CN1264215A - 电机驱动逆变器系统的功率因数补偿装置 - Google Patents

Abstract

一种电动机驱动逆变器的功率因数补偿装置,可改善输入到电动机驱动逆变器的电压和电流的功率因数。本发明检测通用交流电源的过零点,并在存储器中存储多个对应通用交流电源的电压和频率的正弦波形式电压值的状态下,如果检测到通用交流电源的过零点,就按照检测结果输出对应着存储在一个存储器中的多个正弦波形式电压值的驱动信号。一个开关晶体管按照驱动信号进行切换,并按照切换操作切换提供给逆变器的电压,从而改善功率因数。

Description

电机驱动逆变器系统的 功率因数补偿装置

本明涉及控制输入到驱动电机的逆变器的电压和电流的技术，特别是涉及电机驱动逆变器的一种功率因数补偿装置，它可以补偿输入到电机驱动逆变器的电压和电流的功率因数。

逆变器在家用设备中越来越多地被用于控制电动机，因为它能够节能并且便于输出控制。包括洗衣机和电冰箱在内的各种家用设备已经采用了用来驱动电动机的逆变器。

图1是普通的电机驱动逆变器系统的一个结构示意图。如图所示，输入的交流电源100经过全波整流后变成直流电压。一个扼流线圈112和一个平滑电容器113来平滑整流的电压，并且将其提供给逆变器120。这一平滑的直流电压大于交流电源电压的峰值。逆变器120将平滑的直流电压转换成三相交流电源，并且将其提供给电机130。用转换而来的三相交流电源驱动电机130。

图2是现有技术中各个装置的波形图。第一波形和第二波形分别是交流电源的电压和电流波形。时间(t)是由扼流线圈112和平滑电容器113的时间常数来确定的，并且通常被设置为交流电源周期的大约1/5。另一方面，在时间(t)期间迅速产生电流的峰值。结果，这种峰值会产生噪声，并且由于无用的功率而造成损失。上述的缺点是由于电压与电流之间的相位差产生的功率因数造成的。图2的第三波形表示交流电源的理想电流图形。如图所示，当提供给逆变器的电流与交流电源电压相位具有相同的相位时，由无用功率造成的损失就消失了。

为了产生具有这种波形的电流，在图3中表示了一种能够改善功率因数的装置。

图3是一个结构示意图，表示用于逆变器系统的一种惯用的功率因数补偿装置。此处的功率因数补偿单元200进一步包括图1的结构。功率因数补偿单元200包括：扼流线圈112，模拟集成电路210，多个电阻R1-R13，多个电容C1-C3和多个二极管D1，D2。图4是模拟集成电路210的具体电路图。图中所示的模拟集成电路210包括各种逻辑电路。

桥式二极管111的直流电压输出被功率因数补偿单元200的电阻R1，R2分压后通过端子③VM1输入到集成电路210。提供给扼流线圈112的电压通过电阻R5输入到端子⑤Idet。扼流线圈112的电压通过电阻R4和二极管D1，而桥式二极管111的电压通过电阻R3变成集成电路210的内部电源VCC。另外，通过扼流线圈112和二极管D2提供给逆变器120的直流电压被电阻R11，R12和R13分压后通过端子①INV输入到集成电路210。在时间常数受到电阻R7，R8和电容C2的控制之后，这一电压被输入到端子②COMP。另外，对应着提供给逆变器120的电流的一个电压也就是电容C3上的电压被输入到端子④CS。

集成电路210内部的各种逻辑电路接收到这些电压，通过端子⑦Vout输出一个具有预定占空度的电压，这些逻辑电路有比较器211，216，218，219，多路分解器217，反相器11，NAND门电路213，214，一个自起动器和一个NOR门电路215。

图5表示由集成电路210处理后的电压波形。标号‘MO’表示从多路分解器217输入到比较器216的电压波形，‘CS’表示通过端子④输入到比较器216的电压波形。如图5所示，将MO和CS加以比较，电压Vout在正弦波小的部分(在图中的右侧和左侧)具有大占空度，而在中间部分具有小占空度。

电压Vout被提供给一个开关晶体管Q1的栅极，使开关晶体管Q1反复执行开关动作，从而消除输入到逆变器120的电压和电流之间的相位差。因此，惯用的功率因数补偿装置是通过进一步采用功率因数补偿单元来补偿功率因数从而消除损失的。然而它具有以下的缺点。

首先，功率因数补偿单元必须不断地接收交流电压。其次，由于采用了模拟的功率因数补偿电路，电路的面积增大了，由此也会造成费用上升。

本发明的首要目的是补偿系统的功率因数，预先存储与有效交流电源的电压值相对应的正弦波形式的电压值，并且按照有效交流电源的相位来切换提供给逆变器的电压，使其对应存储的正弦波形式的电压值。

本发明的另一目的是防止由提供给逆变器的电源产生噪声。

为实现本发明的上述目的而提供了一种用于电机驱动逆变器系统的功率因数补偿装置，该装置包括：连接到电机上的逆变器；用来检测有效交流电源过零点的微处理器，并且，在内部存储了对应着有效交流电源的电压的多个正弦波形式电压值和频率的状态下按照上述检测结果顺序输出一个对应着多种正弦波形式电压值的驱动信号；以及一个与逆变器并联连接的开关晶体管，它按照驱动信号进行切换，驱动信号的占空度随着多个正弦波形式电压值的每一个改变而发生变化。

参照用来解释本发明的附图可以进一步理解本发明的原理，但是附图并不构成对本发明的限制，在附图中：

图1是一种惯用的电机驱动逆变器系统的示意性框图；

图2是现有技术中每个单元的波形图；

图3是用来说明惯用的逆变器系统中的一个功率因数补偿单元的结构框图；

图4是图3中的一个集成电路的具体电路图；

图5是在图3的集成电路中处理的电压波形图；

图6是按照本发明第一实施例的用于电机驱动逆变器系统的一种功率因数补偿装置的结构示意图；

图7是与图6中的微处理器有关的信号波形图；

图8是按照本发明第二实施例的用于电机驱动逆变器系统的一种功率因数补偿装置的结构示意图；

图9是按照本发明第二实施例的一个PAM驱动单元的具体结构示意图；

图10是按照本发明第三实施例的一个PAM驱动单元的具体结构示意图；

图11是本发明第三实施例中的每个单元的输出信号波形图；

图12是本发明第四实施例中的每个单元的输出信号波形图；

图13是按照本发明第五实施例的PAM驱动单元的具体结构示意图；

图14是图13中每个单元的波形图；

图15是按照本发明的第六实施例的用于电机驱动逆变器系统的一种功率因数补偿装置的结构示意图；以及

图16表示了存储在图15的存储器中的正弦波形式电压值的图形。

图6是按照本发明第一实施例的用于电机驱动逆变器系统的一种功率因数补偿装置的结构示意图。如图中所示，用于电机驱动逆变器系统的这种功率因数补偿装置包括：一个有效交流电源AC；用来对有效交流电源AC进行全波整流的桥式二极管110；串联连接在桥式二极管110输出端一侧的一个扼流线圈L10和一个二极管D10；连接在二极管D10输出端上用来执行平滑操作的一个平滑电容器C10；与平滑电容器C10并联连接的一个逆变器120，用来对整流和平滑的有效交流电源AC执行脉冲宽度调制PWM并且输出脉宽调制信号；连接到逆变器120输出端上的一个电机130；彼此串联连接并且与桥式二极管110并联连接的两个电阻R20，R21；一个微处理器300用来接收被电阻R20，R21分压的一个电压，检测有效交流电源AC电压的过零点，并且输出一个其占空度随着检测结果而改变的驱动信号Sd；以及连接在扼流线圈L10输出端上并且按照驱动信号Sd而导通/关断的一个开关晶体管N1。

以下要参照图7说明按照本发明第一实施例的用于电机驱动逆变器系统的这种功率因数补偿装置的工作方式。图7是与微处理器有关的信号波形图。

桥式二极管110将有效交流电源AC的交流电压经过全波整流后变成直流电流而输出。图7中的第一波形就是全波整流直流电压的波形。用扼流线圈L10和平滑电容器C10将这一直流电压平滑后提供给逆变器120。由逆变器120来驱动电机130。

此时，全波整流的直流电压被电阻R20，R21分压后输入到微处理器300。微处理器300根据这一分压的电压检测出过零点，并且在内部产生一个检测脉冲，其波形也就是图7中的第二波形。

另一方面，在微处理器300中预先存储了对应着有效交流电源AC的电压和频率的多个正弦波形式的电压值，其波形如图7中的第三波形所示。这些电压值被用来确定输出到开关晶体管N1上的开关控制信号的占空度。开关晶体管N1的ON时间是按照这种电压值来确定的。所谓的“正弦波形式”是指通用交流电源AC的电压图形具有正弦波的形式，并且存储在微处理器300中的电压图形与通用交流电源AC的电压图形相同。另外，设置的频率也和通用交流电源AC的频率相同。

当内部产生了一个对应着过零点的检测脉冲时，微处理器300就顺序产生正弦波形式的电压值，并且输出对应着多种电压值的驱动信号Sd。驱动信号Sd通过电阻R22被提供给开关晶体管N1。当开关晶体管N1被切换时，就将全波整流的直流电压间歇地提供给逆变器120。

上述的操作是在全波整流的通用交流电源AC的半个周期内执行的，也就是从在通用交流电源AC电压的一个过零点的检测时间到下一个过零点的检测时间内执行的。只要检测到过零点就重复执行上述的操作。这样就能使输入到逆变器120的电压和电流相位与通用交流电源AC的电压和电流相位相同，从而实现对输入到逆变器120的电压和电流的功率因数的补偿。

另一方面，如上所述，微处理器300检测过零点，产生正弦波形式的电压，并且输出驱动信号Sd。然而，这种操作可以通过各种组成元件独立地执行的，在本发明的第二实施例中将给予具体的说明。

图8是按照本发明第二实施例的用于电机驱动逆变器系统的一种功率因数补偿装置的结构示意图。如图中所示，用过零检测单元400代替图6的微处理器300来检测通用交流电源AC的过零点。就是说，过零检测单元400检测通用交流电流AC的过零点，并且向一个脉冲幅度调制(PAM)驱动单元500输出一个过零输入信号。用PAM驱动单元500代替微处理器300输出一个用来切换晶体管N1的驱动信号Sd，其占空度随着检测到的过零点而变化。

另一方面，一个电压电平检测单元600被用来在开关晶体管N1切换整流的直流电压并且提供给逆变器120时检测一个电压电平。即，这一电压电平检测单元600将提供给逆变器120的直流电压分压，将分压的电压Vm输出到PAM驱动单元500，并且执行第一实施例中的其它功能。PAM驱动单元500按照提供给逆变器120的电压电平输出驱动信号Sd。也就是说，PAM驱动单元500按照通用交流电源AC的过零点和输入到逆变器120的电压电平输出驱动信号Sd。按照驱动信号Sd来驱动开关晶体管N1，从而补偿输入到逆变器120的电压和电流的功率因数。

以下要参照图9和10详细说明PAM驱动单元500的操作方式。

图9是按照本发明第二实施例的一个PAM驱动单元500的具体结构示意图。如图中所示，PAM驱动单元500包括：一个指示产生单元510接收过零点输入，产生一个指示信号，按顺序将系统的操作频率值加在指示值上并且输出指示值；一个存储器520中预先存有对应着通用交流电源AC电压的正弦波形式的电压值，并且输出存储在按照来自指示产生单元510的指示信号所指示的地址中的正弦波形式的电压值；一个系数计算单元530输出一个能反映电机130特性系数，来自图8的电压电平检测单元600的分压电压Vm，整个系统的性能，以及电机规格的系数值；一个乘法器540将存储器520的输出值乘以这一系数值后将其输出；一个三相缓冲器550按照一个禁止信号传递或是切断来自乘法器540的输出信号；一个中断发生单元560在产生了对应着原先设定的系统操作频率值的一个预定的时钟数时输出一个中断信号；一个计数器770在接收到中断信号时起动一个计数操作，装载并且输出来自乘法器540的输出值，并且根据装载的值为三相缓冲器770提供上述的禁止信号；以及一个AND门，用来接收来自计数器770的输出值，反相并且接收过零输入，并且反相和接收一个复位信号。在本实施例中，输入到指示产生单元510和中断发生单元560的频率是系统操作频率。

以下要详细说明PAM驱动单元500的操作方式。

在输入过零输入时，指示发生单元510被初始化，从而产生一个指示。该指示被加在系统操作频率上并且作为一个输出的指示信号。这种指示信号是一个用来指示存储器520地址的信号。另一方面，在存储器520中存储在产生过零点的同时输出的正弦波形式的电压值，也就是对应着从这一过零点的检测时间到下一个过零点的检测时间的正弦波的电压。在本发明的最佳实施例中，当通用交流电源AC的相位是180°时检测到该过零点，因而也就是存储对应着正弦波在180°处的电压值。如果在通用交流电源AC的相位是360°时检测到该过零点，就需要存储对应着正弦波在360°处的电压值。在必要时可以用PAM或是ROM代替存储器520。当指示信号指示了存储器520的地址时，就输出该地址内存储的正弦波形式的电压值。

系数计算单元530输出一种能反映电机130特性系数，来自图8的电压电平检测单元600的分压电压Vm，整个系统的性能，以及电机规格的系数值。用这一系数值乘以存储器520输出的正弦波形式的电压值。通过三相缓冲器550将乘积值输入到计数器570。

另一方面，系数计算单元530还需要按照电机系统执行精确的控制操作，因此可以不被采用。如果不采用系数计算单元530，也就不需要乘法器540。此时将存储器520的输出电压输入到缓冲器550。

在接收到中断发生单元560的中断信号时，计数器570对通过三相缓冲器550输入的数值计数，并且向AND门580输出一个高电平信号。另外，计数器570还在计数操作期间向三相缓冲器550输出一个低电平禁止信号，并且在完成计数操作时向三相缓冲器550输出一个高电平禁止信号。三相缓冲器550在禁止信号处于高电平时传递乘法器540的输出，并且当禁止信号处在低电平时切断这一输出。

AND门580在复位信号和过零输入都处在低电平时将计数值作为驱动信号Sd输出给开关晶体管N1。也就是说，在系统复位信号和过零输入中只要有一个是高电平，AND门580就不会输出驱动信号Sd。

在执行上述操作的同时，存储在存储器520中的正弦波形式的电压值按照指示产生单元510输出的指示信号被按顺序输出。另一方面，在经过了预定的时间之后就会检测到通用交流电源AC的下一个过零点，这样就会输入该过零点的过零输入，重复输出全部的正弦波形式的电压值。

以下要具体地说明按照本发明第三实施例的一种用于电动机驱动逆变器系统的功率因数补偿装置。在存储在按照本发明第二实施例的存储器内的正弦波电压值当中，从0°到90°的正弦波电压值和从0°到180°的正弦波是对称的。本发明的第三实施例就是利用了这种特点。如果在通用交流电源AC的每个180°上都能检测到过零点，就在存储器中存储0°到90°之间的正弦波电压值，并且重复地输出。

也就是说，按照第三实施例，在对应着正弦波(通用交流电源AC的半个周期)的四分之一周期(90°)正弦波电压值被存储在存储器中的状态下，如果通用交流电源AC的相位是0°到90°，就按顺序增加和指定存储器地址，如果通用交流电源AC的相位是90°到180°，就按顺序减少和指定存储器地址。因此，在检测过零点的同时，存储在存储器中的每个正弦波电压值被输出两次。另一个例子是，如果在通用交流电源AC上每隔360°检测到一个过零点，就需要将对应着正弦波180°的电压值存储在存储器中并且输出两次。其结果是，与第二实施例所使用的存储器相比，存储器的容量可以缩小一半。但是获得的结果与第二实施例是相同的。以下要具体参照图10和11来说明本发明第三实施例的操作方式。

图10是按照本发明第三实施例的PAM驱动单元500的具体结构示意图。一个OR门OR，第一指示产生单元511和第二指示产生单元512相当于第二实施例中的指示产生单元510。存储在存储器520中的正弦波电压值的数量只有第二实施例中存储在存储器中的电压值数量的一半。图11是本发明第三实施例中的每个单元的输出信号波形图，图示的状态是在通用交流电源AC的每隔180°处检测到一个过零点，并且将对应着90°正弦波的电压值存储在存储器中。

如图10所示，OR门OR对过零输入和下一个地址信号执行“或”运算，第一指示产生单元511接收OR门OR的输出信号，并且产生一个指示信号和一个周期调节信号in_dir，由第二指示产生单元512按照周期调节信号in_dir在指示信号上加上或是减去系统的操作频率，并且产生结果的下一个地址信号。用存储器520存储对应着90°正弦波的正弦波电压值，也就是全波整流的通用交流电源AC的半个周期。当第一指示产生单元511输出的一个指示指定的地址时，存储器520就输出存储在该地址中的正弦波电压值。另一方面，在下文将要说明的本发明第四实施例中使用了一个从第二指示产生单元512输出到第一指示产生单元511的周期变化信号out_dir。

此处的周期调节信号in_dir是一个用来获得下一个存储器地址的信号，也就是用来确定下一个存储器地址增或减的信号。如图11所示，周期调节信号in_dir在通用交流电源AC的相位处于0°到90°时是低电平，而在通用交流电源AC的相位处于90°到180°和270°到360°时是高电平。当周期调节信号in_dir处在低电平时，第二指示产生单元512将操作频率加在当前地址上，当周期调节信号in_dir处在高电平时，第二指示产生单元512从当前地址中减去操作频率。其它组成元件与第二实施例都是相同的，因而无需进一步解释。以下将要说明OR门OR和第一及第二指示产生单元511，512的操作方式。

在接收到过零输入时，OR门OR向第一指示产生单元511输出一个高信号，使第一指示产生单元511初始化。第一指示产生单元511相应地输出用来指定存储器520的第一地址的指示信号，并且同时输出低电平的周期调节信号in_dir。按照这一指示信号来指定存储器520的第一地址，随之输出存储在第一地址中的正弦波电压值。由于周期调节信号in_dir处在低电平，第二指示产生单元512将操作频率加在当前地址上计算出下一个地址，并且将其输出到OR门OR。第一指示产生单元511按照通过OR门OR的下一个地址输出一个用来指定存储器520后续地址的指示。存储器520将存储在后续地址中的正弦波电压值输出到第一地址。第一指示产生单元511将周期调节信号in_dir保持在低电平，直至通用交流电源AC的相位达到90°。

在重复执行上述的操作，并且获得对应着90°正弦波的电压值时，第一指示产生单元511输出用来指定存储器最后地址的指示信号，并且还输出高电平的周期调节信号in_dir。按照指示信号从存储器520中输出存储在最后地址中的正弦波电压值。同时，第二指示产生单元512按照高电平的周期调节信号in_dir从当前地址中减去操作频率，计算出下一个地址，并且将下一个地址输出到OR门OR。第一指示产生单元511从前一个指示值上减去被减的下一个地址，并且输出该指示值，并且将周期调节信号in_dir保持在高电平，直至通用交流电源AC的相位达到180°。例如，当通用交流电源AC的相位是160°(180°-20°)时，就输出对应着20°正弦波的电压值。

如上所述，在输入了过零输入之后，如果通用交流电源AC的相位是0°到90°，就增大指示，并且按顺序输出对应着0°到90°正弦波的电压值。反之，如果通用交流电源AC的相位是90°到180°，就减小指示，并且按相反顺序输出对应着0°到90°正弦波的电压值。因此，尽管存储在存储器520中的正弦波电压值只有必要的正弦波电压值的一半，仍然可以输出相当于通用交流电源AC半个周期(整流的通用交流电源AC的一个周期)的电压值。因此，按照这一第三实施例，存储器的容量与第二实施例相比被缩小了一半。但是却能获得与第二实施例相同的结果。

以下要参照图10和12说明按照本发明第四实施例的用于电动机驱动逆变器系统的功率因数补偿装置。在第四实施例中，如果在通用交流电源AC的每个360°处检测到过零点，就将关于0°到90°的正弦波电压值存储在存储器中并且重复输出。

按照第四实施例，在对应着通用交流电源AC四分之一周期的正弦波电压值被存储在存储器中的状态下，如果通用交流电源AC的相位是0°到90°和180°到270°，就按顺序增加和指定存储器地址。如果通用交流电源AC的相位是90°到180°和270°到360°，就按顺序减少和指定存储器地址。因此，在检测过零点的同时，存储在存储器中的每个正弦波电压值被输出四次。在第三实施例中，各个正弦波电压值被输出两次，而在第四实施例中，各个正弦波电压值被输出四次。

本发明的第四实施例是在图10所示的装置中执行的，以下要具体地参照图12加以说明。图12是本发明第四实施例中的每个单元的输出信号波形图，图示的状态是在通用交流电源AC的每隔360°处检测到一个过零点，并且将对应着90°正弦波的电压值存储在存储器中。

以下要具体说明第四实施例的第一指示产生单元511和第二指示产生单元512的操作方式。其它组成元件与第二和第三实施例都是相同的，因而无需进一步解释。

第一指示产生单元511接收通过OR门OR输入的下一个地址和来自第二指示产生单元512的周期变化信号out_dir，输出指示信号，并且还输出周期调节信号in_dir。第二指示产生单元512按照从第一指示产生单元511输入的指示信号和周期调节信号in_dir从指示信号中减去系统的操作频率，产生下一个地址信号，判断在下一个地址信号中是否发生进位，并且向第一指示产生单元511输出周期变化信号out_dir。在发生进位时，就输出低电平的周期变化信号out_dir。在没有发生进位的情况下，就输出高电平的周期变化信号out_dir。

为了解释第一指示产生单元511的操作，采用了中间值a，b(未示出)和一个极性值。此处的中间值a，b被暂时用来表示通用交流电源AC的相位(0°到360°)和存储在存储器520中的正弦波电压的相位(0°到90°)。采用极性值来计算中间值a，b。当极性值为‘0’时，它表示‘a+b’操作，而在极性值为‘1’时则表示‘a-b’操作。

当通用交流电源AC的相位符合正弦波电压的相位时，就形成了如下表中所示的关系。表中的标记Pac表示通用交流电源AC的相位。

通用交流电源AC的相位	a[15∶0]	b[15∶0]	极性值	存储在存储器中的正弦波电压的相位
					0°到90°	Pac	0	0	a+b＝Pac+0
90°到180°	180°	Pac	1	a-b＝180-Pac
					180°到270°	Pac	180°	1	a-b＝Pac-180
270°到360°	180°	Pac	1	a-b＝360-Pac

在上表中，实际上并不存在“存储在存储器中的正弦波电压的相位”，而是为了方便而采用的。也就是说，正弦波电压的相位是对应着存储在存储器520中的正弦波电压的地址的一种概念，以及第一指示产生单元511输出到存储器520的指示值的一种概念。

以下要根据表来解释四种情况。

首先，如果通用交流电源AC的相位是0°到90°，第一指示产生单元511就产生对应该相位的指示值，这样就指定了存储器520的地址。与此相应地输出存储在该地址中的正弦波电压值。

其次，如果通用交流电源AC的相位是160°，第一指示产生单元511就输出180°到160°，也就是对应着通用交流电源AC的20°的指示值。

第三，如果通用交流电源AC的相位是210°，第一指示产生单元511就输出210°到180°，也就是对应着通用交流电源AC的30°的指示值。

第四，如果通用交流电源AC的相位是340°，第一指示产生单元511就输出360°到340°，也就是对应着通用交流电源AC的20°的指示值。

如上所述，在通过OR门OR接收到过零输入时，第一指示产生单元511使用中间值a+b输出指示值。第二指示产生单元512通过给/来自周期调节信号in_dir加上/减去系统操作频率而计算出后续的指示值next_address，并且根据周期调节信号in_dir和后续指示值通过给/来自后续指示值加上/减去系统操作频率而计算出周期变化信号out_dir。

更具体地说，当周期调节信号in_dir为‘0’时，通用交流电源AC的相位是0°到90°和180°到270°。这时就将系统操作频率加在输入的指示值上，并且当作后续指示值next_address被输出。如果周期调节信号in_dir是‘1’，通用交流电源AC的相位就是90°到180°和270°到360°。这时就从输入的指示值上减去系统操作频率，并且当作后续指示值next_address被输出。

另外，如果在计算后续指示值next_address的过程中没有产生进位，通用交流电源AC的相位就会稳定在90°到180°或是270°到360°之间，此时就输出高电平的周期变化信号out_dir。如果产生了进位，通用交流电源AC的相位就会超过180°或是360°，此时就输出低电平的周期变化信号out_dir。

如上文所述，按照本发明的第四实施例，存储在存储器中的正弦波电压值在通用交流电源AC的一个周期(360°)内被输出四次，这样就能缩小存储器的容量。

尽管在本发明的第一到第四实施例中直接使用了过零点的检测值，在通用交流电源AC的实际过零点与其过零点检测值之间还是稍有差别的。如图14中所示，通用交流电源AC的实际过零点是在点t2处产生的。然而，由于电路的特性，过零点检测值是在点t1处检测到的。因此，为了准确地补偿功率因数，系统必须按照实际的过零点来工作。

按照本发明第五实施例的PAM驱动单元500可以补偿过零点的误差时间t2-t1，并且根据补偿的时间来驱动开关晶体管N1，从而使系统根据实际的过零点来工作。以下要详细说明按照本发明第五实施例的PAM驱动单元500的操作。为了便于说明，以下假设在通用交流电源AC的每一个周期内检测到一个过零点，并且将对应着通用交流电源AC的半个周期的正弦波电压值存储在存储器中。

以下要参照图13和14来解释本发明的第五实施例。图13是按照本发明第五实施例的PAM驱动单元500的具体结构示意图，而图14是图13中每个单元的波形图。

如图13所示，PAM驱动单元500包括：一个延迟单元600，用来在接收到过零输入时将过零输入延迟预定的时间后输出；一个开关周期计算单元700，按照过零输入开始计数操作，并且在完成一个开关周期的计数时输出一个计数完成信号Sc；一个存储单元800，在内部存储了对应着通用交流电源AC电压和频率的许多正弦波电压值，并且按照延迟的过零输入或是计数完成信号Sc启动其输出正弦波形式的电压值；以及一个按照过零输入或是计数完成信号Sc被启动，并且在对应着正弦波形式电压值时间与开关周期计数单元700中计数的时间相同时被禁止的锁存单元，用于输出一个驱动信号Sd。

延迟单元600包括：一个延迟定时器610，用来在接收到过零输入时开始计数操作；一个具有预定的误差时间的延迟寄存器620；以及在经过上述误差时间后用来输出延迟的过零输入的一个第一比较器CMP1。

开关周期计数单元700包括：按照过零输入设定的第一锁存器LTH1；用第一锁存器启动的一个定时器710，用来启动计数操作；用来存储对应着开关周期的时间的一个TOPF寄存器720；以及一个第三比较器CMP3，用来在计数时间与存储在TOPF寄存器720中的时间相同时输出计数完成信号Sc。

存储单元800包括一个按照延迟的过零输入或是计数完成信号Sc启动的存储器存取单元810，用于输出一个地址信号和一个读出启动信号rd_enable；一个存储单元820，在其内存储了对应着通用交流电源AC电压和频率的许多正弦波电压值，并且按照读出启动信号rd_enable被启动读出，使其输出存储在按照地址信号指定的地址中的正弦波形式的电压。

锁存单元900包括：第二比较器CMP2，用来将对应着正弦波形式电压值的时间与开关周期计数单元700中计数的时间相比较，并且输出结果的信号；以及一个按照第二比较器CMP2的输出而复位的第二锁存器LTH2，用来输出驱动信号Sd。

以下要解释本发明第五实施例的操作方式。

过零输入通过AND门AND被输入到延迟单元600的延迟定时器610，输入到开关周期产生单元700的第一锁存器LTH1，并且输入到第一OR门OR1。第二锁存器LTH2是按照来自第一OR门OR1的输出而设定的。因此，在高电平时启动第二锁存器LTH2的输出通过一个异OR门E-OR并且作为驱动信号N1提供给开关晶体管N1。

误差时间t2-t1是在延迟单元600的延迟寄存器620中设定的。在延迟定时器610按照过零输入而开始计数操作之后，在经过了延迟寄存器620中设定的误差时间t2-t1时，来自第一比较器CMP1的输出在时间t2处变成高电平。第一比较器CMP1的输出通过第二OR门OR2启动存储器存取单元810。这样，存储器存取单元810就向存储器820输出第一地址信号和读出启动信号rd_enable。被启动读出的存储器820输出其内部存储的正弦波电压值。将这个值乘以一个AMP寄存器830中设定的电机系数值后移入一个移位寄存器850，并且输入到第二比较器CMP2。该输入值是准备输出高电平驱动信号Sd的一个时间，以及用来确定开关晶体管N1的ON时间的一个时间。

开关周期产生单元700的第一锁存器LTH1接收过零输入，启动定时器710开始其计数操作。计数值被输入到第一比较器CMP1和第三比较器CMP3。当计数值与移位寄存器850的输出值相同时，第二比较器CMP2的输出变成高电平，第二锁存器LTH2的输出变成低电平，而驱动信号Sd在低电平时被禁止。另一方面，如果定时器710的计数值一直增加并且达到了TOPF寄存器720中设定的预定时间，也就是开关周期，第三比较器CMP3的输出就会变成高电平，用一个启动信号通过第二OR门OR2启动存储器存取单元810。这样，存储器存取单元810就向存储器820输出第二地址信号和读出启动信号rd_enable。在TOPF寄存器720中设定的开关周期对应着驱动信号Sd的一个周期。如果假定开关周期50μsec，而移位寄存器850的输出值是一个对应着30μsec的时间，驱动信号Sd的波形如图14所示。另一方面，驱动信号Sd的电平可以随着输入到异OR门E_OR的另一个输入端的极性值而改变。也就是说，驱动信号Sd按照极性值变成低或是高。

随着存储器存取单元810顺序增值并且逐个输出地址信号，存储在存储器820中的正弦波电压值被顺序输出。这样就能周期性地重复启动驱动信号Sd。

另一方面，最后地址寄存器860将存储器820的最后地址值，也就是存储正弦波电压值的最后地址值输出到一个第四比较器CMP4。如果存储器存取单元810输出的地址是最后地址，第四比较器CMP4就输出一个高电平符号信号。存储器存取单元810从这一点开始按顺序递减，并且逐个输出地址信号。

当从存储器存取单元810输入的地址是‘00h’时，第五比较器CMP5的输出变成高电平。这时，第一锁存器LTH1被复位，并且停止定时器710的操作。实际上，当存储在存储器820中的正弦波电压值被重复输出时，PAM驱动单元500的操作被停止，直到输入后续的一个过零输入时为止，以免系统发生异常操作。

另外，用连接到AND门AND的一个输入端上的第六比较器CMP6防止由于异常而产生的噪声出现错误的过零输入。如果输入到存储器存取单元810的地址的四个高位是‘0h’，第六比较器CMP6就向AND门AND输出高电平输出信号。

以下要参照图15和图16来解释按照本发明第六实施例的用于电机驱动逆变器系统的一种功率因数补偿装置。尽管正弦波电压值在本发明的第一到第五实施例中是按照通用交流电源AC的频率被存储在存储器中的，在本发明的第六实施例中，系统的操作与通用交流电源AC的频率无关。图15是按照本发明第六实施例的用于电机驱动逆变器系统的一种功率因数补偿装置的结构示意图。在本实施例中，与图8所示的按照本发明第二实施例的用于电机驱动逆变器系统的功率因数补偿装置相比，进一步包括一个频率判断单元700。另外，用PAM驱动单元500的一个存储器(未示出)以图16所示的表中的频率形式来存储正弦波电压值。

另一方面，如果假定正弦波电压值的采样周期是恒定的，如果通用交流电源AC的频率发生变化，就必须改变正弦波电压值的数量。例如，如果通用交流电源AC的频率是60Hz，假如采用这种采样周期的正弦波电压值数量是200，那么，如果通用交流电源AC的频率是50Hz，正弦波电压值的数量就是160。

用频率判断单元700根据当前检测到的过零点和前一次检测到的过零点来判断输入的通用交流电源AC的频率，并且向PAM驱动单元500输出其检测结果。PAM驱动单元500根据判定的频率来指定相应的存储器地址，从而输出存储在指定地址中的正弦波电压值。

例如，如果频率判断单元700判断出通用交流电源AC的频率是60Hz，PAM驱动单元500就首先指定一个地址0005，其次指定一个地址0011。反之，如果判断出通用交流电源AC的频率是50Hz，PAM驱动单元500就首先指定一个地址0004，其次指定一个地址0010。

由于本发明在不脱离其原理或是基本特征的条件下具有多种体现形式，除非是另有具体的说明，上述的实施例应该被理解为并不受到上文所述的任何细节的限制，而是应该被认为都属于其原理和权利要求书所界定的范围之内，因此，落在权利要求书范围内的所有变更和修改或是与其等效的形式都应该属于权利要求书的范围。

Claims (23)

1.一种功率因数补偿装置，用于电动机驱动逆变器系统，在所说电动机驱动逆变器系统中对通用交流电源进行整流/平滑，并且用脉冲宽度调制方式来驱动电动机，所述功率补偿装置包括：

连接到电动机上的逆变器；

用来检测通用交流电源过零点的微处理器，并且，在内部存储了对应着有效交流电源的电压的多个正弦波形式电压值和频率的状态下按照所述检测结果顺序输出一个对应着多个正弦波形式电压值的驱动信号；以及

一个与逆变器并联连接的开关晶体管，它按照驱动信号进行切换，驱动信号的占空度随着多个正弦波形式电压值的改变而发生变化。

2.一种功率因数补偿装置，用于一种电动机驱动逆变器系统，在所说电动机驱动逆变器系统中对通用交流电源进行整流/平滑，并且用脉冲宽度调制方式来驱动电动机，所述功率补偿装置包括：

连接到电动机上的逆变器；

一个过零检测单元，用来检测通用交流电源的过零点并且输出一个过零输入；

一个PAM驱动单元，用于在其内部存储对应着通用交流电源的电压和频率的多个正弦波形式电压值，并且按顺序输出对应着多个正弦波形式电压值的驱动信号；以及

与逆变器并联连接并且按照驱动信号进行切换的一个开关晶体管。

3.按照权利要求2的装置，进一步包括一个电压电平检测单元，用来检测提供给逆变器的整流直流电压，并且向PAM驱动单元输出一个分压的电压，PAM驱动单元按照分压电压的电平输出其驱动信号。

4.按照权利要求2的装置，其中PAM驱动单元包括：

一个指示产生单元，用来接收过零输入，按顺序产生一个指示信号，将系统的工业用频率值加在指示值上并且输出指示值；

一个存储器，在其内部存储对应着通用交流电源电压和频率的多个正弦波形式电压值，并且输出存储在按照指示所指示的地址中的正弦波形式的电压值；

一个三相缓冲器，用于按照一个禁止信号传递或是切断正弦波形式的电压值；

一个中断发生单元，用于按照系统的工业用频率产生一个中断信号；以及

一个计数器，用于在接收到中断信号时对三相缓冲器的输出计数，按照计数值输出一个信号，并且向三相缓冲器输出上述禁止信号。

5.按照权利要求4的装置，进一步包括：

一个系数计算单元，用于在接收到来自提供给逆变器的整流直流电压时输出一个分压的电压和一个能反映电机特性系数的系数值；以及

一个乘法器，用于将存储器输出的正弦波形式电压值乘以所述系数值后将其输出给三相缓冲器。

6.按照权利要求4的装置，进一步包括一个逻辑门，用于在系统复位信号和过零输入都处在低电平时传递从计数器输出的信号。

7.按照权利要求2的装置，其中PAM驱动单元包括：

用来传递过零输入或是下一个地址信号的逻辑门；

第一指示产生单元，用来按照逻辑门的输出顺序产生一个指示信号，在指示信号上加上系统的工业用频率后将其输出，并且输出一个周期调节信号；

第二指示产生单元，用于按照周期调节信号加/减系统的操作频率，向逻辑门输出下一个地址信号；

一个存储器，用于在其内部存储对应着通用交流电源的电压和频率的多个正弦波形式电压值，并且输出存储在按照指示指定的地址中的正弦波形式的电压值；

一个三相缓冲器，用于按照一个禁止信号传递或是切断正弦波形式的电压值；

一个中断发生单元，用于按照系统的工业用频率产生一个中断信号；以及

一个计数器，用于在接收到中断信号时对三相缓冲器的输出计数，按照计数值输出一个信号，并且向三相缓冲器输出上述禁止信号，第一指示产生单元按照下一个地址信号加/减并且输出一个指示信号。

8.按照权利要求7的装置，进一步包括：

一个系数计算单元，用于在接收到来自提供给逆变器的整流直流电压时输出一个分压的电压和一个能反映电机特性系数的系数值；以及

一个乘法器，用于将存储器输出的正弦波形式电压值乘以这一系数值后将其输出给三相缓冲器。

9.按照权利要求7的装置，进一步包括一个逻辑门，用于在系统复位信号和过零输入都处在低电平时传递从计数器输出的信号。

10.按照权利要求2的装置，其中PAM驱动单元包括：

用来传递过零输入或是下一个地址信号的逻辑门；

第一指示产生单元，用来按照逻辑门的输出顺序产生一个指示信号，在指示信号上加上系统的工业用频率后将其输出，并且输出一个周期调节信号；

第二指示产生单元，按照周期调节信号加/减系统的操作频率，向逻辑门输出下一个地址信号，并且通过判断下一个地址信号是否产生了进位而向第一指示产生单元输出一个周期变化信号；

一个存储器，用于在其内部存储对应着通用交流电源的电压和频率的多个正弦波形式电压值，并且输出存储在按照指示指定的地址中的正弦波形式的电压值；

一个三相缓冲器，用于按照一个禁止信号传递或是切断正弦波形式的电压值；

一个中断发生单元，用于按照系统的工业用频率产生一个中断信号；以及

一个计数器，用于在接收到中断信号时对三相缓冲器的输出计数，按照计数值输出一个信号，并且向三相缓冲器输出上述禁止信号，第一指示产生单元按照下一个地址信号和周期变化信号加/减并且输出一个指示信号。

11.按照权利要求10的装置，进一步包括：

一个系数计算单元，用于在接收到来自提供给逆变器的整流直流电压时输出一个分压的电压和一个能反映电机特性系数的系数值；以及

一个乘法器，用于将存储器输出的正弦波形式电压值乘以这一系数值后将其输出给三相缓冲器。

12.按照权利要求10的装置，进一步包括一个逻辑门，用于在系统复位信号和过零输入都处在低电平时传递从计数器输出的信号。

13.按照权利要求2的装置，其中PAM驱动单元包括：

一个延迟单元，用于在接收到过零输入时将过零输入延迟一个预定时间之后再输出；

一个开关周期计数单元，用于按照过零输入开始计数操作，并且在完成一个开关周期的计数时输出一个计数完成信号；

一个存储单元，用于在其内部存储对应着通用交流电源的电压和频率的多个正弦波形式电压值，并且按照延迟的过零输入或是计数完成信号启动输出正弦波形式的电压值；以及

一个用来输出驱动信号的锁存单元按照过零输入被启动，并且在对应着正弦波形式电压值的时间与开关周期计数单元中计数的时间相同时被禁止。

14.按照权利要求13的装置，其中延迟单元包括：

一个延迟定时器，用来在接收到过零输入时开始计数操作；

一个具有预定的误差时间的延迟寄存器；以及

在经过所述误差时间后用来输出延迟的过零输入的第一比较器。

15.按照权利要求13的装置，其中开关周期计数单元包括：

按照地零输入设定的第一锁存器LTH1；

用第一锁存器启动的一个定时器，用来启动计数操作；

用来存储对应着开关周期的时间的一个TOPF寄存器；以及

一个第三比较器，用来在计数时间与存储在TOPF寄存器中的时间相同时输出计数完成信号。

16.按照权利要求13的装置，其中存储单元包括：

一个按照延迟的过零输入或是计数完成信号启动的存储器存取单元，用于输出一个地址信号和一个读出启动信号；以及

一个存储单元，用于在其内存储了对应着通用交流电源AC电压和频率的许多正弦波电压值，并且按照读出启动信号被启动读出，使其输出存储在按照地址信号指定的地址中的正弦波形式的电压。

17.按照权利要求13的装置，其中锁存单元包括：

第二比较器，用来将对应着正弦波形式电压值的时间与开关周期计数单元中计数的时间相比较，并且输出结果的信号；以及

一个按照过零输入被启动，并且按照第二比较器的输出而复位的第二锁存器，用来输出驱动信号。

18.按照权利要求13的装置，进一步包括：

用来存储电动机系数值的一个AMP寄存器；

一个乘法器，用于将正弦波形式电压值乘以电动机的系数值；以及

一个移位寄存器，用于对乘法器的输出值进行移位并且将其输出到锁存单元，锁存单元将开关周期计数单元中计数的时间与对应着移位寄存器输出值的时间相比较。

19.按照权利要求16的装置，进一步包括：

一个最后地址寄存器，用来输出存储器的最后地址值；以及

一个第四比较器，如果从存储器存取单元输入的地址与最后地址寄存器输出的地址相同，就输出一个符号信号；存储器存取单元逐一接收所述符号信号，减少并且输出地址信号。

20.按照权利要求16的装置，进一步包括第五比较器，用于在存储器存取单元输入的地址小于第一地址时输出一个禁止锁存单元的信号。

21.按照权利要求16的装置，进一步包括：

第六比较器，用于判断存储器存取单元输入的地址是否是第一地址，并且输出一个结果信号；以及

一个逻辑门，用于在接收到来自第六比较器的输出时间向延迟单元输出过零输入。

22.按照权利要求13的装置，其中从锁存单元输出的驱动信号的电平是随着一个极性值而变化的。

23.按照权利要求2的装置，进一步包括一个频率判断单元，用于根据当前检测到的过零点和前一次检测到的过零点来判断输入的通用交流电源的频率，并且向PAM驱动单元输出其检测结果，PAM驱动单元根据判定的频率来指定存储器的地址，从而输出存储在指定地址中的正弦波电压值。

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