CN102522932A - 空调直流无刷电机系统及其转速控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空调技术。本发明解决了现有空调器采用抽头电机或PG电机效率低且发热量大的问题，提供了一种空调直流无刷电机系统及其转速控制方法，其技术方案可概括为：空调直流无刷电机系统，其特征在于，包括空调室内机本体及电机壳内集成了电机微处理器和控制软件的直流无刷电机，所述空调室内机本体包括室内机微处理器及直流无刷电机驱动电路，所述室内机微处理器与直流无刷电机驱动电路连接，直流无刷电机驱动电路与直流无刷电机连接。本发明的有益效果是，达到了效率高、耗电量低、体积小、功率密度大、扭矩大、传动系统的动态响应快、噪音低等要求，适用于家用空调器。

Description

空调直流无刷电机系统及其转速控制方法

技术领域

本发明涉及空调技术，特别涉及空调室内机直流风扇电机调速技术。

背景技术

家用空调器，壁挂式室内送风装置一般为抽头电机或PG电机，柜机室内机则一般为抽头电机，通过微处理器控制风机的运转，实现室内风扇的自动送风。抽头电机的送风一般分为高风、中风、低风等几个级别风量，电机内部引出不同引线，微处理器通过控制与之相连接的继电器的开合，实现不同风量的送风，控制简单，但电机设计一旦定型，每档风量就固定不变。PG电机采用控制可控硅导通角的方法控制其转速，虽然电机转速可以在一定范围内无极调速，但是由于每个交流电正弦波正负半波时间中只有部分时间导通，势必造成对电源的污染和对其他电器的干扰，效率低，发热量大。无论是PG电机还是抽头电机，均属于一种低效率、高耗能的电机，使用其非常浪费能源。永磁同步直流无刷电机具有效率高、耗电量低、体积小、功率密度大、扭矩大、传动系统的动态响应快、噪音低等特点，使用场合越来越广泛。但是，永磁同步直流无刷电机的控制电路和软件复杂，硬件上需要整流模块、逆变器模块、电流电压采样电路和空间矢量驱动电路等，软件需要对霍尔元件等检测计算电机转子位置及电机速度或者通过反电动势等估算电机转子位置及电机速度，需要在三相静止坐标系A、B、C与两相静止坐标系α、β之间进行坐标变换，还需要在两相静止坐标系与随着转子旋转的d、q坐标系之间进行坐标变换甚至需要进行反变换，需要转速调节模块、d轴q轴电流调节模块、空间矢量模块用于驱动6只IGBT晶闸管，实现对电机的无极调速，开发难度大，开发周期长。电机壳内集成了电机微处理器和控制软件的直流无刷电机一般还包括从外壳引出的六条管脚，分别为管脚一、管脚二、管脚三、管脚四、管脚五及管脚六，按照电机生产厂商的规格书定义，管脚一引线为红色，是310V直流电压输入脚，管脚二未用，没有引线，管脚三引线为黑色，是电机内部地线输入脚，管脚四引线为白色，为15V直流电压输入脚，管脚五引线为黄色，连接占空比可变的PWM波输入信号，为输入脚，用于设定电机转速，管脚六引线为蓝色，为电机转速输出脚，此脚以脉冲的方式输出电机的转速，对应此型号的电机，则每转输出x个脉冲。

发明内容

本发明的目的是克服目前空调器采用抽头电机或PG电机效率低且发热量大的缺点，提供一种空调直流无刷电机系统及其转速控制方法。

本发明解决其技术问题，采用的技术方案是，空调直流无刷电机系统，其特征在于，包括空调室内机本体及电机壳内集成了电机微处理器和控制软件的直流无刷电机，所述空调室内机本体包括室内机微处理器及直流无刷电机驱动电路，所述室内机微处理器与直流无刷电机驱动电路连接，直流无刷电机驱动电路与直流无刷电机连接。

具体的，所述直流无刷电机包括直流无刷电机检测及执行模块和电机微处理器，所述电机微处理器与直流无刷电机驱动电路连接，直流无刷电机检测及执行模块与电机微处理器连接。

进一步的，所述直流无刷电机还包括从外壳引出的六条管脚，分别为管脚一、管脚二、管脚三、管脚四、管脚五及管脚六，所述直流无刷电机驱动电路包括第一直流电源输入端、第二直流电源输入端、光电耦合器一、光电耦合器二、电阻一、电阻二、电阻三、电解电容、电容二、电容三、二极管及地线，所述室内机微处理器包括转速控制接口及转速反馈接口，所述转速控制接口与光电耦合器一中二极管正极连接，光电耦合器一中二极管负极与地线连接，光电耦合器一中光电三极管的集电极与第二直流电源输入端连接，光电耦合器一中光电三极管的发射极与电阻三的一端连接，电阻三的另一端与电阻一的一端连接，并与电解电容的正极连接，且与二极管的正极连接，二极管的负极与第二直流电源输入端连接，电解电容的负极与电阻一的另一端连接，并与地线连接，电解电容的正极与管脚五连接，管脚四与第二直流电源输入端连接，管脚三与地线连接，转速反馈接口与光电耦合器二中光电三极管的集电极连接，光电耦合器二中光电三极管的发射极与地线连接，光电耦合器二中二极管正极与第二直流电源输入端连接，光电耦合器二中二极管负极与电阻二的一端连接，并与电容三的一端连接，电阻二的另一端与管脚六连接，且与电容二的一端连接，电容二的另一端与电容三的另一端连接，并与地线连接。

具体的，所述第一直流电源输入端为310V直流电压；所述第二直流电源输入端为15V直流电压。

空调直流无刷电机系统的转速控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.室内机微处理器通过转速反馈接口检测电机转动发出的n2个脉冲所需要消耗的时间，得到实际时间；

b.室内机微处理器计算转速控制接口设定的转速对应的n2个脉冲所需要消耗的时间，得到理论时间；

c.室内机微处理器计算理论时间与实际时间之间的误差值，将误差值作为PI调节器的输入，将PI调节器的输出作为充电时间的修正量，通过PI调节器修正室内机微处理器转速控制接口输出的PWM波占空比，进而控制电机微处理器进行调速。

本发明的有益效果是，通过上述空调直流无刷电机系统及其转速控制方法，由于采用直流无刷电机，达到了效率高、耗电量低、体积小、功率密度大、扭矩大、传动系统的动态响应快、噪音低等要求，且通过检测直流无刷电机的脉冲对直流无刷电机的转速进行控制，避开了复杂的软件和模块。

附图说明

图1为本发明实施例的系统框图；

图2为本发明实施例中直流无刷电机驱动电路的电路图；

图3为本发明实施例中转速控制信号PWM波形示意图；

图4是本发明实施例中电解电容两端电压波形示意图；

其中，D1为光电耦合器一，D2为光电耦合器二，R1为电阻一，R2为电阻二，R3为电阻三，C1为电解电容，C2为电容二，C3为电容三，IO1为转速控制接口，IO2为转速反馈接口，MCU1为电机微处理器，MCU2为室内机微处理器，VCC1为第一直流电源输入端，VCC2为第二直流电源输入端，VD1为二极管。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

本发明所述空调直流无刷电机系统由空调室内机本体及电机壳内集成了电机微处理器MCU1和控制软件的直流无刷电机组成，其中，空调室内机本体包括室内机微处理器MCU2及直流无刷电机驱动电路，室内机微处理器MCU2与直流无刷电机驱动电路连接，直流无刷电机驱动电路与直流无刷电机连接。本发明的空调直流无刷电机系统的转速控制方法为：首先室内机微处理器MCU2通过转速反馈接口IO2检测电机转动发出的n2个脉冲所需要消耗的时间，得到实际时间，室内机微处理器MCU2再计算转速控制接口IO1设定的对应的n2个脉冲所需要消耗的时间，得到理论时间，然后室内机微处理器MCU2计算理论时间与实际时间之间的误差值，将误差值作为PI调节器的输入，将PI调节器的输出作为充电时间的修正量，通过PI调节器修正室内机微处理器MCU2转速控制接口IO1输出的PWM波占空比，进而控制电机微处理器MCU1进行调速。

实施例

本例的直流无刷电机包括直流无刷电机检测及执行模块和电机微处理器MCU1，本例的系统框图如图1，本实施例中直流无刷电机驱动电路的电路图如图2，本实施例中转速控制信号PWM波形示意图如图3，本实施例中电解电容C1两端电压波形示意图如图4。

首先由空调直流无刷电机系统由空调室内机本体及电机壳内集成了电机微处理器MCU1和控制软件的直流无刷电机组成空调直流无刷电机系统，其中，空调室内机本体包括室内机微处理器MCU2及直流无刷电机驱动电路，室内机微处理器MCU2与直流无刷电机驱动电路连接，直流无刷电机包括直流无刷电机检测及执行模块和电机微处理器MCU1，电机微处理器MCU1与直流无刷电机驱动电路连接，直流无刷电机检测及执行模块与电机微处理器MCU1连接。具体的，直流无刷电机还包括从外壳引出的六条管脚，分别为管脚一、管脚二、管脚三、管脚四、管脚五及管脚六，所述直流无刷电机驱动电路包括第一直流电源输入端VCC1、第二直流电源输入端VCC2、光电耦合器一D1、光电耦合器二D2、电阻一R1、电阻二R2、电阻三R3、电解电容C1、电容二C2、电容三C3、二极管VD1及地线，所述室内机微处理器MCU2包括转速控制接口IO1及转速反馈接口IO2，转速控制接口IO1与光电耦合器一D1中二极管正极连接，光电耦合器一D1中二极管负极与地线连接，光电耦合器一D1中光电三极管的集电极与第二直流电源输入端VCC2连接，光电耦合器一D1中光电三极管的发射极与电阻三R3的一端连接，电阻三R3的另一端与电阻一R1的一端连接，并与电解电容C1的正极连接，且与二极管VD1的正极连接，二极管VD1的负极与第二直流电源输入端VCC2连接，电解电容C1的负极与电阻一R1的另一端连接，并与地线连接，电解电容C1的正极与管脚五连接，管脚四与第二直流电源输入端VCC2连接，管脚三与地线连接，转速反馈接口IO2与光电耦合器二D2中光电三极管的集电极连接，光电耦合器二D2中光电三极管的发射极与地线连接，光电耦合器二D2中二极管正极与第二直流电源输入端VCC2连接，光电耦合器二D2中二极管负极与电阻二R2的一端连接，并与电容三C3的一端连接，电阻二R2的另一端与管脚六连接，且与电容二C2的一端连接，电容二C2的另一端与电容三C3的另一端连接，并与地线连接，这里第一直流电源输入端VCC1为310V直流电压，第二直流电源输入端VCC2为15V直流电压。

空调直流无刷电机系统的转速控制方法为：首先室内机微处理器MCU2通过转速反馈接口IO2检测电机转动发出的n2个脉冲所需要消耗的时间，得到实际时间，室内机微处理器MCU2再计算转速控制接口IO1设定的转速对应的n2个脉冲所需要消耗的时间，得到理论时间，然后室内机微处理器MCU2计算理论时间与实际时间之间的误差值，将误差值作为PI调节器的输入，将PI调节器的输出作为充电时间的修正量，通过PI调节器修正室内机微处理器MCU2转速控制接口IO1输出的PWM波占空比，进而控制电机微处理器MCU1进行调速。

假设直流无刷电机每转输出m个脉冲，而电机转速为n1转/分钟，则每秒钟转数为(n1/60)，单位为转/秒，则此时电机输出的脉冲数为(m*n1)/60，单位为脉冲数/秒。当然，如果知道了电机检测n2个脉冲所需要的时间为T秒，则反过来也可以计算出电机的实际转速为(60*n2)/(T*m)，单位为转/分钟。为了便于处理，实际软件设计中，以检测电机反馈n2个脉冲对应的时间作为调节的基准。室内机微处理器MCU2通过转速反馈接口IO2检测电机n2个反馈脉冲所需要消耗的时间，假设室内机微处理器MCU2实际检测n2个脉冲对应的时间放入寄存器t20；室内机微处理器MCU2再计算转速控制接口IO1设定的转速对应的n2个脉冲理论所需时间为放入寄存器t21中，这一步可以事先由微机计算好，将不同转速对应的各个理论值存放于内存中，由室内机微处理器MCU2根据转速查询使用，再计算理论时间t21与实际时间t20之间的误差Δt，并将误差作为PI调节器的输入，将PI调节器的输出作为充电时间的修正量(作为被选择方案，由于PID调节分为比例(P)控制，积分(I)控制，微分(D)控制，还可以选择PI、PD、PID等调节方法)，通过PI调节器的输出修正室内机微处理器MCU2转速控制接口IO1输出PWM波占空比，控制电机微处理器MCU1对电机调速。

PI调节方法为：

首先由公式：u(t)＝Kpe(t)+KI1∫e(t)dt

其中，Kp＝为比例系数，KI1＝为积分系数，e(t)为调节器输入，u(t)为输出。

经过离散化得：

$u\left(k\right)=\mathrm{Kpe}\left(k\right)+\mathrm{KI}1*T_s\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(i\right)$

$=\mathrm{Kpe}\left(k\right)+\mathrm{KI}1*T_s\underset{i=1}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}e\left(i\right)+\mathrm{KI}1*T_{s}e\left(k\right)$

$u(k-1)=\mathrm{Kpe}(k-1)+\mathrm{KI}1*T_s\underset{i=1}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}e\left(i\right)$

其中T_s为采样周期。

Δu(k)＝u(k)-u(k-1)＝Kp[e(k)-e(k-1)]+KI1*T_se(k)

即

Δu(k)＝Kp[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)    (1)

其中KI＝KI1*T_s

u(k)＝u(k-1)+Δu(k)    (2)

由于将计算理论时间t21与实际时间t20之间的误差Δt(k)作为PI调节器的输入e(k)，由公式(1)迭代计算出Δu(k)，再由公式(2)计算出充电时间T1对应的寄存器1之值，即：寄存器1(k)＝寄存器1(k-1)+Δu(k)    (3)

然后PWM占空比的输出采用室内机微处理器MCU2内部任意一个定时器定时中断输出，在T1时间内转速控制接口IO1输出高电平，在T2＝(T-T1)时间内转速控制接口IO1输出低电平；根据T1、T2时间设置选中的定时比较器，使其在定时时间到而产生定时中断时，在其对应的中断服务程序中通过改变PWM的脉冲电平来实现。在室内机微处理器MCU2内部，定时时间是以定时比较器的值表示的，其对应的时间同晶振的频率，内部分频等有关；当晶振时钟频率为Y1MHz时，如果采用Y2分频，则寄存器1对应的时间为：

T1＝寄存器1*[1/(Y1*10⁶/Y2)]    (4)

当固定PWM周期时，可以由下式计算出固定周期时间T对应的寄存器3数值：

寄存器3数值＝T*(Y1*10⁶/Y2)    (5)

令：寄存器2＝寄存器3-寄存器1    (6)

则充电时间T1由寄存器1数值对应，放电时间T2由(6)式计算并由寄存器2确定，其值大小为(T-T1)。当单片机复位后，初始化寄存器1、寄存器3为一合适的值，使直流无刷电机在其对应的PWM波占空比条件下，最低限度电机能够克服启动力矩而转动。

设置充电时间长短为T1秒，即将寄存器1之数值放入定时比较器中并设置定时器为定时中断方式，允许定时器中断，转速控制接口IO1输出高电平，在T1秒定时时间到中断发生时，由(6)式计算并将寄存器2之值放入定时比较器中，使其产生定时时间长短为T2秒也即为(T-T1)秒的放电时间，将转速控制接口IO1输出由高电平改为输出低电平；在放电时间为T2秒定时时间到中断发生后，将由PI调节器修正公式(3)修正后的寄存器1之值放入定时比较器中，使其对应新的充电时间，将转速控制接口IO1输出由低电平改为输出高电平；在充电时间定时到中断发生时，由(6)式计算并将寄存器2之值放入定时比较器中，使其对应新的放电时间，将转速控制接口IO1输出由高电平改为输出低电平，并回到在放电时间为T2秒定时时间到中断发生后那一步进行循环。当出现关机时，或者需要电机停止工作时，则不再发出PWM，转速控制接口IO1保持为低电平即可。当再次需要电机工作时，则可由设置充电时间长短为T1秒那一步开始继续执行。

Claims (6)

1.空调直流无刷电机系统，其特征在于，包括空调室内机本体及电机壳内集成了控制微处理器和控制软件的直流无刷电机，所述空调室内机本体包括室内机微处理器及直流无刷电机驱动电路，所述室内机微处理器与直流无刷电机驱动电路连接，直流无刷电机驱动电路与直流无刷电机连接。

2.根据权利要求1所述空调直流无刷电机系统，其特征在于，所述直流无刷电机包括直流无刷电机检测及执行模块和电机微处理器，所述电机微处理器与直流无刷电机驱动电路连接，直流无刷电机检测及执行模块与电机微处理器连接。

3.根据权利要求2所述空调直流无刷电机系统，其特征在于，所述直流无刷电机还包括从外壳引出的六条管脚，分别为管脚一、管脚二、管脚三、管脚四、管脚五及管脚六，所述直流无刷电机驱动电路包括第一直流电源输入端、第二直流电源输入端、光电耦合器一、光电耦合器二、电阻一、电阻二、电阻三、电解电容、电容二、电容三、二极管及地线，所述室内机微处理器包括转速控制接口及转速反馈接口，所述转速控制接口与光电耦合器一中二极管正极连接，光电耦合器一中二极管负极与地线连接，光电耦合器一中光电三极管的集电极与第二直流电源输入端连接，光电耦合器一中光电三极管的发射极与电阻三的一端连接，电阻三的另一端与电阻一的一端连接，并与电解电容的正极连接，且与二极管的正极连接，二极管的负极与第二直流电源输入端连接，电解电容的负极与电阻一的另一端连接，并与地线连接，电解电容的正极与管脚五连接，管脚四与第二直流电源输入端连接，管脚三与地线连接，转速反馈接口与光电耦合器二中光电三极管的集电极连接，光电耦合器二中光电三极管的发射极与地线连接，光电耦合器二中二极管正极与第二直流电源输入端连接，光电耦合器二中二极管负极与电阻二的一端连接，并与电容三的一端连接，电阻二的另一端与管脚六连接，且与电容二的一端连接，电容二的另一端与电容三的另一端连接，并与地线连接。

4.根据权利要求3所述空调直流无刷电机系统，其特征在于，所述第一直流电源输入端为310V直流电压。

5.根据权利要求3或4所述多终端信息共享方法，其特征在于，所述第二直流电源输入端为15V直流电压。

6.空调直流无刷电机系统的转速控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.室内机微处理器通过转速反馈接口检测电机转动发出的n2个脉冲所需要消耗的时间，得到实际时间；

b.室内机微处理器计算相同转速对应的n2个脉冲所需要消耗的时间，得到理论时间；

c.室内机微处理器计算理论时间与实际时间之间的误差值，将误差值作为PI调节器的输入，将PI调节器的输出作为充电时间的修正量，通过PI调节器修正室内机微处理器转速控制接口输出的PWM波占空比，进而控制电机微处理器进行调速。

Images