CN102102681B - 风机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风机控制系统，包括驱动风机转动的驱动电机，基于所述风机的位置信息控制所述驱动电机的控制装置，其中所述风机控制系统进一步包括：三相电流采样装置，用于采样所述驱动电机的三相采样电流；电流计算装置，用于计算通过所述驱动电机的给定计算电流；估算装置，用于基于所述三相采样电流和所述给定计算电流估算所述风机的位置信息。实施本发明的风机控制系统，通过采样逆变模块一侧的电流输出，估算风机的角度位置和转速，从而得到控制逆变模块中的功率开关管的SVPWM控制信号，最终达到调节风机转速的目的，在省去位置传感器的同时，保证了对风机的精确控制。

Description

风机控制系统

技术领域

本发明涉及控制领域，更具体地说，涉及一种风机控制系统。

背景技术

在现有的空调风机控制系统中，位置传感器占据重要位置。位置传感器检测风机转子的位置信息，并将检测到的位置信息反馈给控制装置。控制装置根据该反馈的位置信息调节功率开关管的通断，进而调节空调风机的转速。目前常用的位置传感器包括光电编码器、霍尔传感器、测速发电机等等。然而，这些位置传感器往往体积庞大，因而不但安装复杂、维护不便而且大大增加了系统成本和体积。并且，某些位置传感器受工作环境的影响，使得系统的可靠性变差。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的风机控制系统必须安装位置传感器，导致安装复杂、维护不便而且大大增加了系统成本和体积的缺陷，提供一种无需位置传感器的风机控制系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种风机控制系统，包括驱动空调风机转动的驱动电机，基于所述风机的位置信息控制所述驱动电机的控制装置，其中所述风机控制系统进一步包括：

三相电流采样装置，用于采样所述驱动电机的三相采样电流；

电流计算装置，用于计算通过所述驱动电机的给定计算电流；

估算装置，用于基于所述三相采样电流和所述给定计算电流获得所述风机的估算位置信息。

在本发明所述的风机控制系统中，所述估算位置信息包括估算转速和估算角度位置。在本发明所述的风机控制系统中，所述估算装置进一步包括：

角度位置估算模块，用于接收所述三相采样电流和所述给定计算电流，并基于所述三相采样电流和所述给定计算电流计算估算角度位置；

转速估算模块，基于所述估算位置角度微分计算所述估算转速。

在本发明所述的风机控制系统中，所述角度位置估算模块进一步包括：

克拉克变换单元，用于接收所述三相采样电流并将所述三相采样电流转换成位于α，β坐标系中的α电流和β电流；

第一PI运算单元，用于接收所述α电流，β电流和给定计算电流，对所述α电流，β电流和给定计算电流进行PI运算以获得α反电动势和β反电动势；

反正切单元，用于接收所述α反电动势和β反电动势，并对所述α反电动势和β反电动势进行反正切运算以获得估算角度位置。

在本发明所述的风机控制系统中，所述控制装置进一步包括：

逆变模块，用于基于接收到的空间矢量脉宽调制控制信号控制所述驱动电机运行；

逆变电流采样模块，用于采样所述逆变模块的电流；

给定计算电流模块，用于接收所述估算转速并基于给定转速和所述估算转速计算给定计算电流；

空间矢量脉宽调制控制信号生成模块，用于接收所述给定计算电流和逆变模块采样电流，并基于所述给定计算电流和逆变模块采样电流生成空间矢量脉宽调制控制信号。

在本发明所述的风机控制系统中，所述空间矢量脉宽调制控制信号生成模块进一步包括：

第二PI运算单元，用于对所述给定计算电流和所述逆变模块采样电流进行PI运算以获得d和q坐标系中的d电压和q电压；

派克逆变换单元，用于对所述d电压和q电压进行派克逆变换以生成α，β坐标系中的α电压和β电压；

克拉克逆变换单元，用于对所述α电压和β电压进行克拉克逆变换以生成三相电压；

空间矢量脉宽调制控制信号生成单元，用于接收所述三相电压以基于所述三相电压生成用于所述空间矢量脉宽调制控制信号。

在本发明所述的风机控制系统中，所述控制装置进一步包括：

温度采样模块，用于采样所述逆变模块的温度信号；

过温保护模块，用于基于采样温度信号生成用于控制所述驱动电机关闭的过温保护信号。

在本发明所述的风机控制系统中，所述逆变电流采样模块包括连接到所述逆变模块的功率开关管一侧的电流采样单元，和与所述电流采样单元连接以放大所述逆变模块采样电流的调制放大单元。

在本发明所述的风机控制系统中，所述控制装置进一步包括连接到三相电源输入端以用于滤波三相电源输入电流的滤波模块。

在本发明所述的风机控制系统中，所述控制装置进一步包括连接到三相电源输入端以用于电磁兼容性(EMC)防护所述输入三相电源的EMC防护模块。

实施本发明的风机控制系统，通过采样所述驱动电机的三相采样电流和计算驱动电机的给定计算电流，从而估算风机的角度位置和转速，进而得到控制逆变模块中的功率开关管的空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse WidthModulation，SVPWM)控制信号，最终达到调节风机转速的目的，在省去位置传感器的同时，保证了对风机的精确控制。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是根据本发明的第一实施例的风机控制系统的原理框图；

图2是根据本发明的第一实施例的驱动电机的电路模型示意图；

图3是根据本发明的第一实施例的估算装置的原理框图；

图4是采用图3的估算装置310计算估算角度位置和估算转速的示意图；

图5是根据本发明的第二实施例的风机控制系统的控制装置的原理框图；

图6是根据本发明的第二实施例的风机控制系统的逆变电流采样模块示意图；

图7是根据本发明的第二实施例的风机控制系统的给定计算电流计算原理示意图；

图8是根据本发明的第二实施例的风机控制系统的空间矢量脉宽调制控制信号生成原理示意图。

具体实施方式

图1是根据本发明的第一实施例的风机控制系统的原理框图。如图1所示，本发明的风机控制系统，包括驱动电机500、控制装置400、三相电流采样装置100、电流计算装置200和估算装置300。其中所述驱动电机500可与风机连接，进而驱动空调的风机转动。所述控制装置400接收风机的位置信息，并基于该位置信息控制所述驱动电机，进而控制风机的启动、停止以及转速。在现有技术中，控制装置400所接收的位置信息一般来自位置传感器。而在本发明，并不在风机侧设置位置传感器，而是通过估算风机的角度位置和转速的方式为控制装置400提供风机的估算位置信息。在本发明的风机控制系统中，通过连接到驱动电机500侧的三相电流采样装置100来采样所述驱动电机的三相采样电流。接着该三相采样电流被送到估算装置300。在本发明的风机控制系统中，通过电流计算装置200来计算通过所述驱动电机500的给定计算电流。一般情况下，电流计算装置200可以基于驱动电机500的电路模型来进行计算给定计算电流。图2示出了本发明的驱动电机500的电路模型示意图。驱动电机500等效为电感Ls和电阻Rs，通过计算流过该等效电感Ls和电阻Rs的电流为给定计算电流。该驱动电机500的电路模型可以是固定，比如按照出厂设定，也可以根据实际使用情况对该电路模型进行调整。在本发明的其他优选实施例中，也可以采用其他方法设置给定计算电流。比如，可以按照驱动电机的类型，预设给定计算电流，也可以基于实际情况，调整给定计算电流。在获得所述采样三相电路和给定计算电流以后，估算模块300将基于该所述三相采样电流和给定计算电流获得所述风机的估算位置信息。

在本实施例中，可以采用现有技术中已知的风机控制装置和驱动电机来实现本发明。此外，可以采用现有技术中已知的任何三相电流采样装置来采样该驱动电机的三相采样电流。除了本申请图3示出的估算装置外，本领域技术人员也可以根据实际需要，基于该所述三相采样电流和给定计算电流获得所述风机的估算位置信息。

在本发明的优选实施例中，所述估算位置信息包括估算转速和估算角度位置。在本发明的其他实施例中，也可以根据实际需要设置其他估算位置信息，或可以使用实际的位置信息。

图3是根据本发明的第一实施例的估算装置的原理框图。如图3所示，该估算装置300包括角度位置估算模块310和转速估算模块320。其中，该角度位置估算模块300分别直接或者通信连接到该三相电流采样装置100和电流计算装置200，用于接收所述三相采样电流和所述给定计算电流。当然，也可将所述三相采样电流和所述给定计算电流存储在至少一个存储装置中。该角度位置估算模块300从所述存储装置从获取所述三相采样电流和所述给定计算电流。随后，所述角度位置估算模块310基于所述三相采样电流和所述给定计算电流计算估算角度位置。本发明下述实施例中示出了基于所述三相采样电流和所述给定计算电流计算估算角度位置的方法。而实际上，本领域技术人员也可采用本领域中已知的其他变换或者换算方法、公式和步骤来实现本发明。在角度位置估算模块310计算出估算角度位置后，将其发送给转速估算模块320。转速估算模块320在接收到估算角度位置后，可以微分计算所述估算转速。

在图3示出的实施例中，该估算装置310包括克拉克变换单元311、第一PI运算单元312和反正切单元313。图4示出了采用图3的估算装置310计算估算角度位置和估算转速的示意图。下面结合图3的装置和图4的示意图，对估算装置310的计算流程进行说明。该克拉克(Clark)变换单元311接收所述三相采样电流Iu，Iv，Iw，随后将所述三相采样电流Iu，Iv，Iw转换成位于α，β坐标系中的α电流Iα和β电流Iβ。随后第一PI运算单元312分别从所述克拉克(Clark)变换单元311和电流计算装置200(参见图2)中接收所述α电流Iα，β电流Iβ和给定计算电流Is，对所述Iα，β电流Iβ和给定计算电流Is进行加减PI运算以获得α反电动势Eα和β反电动势Eβ。反正切单元313接收该α反电动势Eα和β反电动势Eβ，并对所述α反电动势Eα和β反电动势Eβ进行反正切运算以获得估算角度位置θ。在计算出估算角度位置θ后，可将其发送给转速估算模块320。转速估算模块320在接收到估算角度位置θ后，可以微分计算所述估算转速v。

在图1-4中示出的实施例中，控制装置400可以采用现有技术中任何已知的，基于风机的位置信息对风机进行控制的控制装置。本领域技术人员根据本发明的教导，可以使用任何已知的风机控制装置来实现本发明。在此，本发明不受具体的风机控制装置的类型的限制。在本发明的优选实施例中，示出了一些特殊类型的控制装置，其配合本发明的估算装置使用时，具有更高的精度。

图5是根据本发明的第二实施例的风机控制系统的控制装置的原理框图。该控制装置可以用于图1中示出的风机控制系统，在此就仅对控制装置的组成进行说明。如图5所示，所述控制装置400包括逆变模块410、逆变电流采样模块420、给定计算电流模块430和空间矢量脉宽调制(SVPWM)控制信号生成模块440。其中该逆变模块410可与现有技术相同，其基于接收到的空间矢量脉宽调制控制信号控制所述驱动电机500(参见图1)运行。逆变电流采样模块420连接到所述逆变模块410侧，以用于采样所述逆变模块的电流。给定计算电流模块430与该估算装置300(参见图1)通信连接，用于接收所述估算转速并基于给定转速和所述估算转速计算给定计算电流。空间矢量脉宽调制控制信号生成模块440分别从所述给定计算电流模块430和逆变电流采样模块420接收所述给定计算电流和逆变模块采样电流，并基于所述给定计算电流和逆变模块采样电流生成空间矢量脉宽调制控制信号。

在图5示出的实施例中，所述逆变模块410可采用现有技术中已知的任何逆变模块，在此就不对其进行累述了。所述逆变电流采样模块420也可采用本领域中已知的任何采样电路。图6示出了优选的逆变电流采样模块420，其包括电流采样电路421和调制放大电路422。其中该电流采样电路421连接到逆变模块410的功率开关管侧以采样所述三相采样电流Iu，Iv和Iw，并将该三相采样电流Iu，Iv和Iw发送到调制放大电路422进行调制放大处理，以生成三相采样电流Isampleu，Isamplev，Isamplew。图7示出了使用给定计算电流模块430计算给定计算电流的计算原理示意图。给定计算电流模块430从所述估算装置300(参见图1)接收估算转速，并从存储器(未示出)中接收预存的给定转速，并对所述估算转速和所述给定转速进行加减PI运算，从而生成给定计算电流。

图8示出了基于图5示出的SVPWM控制信号生成模块400生成空间矢量脉宽调制控制信号生成原理示意图。下面结合图8和图5对该原理进行说明。如图5所示，所述空间矢量脉宽调制控制信号生成模块440进一步包括第二PI运算单元441、派克逆变换单元442、克拉克逆变换单元443和SVPWM控制信号生成单元444。其中，该第二PI运算单元441分别从所述给定计算电流模块430和逆变电流采样模块420接收所述给定计算电流Ig和逆变模块采样电流Is(参见图5)，并对所述给定计算电流Ig和逆变模块采样电流Is进行加减PI运算以获得d和q坐标系中的d电压Ud和q电压Uq。派克(Park)逆变换模块442接收所述d电压Ud和q电压Uq，并对其进行派克逆变换以生成α，β坐标系中的α电压Uα和β电压Uβ。随后克拉克逆变换单元443对所述α电压Uα和β电压Uβ进行克拉克逆变换以生成三相电压。接着，空间矢量脉宽调制控制信号生成单元444接收所述三相电压以基于所述三相电压生成用于所述空间矢量脉宽调制控制信号。该空间矢量脉宽调制控制信号接着发送给逆变模块410，进而用于控制所述驱动电机500(参见图1)运行。

在本发明的优选实施例中，为了保护逆变模块410，所述控制装置400进一步包括温度采样模块，用于采样所述逆变模块410的温度；以及过温保护模块，用于基于采样温度信号生成用于控制所述驱动电机关闭的过温保护信号。所述温度采样模块可以采用本领域中已知的任何测温装置，例如温度传感器等等；所述过温保护模块也可以采用本领域中已知的任何测温装置，例如过温保护电路等等。

在本发明的其他优选实施例中，所述控制装置进一步包括连接到三相电源输入端以用于滤波三相电源输入电流的滤波模块。在本发明的再一优选实施例中，所述控制装置进一步包括连接到三相电源输入端以用于EMC防护所述输入三相电源的EMC防护模块。本领域技术人员可以根据实际需要，采用现有技术中已知的任何滤波和EMC防护技术来实现本发明的上述滤波模块和EMC防护模块，在此就不对其进行累述了。

实施本发明的风机控制系统，通过采样逆变模块一侧的电流输出，估算风机的角度位置和转速，并将估算得到的角度位置和转速作为电压环的一个输入，对电压环进行比例积分控制，得到电流环的参考给定，对电流环进行比例积分控制，得到控制逆变模块中的功率开关管的SVPWM控制信号，最终达到调节风机转速的目的，在省去位置传感器的同时，保证了对风机的精确控制。

虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (7)

1.一种风机控制系统，包括驱动空调风机转动的驱动电机，基于所述风机的位置信息控制所述驱动电机的控制装置，其特征在于，所述风机控制系统进一步包括：

三相电流采样装置，用于采样所述驱动电机的三相采样电流；

电流计算装置，用于计算通过所述驱动电机的给定计算电流；

估算装置，用于基于所述三相采样电流和所述给定计算电流获得所述风机的估算位置信息；其中，所述估算位置信息包括估算转速和估算角度位置；

所述控制装置基于所述估算位置信息控制所述驱动电机从而控制所述空调风机的启动、停止以及转速；

所述估算装置进一步包括：

角度位置估算模块，用于接收所述三相采样电流和所述给定计算电流，并基于所述三相采样电流和所述给定计算电流计算估算角度位置；

转速估算模块，基于所述估算角度位置微分计算所述估算转速；

所述角度位置估算模块进一步包括：

克拉克变换单元，用于接收所述三相采样电流并将所述三相采样电流转换成位于α,β坐标系中的α电流和β电流；

第一PI运算单元，用于接收所述α电流，β电流和给定计算电流，对所述α电流，β电流和给定计算电流进行PI运算以获得α反电动势和β反电动势；

反正切单元，用于接收所述α反电动势和β反电动势，并对所述α反电动势和β反电动势进行反正切运算以获得估算角度位置。

2.根据权利要求1所述风机控制系统，其特征在于，所述控制装置进一步包括：

逆变模块，用于基于接收到的空间矢量脉宽调制控制信号控制所述驱动电机运行；

逆变电流采样模块，用于采样所述逆变模块的电流；

给定计算电流模块，用于接收所述估算转速并基于给定转速和所述估算转速计算给定计算电流；

空间矢量脉宽调制控制信号生成模块，用于接收所述给定计算电流和逆变模块采样电流，并基于所述给定计算电流和逆变模块采样电流生成空间矢量脉宽调制控制信号。

3.根据权利要求2所述风机控制系统，其特征在于，所述空间矢量脉宽调制控制信号生成模块进一步包括：

第二PI运算单元，用于对所述给定计算电流和所述逆变模块采样电流进行PI运算以获得d和q坐标系中的d电压和q电压；

派克逆变换单元，用于对所述d电压和q电压进行派克逆变换以生成α,β坐标系中的α电压和β电压；

克拉克逆变换单元，用于对所述α电压和β电压进行克拉克逆变换以生成三相电压；

空间矢量脉宽调制控制信号生成单元，用于接收所述三相电压以基于所述三相电压生成用于所述空间矢量脉宽调制控制信号。

4.根据权利要求2所述风机控制系统，其特征在于，所述控制装置进一步包括：

温度采样模块，用于采样所述逆变模块的温度信号；

过温保护模块，用于基于采样温度信号生成用于控制所述驱动电机关闭的过温保护信号。

5.根据权利要求2所述风机控制系统，其特征在于，所述逆变电流采样模块包括连接到所述逆变模块的功率开关管一侧的电流采样单元，和与所述电流采样单元连接以放大所述逆变模块采样电流的调制放大单元。

6.根据权利要求1所述风机控制系统，其特征在于，所述控制装置进一步包括连接到三相电源输入端以用于滤波三相电源输入电流的滤波模块。

7.根据权利要求1所述风机控制系统，其特征在于，所述控制装置进一步包括连接到三相电源输入端以用于电磁兼容性防护输入三相电源的电磁兼容性防护模块。

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