CN109981007A - 直流电机的驱动控制系统与压缩式制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直流电机的驱动控制系统，其包括：电机驱动电路，包括整流电路、功率开关管、以及蓄能元件，其中功率开关管的第一受控端连接于整流电路的正极电压端，蓄能元件输入侧连接于功率开关管的第二受控端与整流电路的负极电压端之间，蓄能元件的输出侧用于连接被驱动的直流电机；电机控制器，包括指令接收接口、脉宽调制电路，其中指令接收接口配置成获取执行机构的控制器下发的转速调节指令，脉宽调制电路根据转速调节指令调制PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)驱动信号，供向功率开关管的控制端，以通过改变功率开关管的占空比调整直流电机的供电电压。本发明的方案大大提高了调压的范围，输出电压不再受输入电压的限制，拓宽应用场景。

Description

直流电机的驱动控制系统与压缩式制冷系统

技术领域

本发明涉及电机控制，特别是涉及直流电机的驱动控制系统与压缩式制冷系统。

背景技术

电机的应用范围非常广泛，据统计全球人类每年消耗的总能量，有一半以上都是电机的消耗。目前的电机按照工作电源分类主要包括直流电机和交流电机。直流电机作为最早出现的电动机,同时也是最早可以实现调速的电动机。由于它具有良好的线性调速特性、控制简单、效率高及优异的动态特性，长期以来一直占据着调速控制领域的统治地位。直流电机调速控制将直流电机作为控制对象，以直流电机驱动器为核心，以电力电子器件及功率变换装置为执行机构，可精确地控制电机转矩、转速和转角，将电能转换为机械能,实现运动控制的运动要求。

但是近年来直流电机越来越多地被交流电机取代，除了机械换向方面的可靠性因素，还有一个因素就是调速范围的限制。高电压的直流有刷电机驱动方案主要是通过H桥或半桥电路实现，先将输入的交流电压整流成脉动的直流电压，再经过电容滤波，将符合纹波要求的母线电压提供给H桥或半桥电路，驱动直流电机运转。这种方案虽然可以通过H桥或半桥电路来调整直流电机上获得的平均电压，实现调速，但调速范围却受到交流输入电压的限制，即直流电机上获得的最高电压不能高于交流电压的峰值，这样就限制了直流电机的应用范围，在一些对转速要求较高的产品上，只能选择交流电机或额外增加升压控制电路，使控制更加复杂且成本较高。

发明内容

本发明的一个目的是要提供一种至少解决上述部分技术问题的直流电机的驱动控制系统与压缩式制冷系统。

本发明一个进一步的目的是要提高直流电机的调速范围。

本发明另一个进一步的目的是要简化控制电路的构造。

特别地，本发明提供了一种直流电机的驱动控制系统，其包括：

电机驱动电路，包括整流电路、功率开关管、以及蓄能元件，其中功率开关管的第一受控端连接于整流电路的正极电压端，蓄能元件输入侧连接于功率开关管的第二受控端与整流电路的负极电压端之间，蓄能元件的输出侧用于连接被驱动的直流电机；

电机控制器，包括指令接收接口、脉宽调制电路，其中指令接收接口配置成获取执行机构的控制器下发的转速调节指令，脉宽调制电路根据转速调节指令调制PWM(PulseWidth Modulation，脉冲宽度调制)驱动信号，供向功率开关管的控制端，以通过改变功率开关管的占空比调整直流电机的供电电压。

可选地，蓄能元件包括：电感器，其第一端连接功率开关管的第二受控端，其第二端连接整流电路的负极电压端；二极管，其阴极端连接电感器的第一端，其阳极端用于连接直流电机的负极电源端；电容器，其第一端连接二极管的阳极端，其第二端连接电感器的第二端。

可选地，功率开关管为IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)，第一受控端为该IGBT的集电极，第二受控端为该IGBT的发射极。

可选地，脉宽调制电路包括：PWM计时器，用于根据转速调节指令对一个周期内的高低电平时间进行计时；以及PWM输出端，用于根据PWM计时器的计时输出PWM驱动信号。

可选地，上述直流电机的驱动控制系统还包括：电压反馈电路，用于检测直流电机的输入电压；以及采样器，与电压反馈电路相连，并配置成将输入电压转换为电压反馈信号。

可选地，电压反馈电路包括：串联的第一分压电阻和第二分压电阻，连接于电容器的两端，第一分压电阻和第二分压电阻的连接点作为电压反馈点。

可选地，上述直流电机的驱动控制系统还包括：电流反馈电路，用于检测直流电机的输入电流；并且采样器，还配置成将输入电流转换为电流反馈信号。

可选地，电流反馈电路包括：电流采样电阻，连接于电感器的第二端与整流电路的负极电压端之间的电流采样电阻；以及增幅器，连接于电流采样电阻两端，对电流采样电阻两端电压进行增幅，并提供给采样器处理。

可选地，直流电机为压缩式制冷系统中压缩机的驱动电机，并且转速调节指令根据压缩式制冷系统的制冷工况生成，制冷工况包括实测温度与目标温度的差值和/或实测温度的变化速度。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种压缩式制冷系统，使用直流电机驱动压缩机，并且包括上述任一种的直流电机的驱动控制系统，对直流电机进行控制。

本发明的直流电机的驱动控制系统，由于功率开关管连接在整流电路的正极电压端，通过受控开断，使得蓄能元件储能释能，既可以升高电压，又可以降低电压，大大提高了调压的范围，输出电压不再受输入电压的限制，拓宽应用场景。电机控制器接收执行机构驱动器下发的转速调节指令，向功率开关管的受控端发送PWM驱动信号，通过调整功率开关管的占空比来调整电机驱动电路的输出电压。

进一步地，本发明的直流电机的驱动控制系统，通过对电路构造的改进，电路结构简单，工作可靠。

进一步地，本发明的直流电机的驱动控制系统，还通过改进电机控制器，使得直流电机特别适用于压缩式制冷系统中压缩机，能够保证制冷系统的制冷量准确地满足制冷要求。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的直流电机的驱动控制系统的示意框图；

图2是根据本发明一个实施例的直流电机的驱动控制系统的电路的原理图；以及

图3是根据本发明一个实施例的压缩式制冷系统的示意框图。

具体实施方式

图1是根据本发明一个实施例的直流电机的驱动控制系统100的示意框图，该直流电机的驱动控制系统100一般性地可包括：电机驱动电路200以及电机控制器300。其中电机驱动电路200包括整流电路210、功率开关管220、以及蓄能元件230，其中功率开关管220的第一受控端连接于整流电路210的正极电压端，蓄能元件230输入侧连接于功率开关管220的第二受控端与整流电路210的负极电压端之间，蓄能元件230的输出侧用于连接被驱动的直流电机400。

上述功率开关管220可以为IGBT、MOS等开关器件，功率开关管220的控制端可以为IGBT的基极或MOS管的门极；第一受控端、第二受控端可以为 IGBT的集电极、发射极，或者MOS管的漏极、源极。

蓄能元件230可以为电容器、电感器以及单向截止元件等器件的组合，通过电容器、电感器的充放电来实现蓄能、释能。

功率开关管220连接在整流电路210的正极电压端，通过受控开断，使得蓄能元件230储能释能，既可以升高电压，又可以降低电压，大大提高了调压的范围，输出电压不再受输入电压的限制。

电机控制器300包括指令接收接口310、脉宽调制电路320，其中指令接收接口310配置成获取执行机构的控制器下发的转速调节指令。脉宽调制电路320 根据转速调节指令调制PWM驱动信号，供向功率开关管220的控制端，以通过改变功率开关管220的占空比调整直流电机400的供电电压。

电机控制器300接收执行机构驱动器下发的转速调节指令，向功率开关管 220的受控端发送PWM驱动信号，通过调整功率开关管220的占空比来调整电机驱动电路200的输出电压。

上述执行机构可为被直流电机带动的机构、例如制冷系统的压缩机、运动结构等，执行机构根据自身的要求设定所需的电机转速。执行机构的控制器可以为上述执行机构的主控装置，例如空调器的主控器或者运动控制器等。

图2是根据本发明一个实施例的直流电机的驱动控制系统100的电路的原理图。

整流电路210可以使用全桥整流(由二极管D1、D2、D3、D4构成的H 桥电路)，将外界输入的交流电源AC整流为直流，然后通过电机驱动电路200 进行调压。由于整流电路210本身是本领域技术人员所习知的，在本实施例中不做赘述。

蓄能元件230包括电感器L、电容器C、二极管D5。电感器L的第一端连接功率开关管220的第二受控端，电感器L的第二端连接整流电路210的负极电压端，直流电机400的正极电源端U+也连接至电感器L的第二端。二极管 D5的阴极端连接电感器L的第一端，二极管D5的阳极端用于连接直流电机 400的负极电源端U-。电容器C的第一端连接二极管D5的阳极端，电容器C 的第二端连接电感器L的第二端。

功率开关管220可以选用IGBT TR，第一受控端为该IGBT TR的集电极，第二受控端为该IGBT TR的发射极。本领域技术人员在本实施例的基础上，可以采用控制逻辑以及性能参数的其他器件，例如MOS管(Metal Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体管)等功率开关器件。

电机驱动电路200还设置有电压反馈电路、电流反馈电路，其中电压反馈电路用于检测直流电机的输入电压；电流反馈电路，用于检测直流电机的输入电流。

电压反馈电路可以包括串联的第一分压电阻R2和第二分压电阻R3，连接于电容器C的两端，第一分压电阻R2和第二分压电阻R3的连接点作为电压反馈点。

电流反馈电路可以包括电流采样电阻R1，连接于电感器L的第二端与整流电路210的负极电压端之间。

IGBT的基极由脉宽调制电路提供PWM驱动信号，当IGBT受控导通时开通时，直流电压给电感器L充电，电感器L储存能量，此时因二极管D5反向偏置，处于断开状态，直流电机400没有电流流过；当IGBT TR受控断开时，电感器L开始放电，给电容器C充电，二极管D5正向偏置，处于导通状态，直流电机400有电流流过。

直流电机400上获得的电压(电机驱动电路200的输出电压)与整流后的直流电压、IGBT TR的开关占空比直接相关，可表示为：

Vm＝-Vd×D/(1-D) (1)

在式(1)中，Vm为电机驱动电路200的输出电压，Vd为整流电路210 的输出电压，D为IGBT TR的开关占空比。

通过上述介绍可以看出，直流电机400的电源的极性与整流后的直流电压极性相反；在整流后的直流电压一定时，通过调整占空比D，可以实现直流电机400的电源电压的调整。

例如当D＝0.5时，直流电机400的电源电压Vm等于整流后的直流电压Vd；当D<0.5时，直流电机400的电源电压Vm小于整流后的直流电压Vd；当D>0.5 时，直流电机400的电源电压Vm大于整流后的直流电压Vd。因此上述电机驱动电路200可以根据实际需要，通过调整占空比，可以降低或升高直流电机400 的电源电压，最大电压不再受输入电压的限制，提高电机转速。

直流电机的驱动控制系统100中的电机控制器300还包括：脉宽调制电路 320、采样器330、增幅器AMP。

脉宽调制电路320包括：PWM计时器321以及PWM输出端322。PWM 计时器321用于根据转速调节指令对一个周期内的高低电平时间进行计时。 PWM输出端322，用于根据PWM计时器321的计时输出PWM驱动信号。

采样器330与电压反馈电路以及电流反馈电路相连，并配置成将输入电压转换为电压反馈信号，并且将直流电机400的输入电流转换为电流反馈信号。增幅器AMP可以用于对信号进行增幅(放大)以便采样器处理。例如增幅器 AMP可以连接于电流采样电阻R1两端，对电流采样电阻R1两端电压进行增幅，并提供给采样器330处理。电流采样电阻R1两端电压与直流电机400的输入电流呈正比，从而直接反映了输入电流的大小。增幅器AMP可以利用运算放大器电路搭建。由于运算放大器构建增幅器AMP的技术本身属于本领域技术人员所习知的，在此不做赘述。

采样器330内可以包括模拟数字转换装置(A/D转换器)将上述电压反馈信号以及电流反馈信号转换为数字信号。

电机控制器通过增幅器amp、脉宽调制电路进行交互和信号传递。信号处理器内可以安装有电机控制程序，以根据所述电压反馈信号以及电流反馈信号按照转速调节指令进行PWM信号的调制。

电机控制器300接收上位机(执行机构的控制器)的转速调节指令进行触发PWM计时器321，再经过脉宽调制电路320控制IGBT TR，调节电压，使直流电机400按照设定的转速进行运转；另一方面电流采样电阻R1将检测到的电流反馈信号，经过增幅器AMP放大，输出给采样器330的A/D转换器，同时第一分压电阻R2、第二分压电阻R3对直流电机400的输入电压进行分压，得到电压反馈信号输出给采样器330的A/D转换器。根据电流反馈信号以及电压反馈信号进行实际运转状态分析，与给定的转速指令对比，再通过触发PWM 计时器321和PWM输出端322进行反馈调节，最终完成闭环控制。

上述电机控制器300可以通过微处理器MCU、数字处理器DSP执行相应控制程序来实现。

直流电机400可用于压缩式制冷系统中压缩机的驱动电机，并且转速调节指令根据压缩式制冷系统的制冷工况生成，制冷工况包括实测温度与目标温度的差值和/或实测温度的变化速度。

图3是根据本发明一个实施例的压缩式制冷系统的示意框图。本实施例的压缩式制冷系统500使用直流电机400驱动压缩机510。上述任一实施例的直流电机的驱动控制系统100对直流电机400进行驱动控制。该压缩式制冷系统的主控器550(例如冰箱的主控器、空调器的主控器)根据自身运行状态发送相应的转速调节制冷。例如随着实测温度与目标温度的差值越大，直流电机400 的转速越高，相应需要提高电压；在实测温度变化速度过快时，降低直流电机 400转速，相应需要降低电压；在实测温度变化过低时，提高直流电机400转速，相应需要提高电压。

压缩式制冷系统500，通过制冷剂压缩循环使其蒸发器540释放冷量。压缩式制冷系统500一般具有四大部件，也即压缩机510、冷凝器520、节流装置 530和蒸发器540。压缩机510作为制冷循环的动力，由直流电机400拖动而不停地旋转，抽出蒸发器540内蒸气，并通过压缩作用提高制冷剂蒸气的压力和温度，创造将制冷剂蒸气的热量向外界环境介质转移的条件，也即将低温低压制冷剂蒸气压缩至高温高压状态。由于此类制冷系统本身是本领域技术人员习知且易于实现的，为了不掩盖和模糊本申请的发明点，在此不做赘述。

相比于现有技术中利用交流电机逐挡调节压缩机转速，本实施例的压缩式制冷系统500使用直流电机400进行压缩机510驱动，转速调节更加线性灵活，变速范围更广，可以更加符合制冷需求，节省了能耗；电机控制电路结构简单、工作可靠。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种直流电机的驱动控制系统，包括：

电机驱动电路，包括整流电路、功率开关管、以及蓄能元件，其中所述功率开关管的第一受控端连接于所述整流电路的正极电压端，所述蓄能元件输入侧连接于所述功率开关管的第二受控端与所述整流电路的负极电压端之间，所述蓄能元件的输出侧用于连接被驱动的直流电机；

电机控制器，包括指令接收接口、脉宽调制电路，其中所述指令接收接口配置成获取执行机构的控制器下发的转速调节指令，所述脉宽调制电路根据所述转速调节指令调制PWM驱动信号，供向所述功率开关管的控制端，以通过改变所述功率开关管的占空比调整所述直流电机的供电电压。

2.根据权利要求1所述的直流电机的驱动控制系统，其中所述蓄能元件包括：

电感器，其第一端连接所述功率开关管的第二受控端，其第二端连接所述整流电路的负极电压端；

二极管，其阴极端连接所述电感器的第一端，其阳极端用于连接所述直流电机的负极电源端；以及

电容器，其第一端连接所述二极管的阳极端，其第二端连接所述电感器的第二端。

3.根据权利要求2所述的直流电机的驱动控制系统，其中

所述功率开关管为IGBT，所述第一受控端为该IGBT的集电极，所述第二受控端为该IGBT的发射极。

4.根据权利要求2所述的直流电机的驱动控制系统，其中所述脉宽调制电路包括：

PWM计时器，用于根据所述转速调节指令对一个周期内的高低电平时间进行计时；以及

PWM输出端，用于根据所述PWM计时器的计时，输出所述PWM驱动信号。

5.根据权利要求2所述的直流电机的驱动控制系统，还包括：

电压反馈电路，用于检测所述直流电机的输入电压；以及

采样器，与所述电压反馈电路相连，并配置成将所述输入电压转换为电压反馈信号。

6.根据权利要求5所述的直流电机的驱动控制系统，其中所述电压反馈电路包括：

串联的第一分压电阻和第二分压电阻，连接于所述电容器的两端，所述第一分压电阻和所述第二分压电阻的连接点作为所述电压反馈点。

7.根据权利要求5所述的直流电机的驱动控制系统，还包括：

电流反馈电路，用于检测所述直流电机的输入电流；并且

所述采样器，还配置成将所述输入电流转换为电流反馈信号。

8.根据权利要求7所述的直流电机的驱动控制系统，其中所述电流反馈电路包括：

电流采样电阻，连接于所述电感器的第二端与所述整流电路的负极电压端之间的电流采样电阻；以及

增幅器，连接于所述电流采样电阻两端，对所述电流采样电阻两端电压进行增幅，并提供给所述采样器处理。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的直流电机的驱动控制系统，其中

所述直流电机为压缩式制冷系统中压缩机的驱动电机，并且

所述转速调节指令根据所述压缩式制冷系统的制冷工况生成，所述制冷工况包括实测温度与目标温度的差值和/或实测温度的变化速度。

10.一种压缩式制冷系统，使用直流电机驱动压缩机，并且包括：

根据权利要求1至9中任一项所述的直流电机的驱动控制系统，对所述直流电机进行控制。