度波动低、节能、噪音低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及空调控制器,尤其涉及一种正弦直流变频空调控制器及其控制方法。
背景技术
现有技术空调控制系统的控制器一般采用定速控制,也就是对速度一定的压缩机进行通断控制的方式,而这种通断方式控制系统能力的缺陷是温度波动较大、噪音大。从国外空调器的发展历程来看,为了追求舒适、高效、节能等性能,空调器由定速向变频过渡。
在变频空调中,分为交流、直流两大类,直流变频与交流变频相比,交流异步电机存在铜损、铁损、涡流损等损耗;直流电机的转子是永磁的,它比交流电机的效率高。由此可见,直流压缩机具有高效、过载能力大、控制方便等特点,使之成为变频空调发展的最终趋势。
目前常用的一种直流变频控制方式是方波变频(120度矩形波)方法,然而方波变频具有效率较低的缺陷。
发明内容
鉴于上述问题,本发明的目的在于提供一种正弦直流变频空调控制器及变频控制方法,以克服方波直流变频技术效率较低的缺陷。
根据本发明的一个方面,提供了一种直流变频空调控制器,包括室内机控制器部件以及通过火线通讯电路与其连接的室外机控制器部件,室内机控制器部件包括:室内机控制器,其为MCU,由单片机电路构成;参数设定部,与MCU的输入端连接,用于输入工作参数;室内检测保护单元,连接在室内机控制器检测和保护控制输入端;室外机控制器部件包括:室外机控制器DSP,由数字信号处理器电路构成,其通过火线通讯电路与MCU连接;室外检测保护单元,连接在室外机控制器检测和保护控制输入端;与DSP连接的开关电源,用以提供电源给DSP以及驱动单元;驱动单元输出端连接有用于驱动压缩机的变频装置,变频装置向压缩机用永磁同步电机输出电压空间矢量PWM波。
在上述的空调控制器中,室内机控制器部件还包括:与MCU连接的扫风电机控制部和室内风扇电机控制部;以及室外机控制器部件还包括:四通阀控制部,连接于DSP的一个输入端,用于切换制热制冷模式;电子膨胀阀控制部,连接于DSP的另一个输入端,用于调节冷媒质流量的大小;室外风扇电机控制部,连接于DSP的直流电机控制输出端。
在上述的空调控制器中,DSP中包括一存储单元,存储单元中存储有频率表,DSP从频率表中确定频率值并控制压缩机用永磁同步电机以该频率运行。
在上述的空调控制器中,室内机控制部件中,室内检测保护单元包括:室内温度检测单元、室内管温检测单元、用于显示温度、故障的显示单元。
在上述的空调控制器中,室内机控制器部件中,室内风扇电机控制部由开关电源经整流后的直流电压供电,由MCU控制其速度。
在上述的空调控制器中,室外机控制器部件中的室外检测保护单元包括:室外温度检测单元、室外管温度检测单元,压缩机排气温度检测单元、电流检测单元、母线电压检测单元、压缩机位置检测单元。
在上述的空调控制器中,室外机控制器部件中还包括功率因数校正装置,其连接在电源输入端与变频装置之间,用于改善功率因数以及提高母线电压。
在上述的空调控制器中,功率因数校正装置包括电抗器、整流桥、开关器件,并由DSP提供的脉宽调制信号进行驱动控制。
在上述的空调控制器中,室外风扇电机控制部由母线侧的直流电源供电,由DSP控制其速度。
在上述的空调控制器中,变频装置包括:整流桥、母线电压采样电路、电容、功率模块,并由DSP提供PWM信号给功率模块。
在上述的空调控制器中,室外机所有的控制部件都集成在一块控制板上,室外机所有的控制信号都由唯一的DSP来控制。
根据本发明的另一方面,提供了一种利用上述的控制器来控制压缩机频率的方法,包括以下步骤:步骤S102,压缩机启动后,在回油频率运行预定时间;步骤S104,检测室内环境温度T内与室内设定温度T设之间的温差ΔT以及室外环境温度T外;步骤S106,根据温差ΔT值以及室外环境温度T外值,从DSP中存储的频率表中查表确定压缩机运转频率f,控制压缩机以频率f运转。
在上述的方法中,还包括步骤S108,判断是否符合停机保护条件,如果符合停机保护条件则停机;若不符合停机条件,则继续执行以下步骤;步骤S110,判断是否符合降频保护条件;步骤S112,如果符合降频保护条件,则逐级降低当前频率f并运行预定时间,直到不符合降频保护条件,转到执行步骤S104。
在上述的方法中,停机保护条件为以下中至少一种:交流侧输入电流大于等于第一预定电流值I1、热交换器温度大于等于第一预定温度值T1、压缩机排气温度大于等于第三预定温度值T3、功率模块保护条件、过负荷保护条件。
在上述的方法中,降频保护条件为以下中至少一种:交流侧输入电流大于等于第二预定电流值I2但该电流小于第一预定电流值I1、热交换器温度大于等于第二预定温度值T2但该温度小于第一预定温度值T1、压缩机排气温度大于等于第四预定温度值T4但该温度小于第三预定温度值T3。
在上述的方法中,频率表包括制冷控制频率表和制热控制频率表,其中每个表存储有室内温度与室内设定温度的差值以及划分为多个温度区间的室外温度值,每一个温度差值和温度区间与唯一的频率值对应。
本发明通过采用正弦波直流变频控制技术实现了效率高、控制压缩机运行更平稳、噪音低的优点。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本申请的一部分,本发明的示例性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1是本发明实施例的变频空调控制器电路示意框图;
图2是图1中所示的控制器的室内机控制电路示意框图;
图3是图1中所示的控制器的室外机控制电路示意框图;
图4a和图4b分别是图1中所示的控制器的室外机控制电路的PFC部分及其电压、电流波形图;
图5是根据本发明一个实施例的压缩机频率控制流程图;以及
图6a、6b分别是频率控制流程中需要查询的制热、制冷表格。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施例进行详细描述。
首先参照图1,图1是本发明实施例的变频空调控制器电路示意框图。本发明的变频空调控制器,用于控制空调系统制冷与制热,该变频空调控制器由互相连接的室内机控制器部件100和室外机控制器部件200组成。变频空调控制器的基本框架是:以室内机控制器部件100为主导,室内机控制器部件100根据参数设定部设定的参数,判定运转状态,通过室内风扇电机控制部110调整室内风扇电机的转速和风向,并向室外机控制器部件200发送数据。室外机控制器部件200根据室内机控制器部件100传来的室内温度和设定温度的温差以及室外环境温度,适当地调节压缩机用永磁同步电机218的转速,从而达到最佳的能力控制。
如图1所示,该室内机控制器部件100包括:室内机控制器102,其为MCU,由单片机电路构成,与MCU 102连接的参数设定部114、室内检测保护单元106、室内风扇电机控制部110和扫风电机控制部108以及开关电源104。其中开关电源104输入端与电源线连接,输出端连接于MCU 102。该室外机控制器部件200包括:室外机控制器202,其为DSP(Digital Signal Processor),由数字信号处理器电路构成,其通过火线通讯接口与MCU 102相连,该DSP 202中包括一存储单元,存储单元中存储有频率表,DSP 202从频率表中确定频率值并控制压缩机用永磁同步电机218以该频率运行;与DSP 202相连的室外检测保护单元204,室外风扇电机控制部206、四通阀控制部208、电子膨胀阀控制部210、开关电源212、驱动单元220;PFC装置214及变频装置216,与驱动单元220相连,其中变频装置216的输出端与压缩机用永磁同步电机218相连,向压缩机用永磁同步电机218输出电压空间矢量PWM波,在压缩机中产生三相正弦电流。
由于方波变频控制一般属于120度导通控制,由其产生的旋转磁势是跳跃式的,因而转矩脉动较大,噪音比较大;而正弦波变频控制属于180度导通控制,由其产生的旋转磁势是连续的,因而比方波控制平稳,噪音低、转矩波动小。所以本发明中采用正弦变频技术具有明显优势。
参见图2,图2为图1中所示的室内机控制器部件100控制电路框图,本发明的变频空调控制器中的室内机控制器部件100必须完成相应的控制功能,同时处理人机交流问题,它具有测量室内环境温度和室内管温度、接收并处理从参数设定部114输入的信号、根据系统的状态来控制系统等功能,具有制冷、除湿、送风、制热、自动五种运行方式,并控制室内风扇电机运行、进行系统保护。室内机控制器部件100由参数设定部114、室内检测保护单元106等部件组成。其中MCU 102由单片机电路组成。MCU 102通过其电路内的火线通讯电路与DSP 202相连接;参数设定部114连接在MCU 102的输入端;室内检测保护单元106连接在室内机控制器检测和保护控制输入端,该室内检测保护单元106包括:室内温度检测单元1062、室内管温检测单元1064、显示单元1066,其中室内风扇电机110控制部连接于MCU 102的直流电机控制输出端,室内上下扫风电机控制部1082、左右扫风电机控制部1084连接于MCU102的步进电机控制输出端。
参见图3,图3是图1中所示的室外机控制器电路框图。室外机控制器部件200根据室内机控制部件100的信号,控制空调器室外部分的运行,具有对压缩机用永磁同步电机218进行驱动控制、对直流风机、四通阀、电子膨胀阀进行控制,以及具有室外检测保护等功能,并能够独立进行特殊状态运行和保护运行,包括除霜运行、欠电压保护运行、过负荷保护运行、过电流保护、压缩机过热保护运行、通信出错保护等。为此,室外机控制器部件200由DSP202、室外检测保护单元204、四通阀控制部208、电子膨胀阀控制部210、室外风扇电机控制部206、与DSP 202连接的开关电源212(图3中未示出)以及驱动单元220等组成;开关电源212用于提供电源给DSP 202以及驱动单元220;驱动单元220输出端连接有用于驱动压缩机用永磁同步电机218的变频装置216,变频装置216向压缩机用永磁同步电机218输出电压空间矢量PWM波。优选地,室外机控制器部件200中还包括功率因数校正装置214,其连接在电源输入端与变频装置216之间,用于改善功率因数以及提高母线电压。
其中,室外机控制器202为DSP,由数字信号处理器电路构成,用于控制空调器室外部分的运行,然而要进行各种运算,处理各种数据,通过各种算法及控制规律,协调空调室外机工作,室外机控制器的控制芯片是实现各种控制策略和算法的载体,在本实施例中,为了保证空调系统可靠、高效地运行,室外机控制器的控制芯片选用了Texas Instruments的TMS320LF240X系列中专门针对电机控制的DSP芯片;该DSP运算速度快,能快速进行各种数据处理,内部具有独特的流水线结构,其程序总线和数据总线相分开,能同时对程序空间和数据空间进行操作,这种优越的总线结构也进一步提高了数据处理速度,能适应实时系统控制快速要求。DSP 202通过其电路内的火线通讯电路与MCU 102相连接。DSP 202输出端与驱动单元220连接,以及在四通阀控制输出端与四通阀控制部208连接,在电子膨胀阀控制输出端与电子膨胀阀控制部210连接,在直流电机控制输出端与室外风扇电机控制部206连接;室外检测保护单元204连接在DSP 202输入端,其包括:室外环境温度检测单元2042、室外管温度检测单元2044、压缩机排气温度检测单元2046、电流检测单元2048、母线电压检测单元2050、压缩机位置检测单元2052;变频装置216连接在驱动单元220的输出端,其输出用于驱动压缩机用永磁同步电机218。
参见图4a和图4b,图4a是图1中所示的室外机的PFC部分,PFC输入端连接在电源的输入端,包含电抗器402、整流桥404、开关器件IGBT 406。其中驱动PFC的PWM信号来自DSP 202。图4b中示出了PFC电路的电压波形以及其输出的电流波形。该PFC的控制方式是在整流桥404电流导通前期使电抗器402强制短路,使得交流电源改善电流波形,在整流桥404电流导通的后期使电抗器402强制短路交流电源,从而使电流波形正弦度更高,功率因数更高谐波发射幅度更小。
图5为压缩机频率控制流程图,包括以下步骤:步骤S102,压缩机启动后,在回油频率运行第一预定时间,所述的回油频率是指的是压缩机在回油状态下的运行频率;步骤S104,检测室内环境温度T内与室内设定温度T设之间的温差ΔT以及室外环境温度T外;步骤S106,根据温差ΔT值以及室外环境温度T外值,从DSP中存储的频率表中查表确定压缩机运转频率f,控制压缩机以频率f运转;判断是否符合停机保护条件,如果符合停机保护条件则停机;若不符合停机条件,则继续执行以下步骤。(其中,停机保护条件为以下中至少一种:交流侧输入电流大于等于第一预定电流值I1、热交换器温度大于等于第一预定温度值T1、压缩机排气温度大于等于第三预定温度值T3、功率模块保护条件、过负荷保护条件):
步骤S110,判断是否符合降频保护条件,如果符合降频保护条件,则逐级降低当前频率f并运行预定时间,直到不符合降频保护条件,转到执行步骤S104,其中,降频保护条件为以下中至少一种:交流侧输入电流大于等于第二预定电流值I2但该电流小于第一预定电流值I1、热交换器温度大于等于第二预定温度值T2但该温度小于第一预定温度值T1、压缩机排气温度大于等于第四预定温度值T4但该温度小于第三预定温度值T3。
结合图5,参见图6a和图6b,其分别为频率控制流程中需要查询的制热、制冷表格,本实例中采用20个档,最低频率f0,最高频率f19,其值大小可根据实验测量而得。
以下为本实例的参数设定部114设定制冷、除湿、送风、制热、自动模式的具体描述:
1、当参数设定部114设定为制冷模式时,温度设定范围为16℃到30℃,此时室外机的四通阀关断,当室内环境温度T内≥设定温度T设时,进行制冷运行,室内风扇电机、室外风扇电机、压缩机投入运行。当室内环境温度T内≤设定温度T设-2℃时,压缩机停止运行,室外风扇电机延迟30秒停止运行,室内风扇电机按设定风速运行;当设定温度T设-2℃<室内环境温度T内<设定温度T设时,压缩机按照频率控制模式运行,此时,从DSP中存储的制冷控制频率表中查表确定压缩机运转频率f,并控制压缩机以该频率f运转,在该运转状态下,室内风扇电机、室外风扇电机保持原状态不变;当压缩机出现保护而停机时,室外风扇电机延迟30秒停机,室内风扇电机扫风电机保持原状。
2、当参数设定部114设定为除湿模式时,温度设定范围为16℃到30℃,此时室外机的四通阀关断,当室内环境温度T内≥设定温度T设时,进行除湿运行,室内风扇电机、室外风扇电机、压缩机投入运行,室内风扇电机按低转速运行。当室内环境温度T内≤设定温度T设-2℃时,压缩机停止运行,室外风扇电机延迟30秒停止运行,室内风扇电机按低风速运行;当设定温度T设-2℃<室内环境温度T内<设定温度T设时,压缩机按照频率控制模式运行,室内风扇电机、室外风扇电机保持原状态不变;当压缩机出现保护而停机时,室外风扇电机延迟30秒停机,室内风扇电机、扫风电机保持原状。
3、当参数设定部114设定为送风模式时,温度设定范围为16℃到30℃,此时,室外风扇电机,压缩机,四通阀均停止运行,室内风扇电机可选择高、中、低及自动运行模式。
4、当参数设定部114设定为制热模式时,温度设定范围为16℃到30℃,此时室外机的四通阀导通,当室内环境温度T内≤设定温度T设+2℃时,进入制热运行,室内风扇电机、室外风扇电机、压缩机用永磁同步电机218投入运行,室内风扇电机按设定转速运行。当室内环境温度T内≥设定温度T设+5℃时,压缩机停止运行,室外风扇电机延迟30秒停止运行,室内风扇电机按低风速运行60秒,其间风速不可更改;当设定温度T设+2℃<室内环境温度T内<设定温度T设+5℃时,压缩机按照频率控制模式运行,此时,从DSP中存储的制热控制频率表中查表确定压缩机运转频率f,并控制压缩机以该频率f运转,在该运转状态下,室内风扇电机、室外风扇电机保持原状态不变;当压缩机出现保护而停机时,室外风扇电机延迟30秒停机,室内风扇电机、扫风电机保持原状。
5、当参数设定部114设定为自动模式时,系统默认制冷设定温度T设=T冷,制热设定温度T设=T热,此时参数设定部114的温度设定不受控。开机上电时,当室内环境温度T内≤T热时,开机制热;当T热<室内环境温度T内<T冷时,开机送风;当室内环境温度T内≥T冷时,开机制冷。
当检测到室内环境温度T内≥设定温度T设,其中默认设定温度T设为T冷,选择制冷模式运行,当室内环境温度T内≤设定温度T设-2℃时,压缩机停止运行,室外风扇电机延迟30秒停止运行,室内风扇电机按设定风速运行。当设定温度T设-2℃<室内环境温度T内<设定温度T设时,压缩机按照频率控制模式运行,室内风扇电机、室外风扇电机保持原状态不变。
当检测到室内环境温度T内≤设定温度T设+2℃时,其中默认设定温度T设为T热,当室内环境温度T内≥设定温度T设+5℃时,压缩机停止运行,室外风扇电机延迟30秒停止运行,室内风扇电机按低风速运行60秒,其间风速不可更改;当设定温度T设+2℃<室内环境温度T内<设定温度T设+5℃时,压缩机按照频率控制模式运行,室内风扇电机、室外风扇电机保持原状态不变。
当自动模式运行一段时间后,检测到T热<室内环境温度T内<T冷时,保持原状态不变。
综上所述,由于本发明中采用正弦变频技术,并且控制器件采用全直流供电的方式,以及采用高速DSP芯片进行高速实时处理,并且利用PFC装置改善了功率因数及电流波形,以及通过查表控制压缩机运转频率的方式,实现了效率高、控制压缩机运行更平稳、噪音低等优点。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (16)
1.一种直流变频空调控制器,包括室内机控制器部件(100)以及通过火线通讯电路与其连接的室外机控制器部件(200),其特征在于:
所述室内机控制器部件(100)包括:室内机控制器(102),所述室内机控制器(102)为MCU,由单片机电路构成;参数设定部(114),与所述MCU的输入端连接,用于输入工作参数;室内检测保护单元(106),连接在所述室内机控制器检测和保护控制输入端;
所述室外机控制器部件(200)包括:室外机控制器(202),所述的室外机控制器(202)为DSP,所述DSP由数字信号处理器电路构成,其通过火线通讯电路与所述MCU连接;室外检测保护单元(204),连接在室外机控制器检测和保护控制输入端;与所述DSP连接的开关电源(212)用于提供电源给所述DSP以及驱动单元(220);所述驱动单元(220)输出端连接有用于驱动压缩机用永磁同步电机(218)的变频装置(216),所述变频装置(216)向所述压缩机用永磁同步电机(218)输出电压空间矢量PWM波。
2.根据权利要求1所述的直流变频空调控制器,其特征在于:所述室内机控制器部件(100)还包括:与所述MCU连接的扫风电机控制部(108)和室内风扇电机控制部(110);以及所述室外机控制器部件(200)还包括:四通阀控制部(208),连接于所述DSP的一个输入端,用于切换制热制冷模式;电子膨胀阀控制部(210),连接于所述DSP的另一个输入端,用于调节冷媒质流量的大小;室外风扇电机控制部(206),连接于所述DSP的直流电机控制输出端。
3.根据权利要求1或2所述的直流变频空调控制器,其特征在于:所述DSP中包括一存储单元,所述存储单元中存储有频率表,所述DSP从所述频率表中确定频率值并控制所述压缩机用永磁同步电机(218)以所述频率运行。
4.根据权利要求1或2所述的直流变频空调控制器,其特征在于:所述室内机控制部件(100)中,所述室内检测保护单元(106)包括:室内温度检测单元(1062),室内管温检测单元(1064),用于显示温度、故障的显示单元(1066)。
5.根据权利要求2所述的直流变频空调控制器,其特征在于:所述室内机控制器部件(100)中,所述室内风扇电机控制部(110)由开关电源(104)经整流后的直流电压供电,由所述MCU控制其速度。
6.根据权利要求1或2所述的直流变频空调控制器,其特征在于:所述室外机控制器部件(200)中的所述室外检测保护单元(204)包括:室外温度检测单元(2042)、室外管温度检测单元(2044),压缩机排气温度检测单元(2046)、电流检测单元(2048)、母线电压检测单元(2050)、压缩机位置检测单元(2052)。
7.根据权利要求1或2所述的直流变频空调控制器,其特征在于:所述室外机控制器部件(200)中还包括功率因数校正装置(214),其连接在电源输入端与所述变频装置(216)之间,用于改善功率因数以及提高母线电压。
8.根据权利要求7所述的直流变频空调控制器,其特征在于:所述功率因数校正装置(214)包括电抗器(402)、整流桥(404)、开关器件(406),并由所述DSP提供的脉宽调制信号进行驱动控制。
9.根据权利要求2所述的直流变频空调控制器,其特征在于:所述室外风扇电机控制部(206)由母线侧的直流电源供电,由所述DSP控制其速度。
10.根据权利要求1或2所述的直流变频空调控制器,其特征在于:所述变频装置(216)包括:整流桥(2162)、母线电压采样电路(2164)、电容(2166)、功率模块(2168),并由所述DSP提供PWM信号给所述功率模块。
11.根据权利要求1或2所述的直流变频空调控制器,其特征在于:室外机所有的控制部件都集成在一块控制板上,室外机所有的控制信号都由唯一的所述DSP来控制。
12.一种利用权利要求1所述的控制器来控制压缩机频率的方法,包括以下步骤:
步骤S102,压缩机启动后,在回油频率运行预定时间;
步骤S104,检测室内环境温度T内与室内设定温度T设之间的温差ΔT,以及室外环境温度T外;
步骤S106,根据所述温差ΔT值以及室外环境温度T外值,从DSP中存储的频率表中查表确定压缩机运转频率f,控制压缩机以所述频率f运转。
13.根据权利要求12所述的方法,其特征在于还包括以下步骤:
步骤S108,判断是否符合停机保护条件,如果符合所述停机保护条件则停机;若不符合所述停机条件,则继续执行以下步骤;
步骤S110,判断是否符合降频保护条件;
步骤S112,如果符合降频保护条件,则逐级降低当前频率f并运行预定时间,直到不符合所述降频保护条件,转到执行所述步骤S104。
14.根据权利要求13所述的方法,其特征在于:所述停机保护条件为以下中至少一种:交流侧输入电流大于等于第一预定电流值I1、热交换器温度大于等于第一预定温度值T1、压缩机排气温度大于等于第三预定温度值T3、功率模块保护条件、过负荷保护条件。
15.根据权利要求13所述的方法,其特征在于:所述降频保护条件为以下中至少一种:交流侧输入电流大于等于第二预定电流值I2但该电流小于第一预定电流值I1、热交换器温度大于等于第二预定温度值T2但该温度小于第一预定温度值T1、压缩机排气温度大于等于第四预定温度值T4但该温度小于第三预定温度值T3。
16.根据权利要求12-15中任一项所述的方法,其特征在于:所述频率表包括制冷控制频率表和制热控制频率表,其中每个表存储有室内温度与室内设定温度的差值以及划分为多个温度范围的温度区间,每一个所述温度差值和所述温度区间对应于唯一的频率值。
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