CN1118862A - 控制空调机电机的控制设备 - Google Patents

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Abstract

一种控制空调机电机的控制设备，包括一个具有改善输入功率因数的转接装置并用于将交流功率变换成直流功率的变换器、以及一个将所说直流功率变换成交流功率并提供给压缩机的逆变器。通过直流电压检测电路检测变换器的输出直流电压。控制逆变器的微计算机从根据检测的电压而存贮的数据计算一个电流指令。将检测的电流与该电流指令进行比较，获得控制转接装置的PWM信号的接通百分数，并且产生一个PWM信号。

Description

控制空调机电机的控制设备
本发明涉及一种控制空调机电机的控制设备，具体来说涉及这样一种控制空调机电机的控制设备，其中的逆变器是由单个微机控制的，并且可以控制用于获得一个直流电压的变换器，这个直流电压对于逆变器电路是必不可少的。
至今的空调机都具有控制压缩机的逆变器控制装置，将交流电网功率转变成直流功率，并通过逆变器控制装置把变换出来的直流电压转变成适宜的交流电压，借此给压缩机供电。通常使用电容输入型变换器作为把交流功率变换成直流功率的变换装置。但由于从交流电源输入的交变电流波形是畸变的波形，所以输入功率功因数很低并且要产生谐波电流。为此已经提出一种能将输入电流波形变换成几乎是正弦波形的变换器。
下面参照图8详细说明这样一种空调机的实例。该空调机包括：一个变换器电路2，将电网交流电源1变换成直流电；一个逆变器电路4，把变换器电路2输出的直流电压变换成预定的交流电压并提供给压缩机3；一个微机6，输出逆变器控制信号(PWM信号)，用于通/断控制用作逆变器电路4的转接装置的多个晶体管4a，并用于执行来自/去向各个输入/输出电路5的信号的输入/输出操作，电路5包括一个用于检测输入交流的过零点的过零点检测电路，使用过零点来判断输入交流的频率并在室内设备和室外设备以及类似设备之间发送/接收信号，过零点对于控制空调机是必不可少的；一个变换器控制电路7，用于按照变换器电路2中的输入电流(整流电流)输入电压(整流电压)、和输出电压、输出一个IGBT控制信号(PWM信号)，并且用于通/断驱动用作转接装置的一个IGBT2a；以及一个逆变器驱动电路8，用于输入一个逆变器控制信号并用于通/断驱动晶体管4a。
除IGBT 2a外，变换器电路2还包括：一个整流电路2b，把电网交流功率整流成直流；一个电抗线圈2c；一个二极管2d，用于阻断反向电流；以及一个平波电容器2e。
另外，变换器控制电路7有一个电流检测电路、两个电压检测电路、一个IGBT驱动电路、一个振荡电路、一个控制变换器的专用IC(集成电路)、等。变换器控制电路7利用电流传感器7a检测电流，检测通过整流交流电压得到的电压波形，并且还检测输出直流电压。产生一个控制变换器电路2的IGBT 2a的控制信号(PWM信号)，以便通过这些检测到的电流和电压能将输入交流电流波形变为正弦波形。
如图9所示，例如变换器控制电路7产生IGBT控制信号〔如图9(b)所示〕以接通/断开IGBT 2a，从而将变换器电路2的输入交流电流波形变成几乎是正弦波形。因此，如图9(a)所示，由于来自交流电源的输入交流电流没有变成畸变的波形，所以可改善功率因数，并且不会产生谐波。
但是，这样的空调机需要两个控制装置(例如微机6和变换器控制电路7)才能对逆变器电路4和变换器电路2的转接装置进行PWM控制。因此，存在的问题不仅是电路结构复杂，而且元部件数目很大，因此提高了成本并降低了可靠性。
本发明的一个目的是提供一种控制空调机电机的控制设备，其中通过一个控制装置来执行逆变器的控制，并且可以控制变换器以获得一个对逆变器电路是必不可少的直流电压。
按本发明的控制空调机电机的控制设备包括：一个变换器，将交流功率变换成直流功率；一个逆变器，将该直流功率变换成交流功率并提供给压缩机；以及一个微机，用于控制逆变器并且用于控制包括在变换器装置中的转接装置以改善输入功率因数，其特征在于该控制设备还包括：电流检测装置，用于检测来自交流电源的输入电流；电压检测装置，用于检测变换器装置的输出直流电压；以及比较装置，用于比较检测到的直流电压和设定的直流电压；其特征还在于，根据比较装置的比较结果计算或选择微机中的数据或存入外部存储装置中的数据，微机借此获得一个电流指令，比较该电流指令和检测到的输入电流，获得PWM信号的接通百分数以控制转接装置，输出PWM信号，并且控制转接装置。
借助这样一种结构，当由于负载波动等原因改变了变换器装置的输出直流电压时，电流指令也随之改变。另一方面，通过比较电流指令和输入交变电流，计算、改变、并输出控制转接装置的PWM信号的接通百分数。该转接装置由PWM信号驱动。于是，把变换装置的输出直流电压保持在一个预定的必要数值(设定的直流电压)上，并将输入电流调节成一个几乎是正弦的波形。由于变换器的转接装置和逆变器的转接装置是通过单个微机进行PWM控制的，所以简化了电路结构、减少了部件数目、降低了成本、并且改善了可靠性。
按照该设备，由于把交流功率变换成逆变器的直流功率的变换器是利用微机的定时器功能、存储功能、以及算术运算功能逆向控制压缩机的，所以可用单个控制装置控制空调机。于是，输入电流调节成正弦波，改善了功率因数，抑制了谐波电流，并可保持变换器的输出直流电压(逆变器的电源)恒定不变。
图1是表示本发明第一实施例的控制空调机电机的控制设备的示意方块图；
图2是说明图1的控制设备的操作和控制方法的示意定时图；
图3是说明图1的控制设备的操作的示意曲线图；
图4是说明图1的控制设备的操作的示意曲线图；
图5A和5B是说明图1的控制设备的操作和控制方法的示意流程图；
图6是说明图1的控制设备的操作和控制方法的示意定时图；
图7是说明图1的控制设备的操作和控制方法的示意定时图；
图8是控制常规的空调机电机的控制设备的示意方块图；以及
图9是说明图8所示控制设备的操作的示意定时图。
按照本发明的控制空调机电机的控制设备检测来自交流电源的输入电流、检测变换器的输出直流电压、并且比较该检测到的直流电压和设定的直流电压。该控制设备的微机(微计算机)根据比较结果通过计算或选择微机中的数据或者存入外部存储装置中的数据得到一个电流指令、比较该电流指令和检测到的输入电流、获得控制变换器电路的转接装置的一个PWM信号接通百分数、输出该PWM信号、并且控制该转接装置。
下面参照图1详细描述该控制设备的结构。在图1中，和图8相同或相应的部分用相同的标号表示，并省去了对它们的重复描述。
在图1中，该控制设备包括：一个电流传感器(CT)10和检测变换器电路2的输入交变电流的一个电流检测电路11；一个检测变换器电路2的输出直流电压的一个直流电压检测电路12；一个微机13，除了执行图8所示的微机6的功能〔即，输出一个逆变器控制信号(PWM信号)的功能，等〕外，还要通过根据需要改变接通百分数来输出一个控制信号(PWM信号)以通/断控制变换器电路2中的IGBT(晶体管)2a；以及一个通过PWM信号通/断驱动IGBT2a的IGBT驱动电路14。
电流检测电路11包括整流二极管11a和电阻电路11b，并将通过电流传感器10检测到的输入交流波形变换成微机13的可能输入的电平(电压值)。在该实施例中，虽然标号11a表示一全波整流电路，但也可以用半波整流电路。直流电压检测电路12包括：一个逐步降低变换器电路2的输出直流电压的分压电阻电路12a；以及一个光耦合器电路12b，用于隔离逐步降低的模拟电压值并将其转换成数字值(高、低电平)并且输出到微机13。
按下述方式确定分压电阻电路/2a的分压比，即在变换器电路2的输出直流电压小于逆变器电路4驱动压缩机3所必须的电压值(设定的直流电压，例如300伏)的情况下可将光耦合器电路12b的输出置成高电平，并且在该输出直流电压大于该设定电压值的情况下可将光耦合器电路12b的输出置成低电平。即，将设定的输出直流电压与检测到的变换器电路2的输出直流电压进行比较，并把比较的结果作为高电平或低电平输出。
检测输入交流电压的过零点的过零检测电路至今都包括在输入/输出电路5中。将检测到的过零检测信号输出到微机13。使用过零检测信号来判断输入交变电流的频率，或者判断常规设备中的室内设备和室外设备之间的信号的发送和接收。
下面参照图2、6、7的定时图、图3、4的曲线图、以及图5A和5B的流程图详述具有上述结构的控制设备的操作以及该设备的控制方法的功能。
微机13执行控制空调机所必须的输入和输出控制操作，且逆变器控制压缩机3。在输入交流波形如图2(a)所示的情况下，电流检测电路11检测如图2(a)中实线所示的交流波形。将检测到的交流波形转换成电压并输出到微机13的模拟输入部分。
这时，微机13检测来自输入/输出电路5的过零检测信号的前沿和后沿〔如图2(b)所示〕，并且检测输入交流电压的过零点。微机13在输入交流电压从过零检测开始的半个周期内的每个预定时间T还要检测电流检测电路11的输出IR0至IR9(IRn)〔如图2(d)所示〕，并将它们存储在内存储器或外存储器中(如，内RAM)〔如表1中的IRn：IR0到IR9所示〕。
另一方面，直流电压检测电路12检测将交流电源1转换成直流电功率的变换器电路2的输出直流电压，并和设定的电压比较，然后将作为比较结果的高电平或低电平信号输出到微机13的一个输入口。例如如图3所示，当变换器电路2的输出直流电压小于设定电压300伏时，将直流电压检测电路12的输出电平置成高电平。当变换器电路2的输出直流电压大于300伏时，将直流电压检测电路12的输出电平置成低电平。
微机13将表1所示数据(IM0到IM9：IMn)存储在内存储器或外存储器(例如，内ROM)，通过数据IMn和直流电压检测电路12的输出电平(比较结果)计算电流指令IS0到IS9(如表1所示：ISn)，并将该电流指令存储在内存储器或外存储器(如内RAM)。
如图4所示，数据IMn(IM0到IM9)是和从过零点开始每个预定时间T的输入交变电流的半周期对应的正弦波数据。(n)代表一个整数。还可以使用对应于IM0到IM5的1/4周期的数据作为IMn。
例如，对于输入交流电压的每次过零检测都检测直流电压检测电路12的输出直流电压的电平。当检测到的电平是低电平，变换器电路2的输出直流电压超过300伏。电流指令IS0到IS9只减少数据IM0到IM9的一个预定百分数。重复上述相同的过程，直到检测的电平被置成高电平时为止。每次过零检测都减小电流指令IS0到IS9(如图4所示)。
当检测到的电平是高电平，由于变换器电路2的输出直流电压等于或小于300伏，所以电流指令IS0到IS9只减少数据IM0到IM9的一个预定的百分数。此外，重复上述相同的过程，直到检测的电平被置成低电平时为止。每次零交叉检测都增加电流指令IS0到IS9(如图4所示)。
通过上述过程获得的电流指令IS0到IS9依次和电流检测电路11的检测电流IR0到IR9比较。根据比较结果得到控制IGBT2a的PWM信号的接通百分数(即，计算表1所示的的D0到D9(Dn)〕。例如，当ISn＞IRn，则得到了其中只增加了预定值的接通百分数的数据Dn。当ISn＜IRn，则得到其中只减少了预定值的接通百分数的数据Dn。
将按以上所述得到的数据D0到D9存入微机13的内存储器或外存储器(例如，内RAM)、并且把这些数据模式化。在和过零检测同步的每个预定的时间T将数据D0到D9依次置入微机13的PWM定时器中。于是，通过与过零检测同步的PWM定时器从PWM输出口输出控制IGBT2a的模式化的PWM信号〔如图2(c)所示〕。IGBT驱动电路14响应PWM信号通/断驱动IGBT2a。
下面参照图2进行进一步的说明。在输入交变电流的前半周期，微机13从PWM输出口输出控制IGBT2a的PWM信号〔如图2(c)所示〕。这时，输入交流波形如图2(a)所示。电流检测电路11的输出电流如图2(d)中的实线所示。
当微机13检测过零点时，它在每个预定的时间T检测电流检测电路11的输出电流IRn，并将其存入内存储器(RAM)，并且比较该存入的电流值和该内存储器中的电流指令ISn。
例如，如图2(d)中的实线所示，由于电流波形(输入交流波形)受到电源阻抗等的影响而发生畸变，所以该电流值从预定时间T1到T3这段时间内小于电流指令。从T5到T9这段时间该电流值大于电流指令。从T0到T4这段时间电流值和电流指令相等。
微机13将控制IGBT2a的PWM信号的接通百分数的数据D0到D2只抬高一个预定的百分数(5％)，并通过过零检测在下一个半周期(后一个半周期)将该数据D4至D8只降低一个预定的百分数(5％)〔如图2(c)所示〕。
于是，如图2(d)中的实线所示，电流检测电路11的输出电流值和电流指令值相同，即可将输入电流波形调成正弦波形。
通过处理图5A和5B所示的程序来实现微机13的处理过程。微机13输入过零检测信号，并且在检测到输入电压波形的过零点时，微机13执行上述程序。
例如，如图6(a)所示，当因为某种原因(如负载太重等)使变换器电路2的输出直流电压等于或小于预定值(300伏)时，将直流电压检测电路12的输出置成高电平〔如图6(b)所示〕。
于是，微机13检测该高电平(ST1步)，设定电流检测电路11的检测次数(n)(ST2步)，启动预定时间(T)的定时器(ST3步)，并将内部存储器的数据D0置入内部PWM定时器(ST4步)。如以上所述，数据D0已被存入微机13的内存储器中并用于产生控制IG-BT2a的PWM信号。通过设置PWM定时器使PWM定时器可以工作。从微机13的PWM输出口向IGBT驱动电路14输出符合数据D0的接通百分数的PWM信号。
随后，检测和存储输入到模拟输入口的电流检测电路11的输出IR0(ST5步)。读出内存储器中的电流指令IS0并计算该电流指令(ST6步)。在电流指令的计算过程中，由于直流电压检测电路12的输出是高电平，所以处理程序自ST7步前进至ST8步。为了提高电流指令，将如表1所示的数据IM0的一个预定的百分数加到读出的电流指令IS0上。在直流电压检测电路12的输出为低电平的情况下，即在变换器电路2的输出电压超过300伏时，在电流指令的计算过程中为了降低电流指令，要从读出的电流指令IS0中减去如表1所示的数据IM0的一个预定的百分数(ST9步)。
随后，将计算的电流指令IS0与已经检测到的并且存储的电流IR0进行比较(ST10步)。当IR0＞IS0时，处理程序自ST11前进至ST12步。为了减小PWM信号的接通百分数，已存储的表1中的数据Dn－1只减小一个预定的值m。相反，当IR0＜IS0时，处理程序从ST11步前进到ST13步，已存储的表1中的数据Dn－1只增加一个预定的值m以便增加PWM信号的接通百分数。当n＝0时，n－1＝9。
随后，检查上述步骤中的过程是否已重复了10次(ST14步)。如果n≠9，则进行ST15步并将n设定为n＋1。在定时器预定时间T用完以后，处理程序返回到ST3步(ST16步)。重复上述相同的过程。在剩下的等待时间里微机13控制逆变器电路4和输入/输出电路5。
在输入电流波形的半个周期处计算的电流指令ISn和接通百分数数据Dn都存入微机13的内存储器中(以表1的形式存储)。也可以在对电流指令ISn和接通百分数计算时对它们进行存储。因此在下半个周期，每个预定时间T都要根据内存储器中的数据Dn(参考表1)修改输出的PWM信号的接通百分数。
如以上所述，检测并存储了电流检测电路11的输出IR0到IR9。根据表1所示的数据IS0到IS9(前半个周期的电流指令)、直流电压检测电路12的输出电平、以及表1所示的数据DM0到DM9来计算电流指令IS0到IS9。将计算得到的电流指令IS0到IS9同检测的电流IR0到IR9进行比较，从而改变下半个周期的接通百分数数据D0到ID9。
因此，在如图6所示的过零检测中变换器电路2的输出直流电压小于300伏。并且直流电压检测电路12的输出是高电平的情况下，将电流指令IS0到IS9置成如图6(f)中虚线所示的数值。依次将电流指令IS0到IS9与检测电流检测电路11的输出的电流IR0到IR9进行比较。按照比较的结果，由于在每个预定时间T1到T9都有ISn＞IRn，所以下半个周期的接通百分数数据D0到D9只增加一个预定的值(5％)〔如图6(e)〕。
这样，如图6(f)所示，在前半个周期，电流检测电路11输出的电流与电流指令相同。即，虽然输入交变电流的波形被调成几乎是正弦波形，但变换器电路2的输出直流电压却被抬高了〔如图6(a)所示〕。因此，输出直流电压被控制到一个预定值。
图7表示在因负载变轻等原因使变换器电路2的输出直流电压超过预定值(300伏)的情况下的一个实例。在这种情况下，执行上述按图5A和5B所示的处理程序并与图6所示实例中的过程类似的过程。这里略去了详细的描述。图7(a)到(f)对应于图6(a)到6(f)。
在这种情况下，由于从预定时间T1到T9这段时间里ISn＜IRn，所以下半个周期的接通百分数数据D0到D8只减少一个预定值(5％)〔如图7(e)所示〕。
于是，如图7(f)所示，在后半个周期电流检测电路11的输出与前半个周期的电流指令ISn相符的电流IRn(即输入交变电流波形)几乎被调成正弦波形，并且变换器电路2的输出直流电压减小了〔如图7(a)所示〕。
如以上所示，在输入交流电压的每个过零点(每个半周期)检测变换器电路2的输出直流电压时，通过检测到的电压电平使电流指令ISn相应地只增加或只减小一个预定值。在每个预定的时间T检测输入交变电流IRn。将检测的电流IRn与电流指令ISn进行比较。按照比较的结果，改变控制变换器电路2的IGBT(转接装置)2a的PWM信号的接通百分数数据Dn。将已改变的数据Dn设置成下半个周期的数据。
因此，因为只增加了一些简单的电路(如电流检测电路11和直流电压检测电路12)就可通过软件实现上述的过程，因此就可通过微机13控制变换器电路2，以便逆变器控制压缩机3。这就是说，在传统设备实例中的用于检测通过整流交流电压获得的电压波形的电压检测电路、振荡电路、控制变换器的专用IC、等都是不必要的了。因此不需要使用包括这些电路的变换器控制电路7。通个单个微机13就可能进行控制。因此，由于简化了电路结构，就减少了部件数目。并且，降低了成本，改善了可靠性。
几乎可将输入电流调成正弦波形。改善了功率因数。谐波电流受到了抑制。可将变换器电路2的输出直流电压保持为一个预定值(300伏)，因此不需要使用在控制设备中一般需要使用的大额定值的元件。因此，还压缩了成本。另外，变换器电路2的输出直流电压不会异常地增加，也不会过分地降低。因而，可避免控制设备元件击穿，元件得到了保护，并且可防止逆变器控制的误操作。
虽然在本实施例中所示的数据数目已定为10个(IR0到IR9；IS0到IS9；IM0到IM9；D0到D9)，但本发明不局限于这个实例，而是最好使用较大数目的数据。在该实施例中，虽然是在每半个周期修改PWM信号的接通百分数，但本发明不局限于这样一种结构。例如，还可以在每个周期修改接通百分数。虽然在每次检测IRn时对ISn和Dn进行计算，但本发明不局限于这样一种情况。例如，还可以按下述方式设计，即每次检测如表1所示的IRn时，将这些IRn存储起来，并在存储了前半周期的数据后，在后半周期再依次计算这些数据。虽然使用了微机的内存储器作为存储器，但本发明不局限于这样一种存储器，还可以使用外存储器。虽然通过计算获得了电流指令，但本发明不局限于这样一种情况。还可能将电流指令预先存储在存储器内，并有选择性的读出电流指令，从而得到电流指令。
                                   表1
    ROM    RAM     RAM     RAM
    IM0    D0     IS0     IR0
    IM1    D1     IS1     IR1
    IM2    D2     IS2     IR2
    IM3    D3     IS3     IR3
    IM4    D4     IS4     IR4
    IM5    D5     IS5     IR5
    IM6    D6     IS6     IR6
    IM7    D7     IS7     IR7
    IM8    D8     IS8     IR8
    IM9    D9     IS9     IR9
    IMn    Dn     ISn     IRn

Claims (2)

1.一种控制空调机电机的控制设备，包括：一个具有改善输入功率因数的转接装置的变换器，它将交流功率变换成直流功率；一个逆变器，它将所说直流功率变换成交流功率并提供给压缩机；以及一个微计算机，用于控制所说逆变器；
其改进在于包括：
电流检测装置，检测所说交流功率的输入电流；
电压检测装置，检测所说变换器的直流输出电压；
直流电压比较装置，比较所说检测的直流电压和设定的直流电压；
电流指令计算选择装置，通过下述两种方法中的任何一种方法获得一个电流指令，一种方法是根据所说直流电压比较装置的比较结果从存贮在所说微机的内、或外存贮器中的数据由所说微机计算电流指令，另一种方法是从该数据中选择电流指令；以及
转接控制装置，通过所说微机比较所说电流指令和所说检测到的输出电流，从而获得控制所说转接装置的PWM信号的接通百分数，并且输出所说PWM信号，从而控制了所说转接装置。
2.一种控制空调机电机的控制设备，在该设备中包括：一个具有改善输入功率因数的转接装置的变换器，它将交流功率变换成直流功率；一个逆变器，它将所说直流功率变换成交流功率并提供给压缩机；以及一个微计算机，用于控制所说逆变器；
其改进在于包括：
电流检测装置，检测所说交流功率的输入电流；
电压检测装置，检测所说变换器的直流输出电压；
直流电压比较装置，比较所说检测的直流电压和设定的直流电压；
过零检测装置，用于检测来自所说交流电源的输入交流电压的过零点；
电流指令计算选择装置，通过下述两种方法中任何一种方法在检测所说输入电流的一个时间点获得电流指令；一种方法是通过所说微机在从所说检测的过零点开始的至少所说输入电流半个周期期间内的每个预定的时间检测所说输入电流，并将其存入所说微机的内或外存贮装置，并根据所说直流电压比较装置的比较结果从先前存入所说微机的内或外存贮装置的数据计算所说电流指令；另一种方法是从该数据中选择所说电流指令；以及
转接控制装置，通过所说微机依次比较所说电流指令与所说存贮的输入电流，用于获得控制所说转接装置的PWM信号的接通百分数，用于将所说PWM信号模式化，并用于和所说检测的过零点同步地输出模式化的PWM信号，借此控制所说转接装置。
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