CN1277344A - 空调器及其无刷电动机控制单元 - Google Patents

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Abstract

一种控制空调器室外单元的电路,该电路包括一个控制两个无刷电动机的微机和一个控制整个室外单元的微机。根据本发明,将控制无刷电动机的功能和控制整个室外单元的功能分开可以使所述微机的软件程序更加简单。

Description

空调器及其无刷电动机控制单元
本发明涉及无刷电动机控制单元及其由该无刷电动机驱动的空调器。
当前，为防止全球变暖，迫切要求节省能量。这对于空调器也是一样的。据此，为了高效运行，目前空调器所用的方法是用无刷电动机带动各个空调系统的室外单元的压缩机和风机运转。这种采用无刷电动机的传统方法在日本专利特开平-8-35713(1996)中已经作过描述。该现有技术示于图11中。
微机8接收压缩机无刷电动机5的位置检测电路9和风机无刷电动机7的位置检测电路10的信号，估计各个无刷电动机的转子的磁极位置，产生驱动逆变器4和6的开关元件的信号，根据各个无刷电动机的转子的磁极位置使开关元件接通，然后使各个无刷电动机以不同的速度转动。微机还将a.d.c电压控制到设定值上，并产生驱动增压斩波器3的开关元件31的信号，形成传送到整流电路2的电流波形(形成正弦波)，消除输入电路中的大谐波分量，提高功率因子，上述设定电压值由压缩机电动机的负载和每分钟的转数确定。
上述处理过程可以使压缩机无刷电动机和风机无刷电动机在逆变器4的控制下按不同的速度转动。这样可以使得空调器有较高的效率。
上述现有技术公开的微机8具有控制压缩机无刷电动机5，风机无刷电动机7和增压斩波器3的功能。但是，现有技术没有涉及到控制空调器整个室外单元的问题。换句话说，除了控制两个逆变器4和6以及两个无刷电动机5和7以外，要求微机8控制包括冷却阀，继电器等在内的整个室外单元。所以微机8应当根据各个单元的控制循环按照规定的时间进行不同的操作。这样就使得微机8的软件相当复杂。此外，为了改善空调器的冷却循环或改变空调器的工作顺序，就必须对微机8的软件进行很大的改变，这样也就增加了功能改变的步骤。
根据上面所述的问题，本发明的空调器包括一个用于控制室外单元的两个无刷电动机的微机和一个用于控制整个室外单元的微机。这样就可以分开控制无刷电动机及逆变器和控制整个室外单元，避免各个微机的软件复杂化。只要改变微机软件的程序就可以改变冷却循环和顺序，从而控制整个室外单元。
另外，将本发明用于控制无刷电动机的微机设计成可以同时取出两个无刷电动机的位置检测信号，并估计它们的转子极的位置，这样就不用增加控制无刷电动机的微机的负载。
图1是本发明空调器的室外单元的电路示意图；
图2是本发明空调器的室外单元的功能方框图；
图3是本发明无刷电动机控制电路的功能方框图；
图4表示检测无刷电动机转子的磁极位置和产生逆变器连续(ON)信号的时间曲线；
图5是根据本发明检测磁极位置的流程图；
图6是根据本发明用于检测无刷电动机磁极位置和产生逆变器连续(ON)信号的微机的运行框图；
图7是位置信号图形表、逆变器(ON)信号图形表和指示器构型；
图8是根据本发明检测磁极位置的流程图；
图9是用于驱动本发明无刷电动机模块的剖面图；
图10是本发明空调系统的运行框图；
图11是传统空调器的室外单元的电路图。
现在参见图1，该图是本发明空调器的室外单元的电路示意图，微机81根据室内单元和室外温度的运行指令产生用于控制冷却阀开/闭的指令、增压斩波器的直流(DC)电压指令、压缩机的转数(RPM)指令、风机的转数(RPM)指令。将压缩机无刷电动机5的RPM指令和风机无刷电动机7的RPM指令从微机81传送到微机82。反之，将无刷电动机5和7的运行状态从微机82传送到微机81。
图2示出了微机81和82运行时起的作用。微机81接收室内单元的运转指令，并按照预定的顺序将这些指令传送给室外单元的各个部件。另外，微机81收集各个部件的运行状态和传感器的信息，并将它们传送给室内单元。如果检测到室外单元的某个部件有问题时，微机81按照预定的顺序向各个部件发出指令，使它们执行保护运行。
微机82接收压缩机和风机的RPM信号，根据RPM信号控制逆变器4和6，分别使压缩机无刷电动机5和风机无刷电动机7按不同的速度运转。图3是无刷电动机的控制简图，它适用于压缩机无刷电动机和风机无刷电动机。微机82根据位置检测电路9和10(见图1)输出的位置检测信号估计无刷电动机5和7的转子磁极位置，并根据估计的磁极位置产生逆变器连续(ON)信号。另外微机82根据各个磁极位置信号的循环时段计算各个无刷电动机的转数(RPM)，并且PWM-控制输出电压，使无刷电动机的实际RPM能够等于指令的RPM。
下面描述微机82是如何对各个无刷电动机的转子磁极位置进行估计的。图4所示的波形表示估计磁极位置和产生逆变器连续(ON)信号的方法。
如图4(2)所示，当转子旋转时，无刷电动机在定子线圈上感应出三相电压。感应电压中包括与转子磁极位置相关的信息。
图4(1)所示的在各个逆变器中的开关元件正要接通。例如，压缩机无刷电动机的逆变器4有三相输出U，V和W。对于三相中的正直流电压来讲，开关元件分别表示成U+，V+和W+。同样，对于负直流电压来讲，开关元件分别表示成U-，V-和W-。所以，逆变器开关元件的开关图形每60°电角度必须变化一次。因此有6个逆变器连续(ON)图形(用360°除以60°得到)。在图4(7)中，各个开关元件的ON(连续)状态表示成高电位，各个开关元件的OFF(不连续)状态表示成低电位。在图4(8)中，逆变器连续(ON)图形D1到D6中的每一个图形均是由这些高低电位组合而成。
如图4(1)和(2)所示，每当任何两相彼此相交感应出电压时，逆变器连续(ON)图形就发生变化。但是，不能直接检测这些感应电压(如图4(2)所示)。因此，估计感应电压相交的传统方法使用的是无刷电动机终端的电压，这将在下面描述。
在图4(3)所示的一个不包括二极管接通的循环中，在两个60°的OFF时段期间，电动机终端上出现一个无刷电动机的感应电压。例如，在一个不包括二极管接通时段(3)和(4)的循环中，在时段(5)和(6)期间，终端出现U相感应电压。在时段(1)和(2)中开关元件U+和U-均是断开(OFF)。磁极位置检测电路将电动机终端电压与基准电压(例如直流电压的中间值或逆变器输出的中间电位)进行比较，产生位置检测信号(见图4(4))。该信号包括有关时间点A和B的信息，在这两个时间点感应电压的极性机反。微机82读取位置检测信号，判断时间点A和B。为了判断时间点A和B，当二极管处于接通(ON)时段(3)时的位置检测信号图形等于时段(7)的图形时，时段(3)和(7)必须彼此不同，在时段(7)时感应电压的极性反向。当逆变器输出的电压由PWM控制而对无刷电动机的RPM进行调节时，电动机终端的电压波形发生变化，这种变化对位置检测信号产生影响。所以，当产生位置检测信号时，必须消除PWM信号的影响。为此提出过一些解决方法，此处不再进行描述。根据其中介绍的一种方法，由位置检测信号产生出与感应电压(见图4(5))的极性等同的位置信号。图4(6)示出的是P1到P6的六个图形，这些图形是三相位置信号的组合。
微机82改变逆变器连续(ON)信号，在感应电压的极性改变或位置信号图形改变的时间点以后，将由30°电角度经过的时间点调节成必须使逆变器的接通(ON)相改变的时间点。图4(8)中的逆变器连续(ON)信号图形D1-D6一一对应于位置信号图形P1-P6。
图5示出的是本发明实施例的微机82检测无刷电动机5和7的磁极位置和产生逆变器(ON)信号的流程图。因为需要一个高精度位置检测设备使无刷电动机高效运转，所以要求微机按预定时间间隔定期断开，以便取出压缩机无刷电动机的位置检测信号。在没有二极管接通时段和不受PWM影响的前提下，微机根据得到的位置检测信号产生位置信号，判断当前的位置信号图形。当位置信号图形等于下一个出现的位置图形时，微机检查从那一时间点开始，是否已经过了一个相当于30°的时间时段。如果已经超过，则微机输出一个与位置信号图形对应的逆变器接通(ON)信号。然后微机设定下一个位置信号图形和30°计时器。微机的上述过程同样也应用于风机无刷电动机。
本发明实施例将控制无刷电动机和逆变器的功能与控制整个室外单元的功能分开。这样就可以避免微机81和82的软件程序复杂化。另外，只要改变微机81的软件程序即可完成对空调器室外单元冷却循环的控制，并实现对该冷却循环的顺序控制。因此可以大大减少为改变空调器功能所需要的步骤。
经与图11所示的传统空调器的比较，图1所示的本发明实施例将增压换流控制电路和微机外面的逆变器4和6的PWM信号进行了组合。其效果是减少了微机81和82的负载，但这种效果也可以由几个微机实现。
现在描述图6所示的本发明的第二个实施例。该实施例同时对压缩机和风机的无刷电动机的位置(图1所示的本发明第一个实施例中)进行检测。具体地说，图6示出的是微机82的对位置进行检测和产生闭合(ON)信号的那一部分的结构。在该实施例中，微机82通过入口821同时从压缩机无刷电动机和风机无刷电动机中取出位置检测信号，同时对这些位置检测信号进行处理，同时产生压缩机无刷电动机的位置信号、风机无刷电动机的位置信号和逆变器4和6的接通(ON)信号，并通过8比特输出口822和823分别将它们输出。
下面结合图6、7和8详细描述该实施例的运行。图7是存储在图6所示的存储器824中的位置信号图形表和ON信号图形表的构型和当前位置指示器、下一个位置指示器1及再下一个位置指示器2的构型，这些指示器存储在CPU集成电路块825中。尽管图6所示的这些指示器存储在CPU存储块825的寄存器中，但它们也可存储在存储器824中。图8是检测磁极位置和产生ON信号的流程图。
如图6所示，微机82同时从输入口821获取压缩机无刷电动机的6比特位置检测信号和风机无刷电动机的6比特位置检测信号。CPU825根据公知方法由软件程序从这些信号中消除二极管接通(ON)时段和PWM影响，产生6比特数据的压缩机和风机的位置信号。如图7(a)所示，微机82的存储器824存储包括36个6比特图形的位置信号图形表，这些比特图形是压缩机无刷电动机5的位置信号图形P1-P6和风机无刷电动机7的位置信号图形P1’-P6’的组合图形。
同样，如图7(b)所示，微机82的存储器824存储包括36个12比特图形的逆变器接通(ON)信号图形表，这些比特图形是压缩机逆变器4的接通(ON)信号图形D1-D6和风机逆变器6的接通(ON)信号图形D1’-D6’的组合图形。图4(6)和(8)详细示出了这些位置图形和接通(ON)信号图形。
在位置信号图形表和接通(ON)信号图形表中的图形地址由指示器显示，各指示器包括压缩机无刷电动机5的位置信号图形P1-P6和风机无刷电动机7的位置信号图形P1’-P6’的组合图形。该实施例所用的压缩机的图形数和风机的图形数的组合图形数示于图7中。图7(c)的当前位置指示器是指出当前压缩机无刷电动机5的位置信号图形和风机无刷电动机7的位置信号图形的组合图形的指示器。在当前位置信号图形后面的位置信号图形根据图形形式的变化(只有压缩机的位置信号图形变化，或只有风机的位置信号图形变化，也可以是压缩机和风机的位置信号图形都变化)而改变。如图7(d)-7(f)所示，该实施例指定后面的指示器1-3负责上面的图形变化。
现在参见图8，下面描述用位置信号图形表、逆变器-接通(ON)信号图形表和图7所示的指示器检测磁极位置和输出逆变器-接通(ON)信号的步骤。
微机82按照图6中看不见的计时器设定的几微妙的时间间隔时段性地产生中断信号，并执行图8所示的运行。在产生中断信号后，微机82阻止产生切断信号，同时通过入口821得到压缩机无刷电动机的位置检测信号和风机无刷电动机的位置检测信号。微机82消除这些信号中的二极管接通(ON)时段和PWM影响，产生压缩机和风机的位置信号。微机82对产生的位置信号图形与下一个位置指示器1指出的位置信号图形进行比较。当这些图形彼此相符(只有压缩机无刷电动机的位置信号变化)时，在位置信号图形变化以后该微机82就由计时器826检查是否经过了等于30°的时间时段。
如果经过该时间时段，则微机82向输出口822和823分别输出与图形对应的接通(ON)信号，校正当前的位置图形，然后设定压缩机的另一个30°。该过程在图8中由“过程X”表示。
当该图形与下一个位置指示器1指出的位置信号图形不符，或即使它们彼此相符，但没有经过等于30°的时间时段时，微机82就对该位置信号图形与下一个位置指示器2指出的位置信号图形进行比较。当这些信号彼此相符(只有风机无刷电动机的位置信号变化)时，在位置信号图形变化以后该微机82就由计时器826检查是否经过了等于30°的时间时段。如果经过了该时间时段，则微机82输出与图形对应的接通(ON)信号，校正当前的位置图形，然后设定风机的另一个30°。该过程在图8中由“过程Y”表示。
当该图形与下一个位置指示器2指出的位置信号图形不符，或即使它们彼此相符，但没有经过等于30°的时间时段时，微机82就对该位置信号图形与下一个位置指示器3指出的位置信号图形进行比较。当这些信号彼此相符(当压缩机和风机的位置信号都变化时)时，在位置信号图形变化以后该微机82就由计时器826检查是否经过了等于30°的时间时段。如果经过了该时间时段，则微机82执行过程X。如果压缩机的30°时间时段没有经过，则微机82检查风机的30°时间时段是否经过，并执行过程Y。
尽管图8中没有给出以相同RPM运转的压缩机和风机的位置信号图形同时变化时的步骤，但是因为压缩机的转数通常大于风机的步骤，所以此处不需要对该步骤进行描述。
根据该实施例，由于第二实施例检测位置的步骤数比第一实施例的少，因此可以减少微机82的负载。所以，可以使第一实施例的微机82增加新功能，也可以在第二实施例中使用比第一实施例便宜的微机。
图9和图10是本发明的第三实施例。图9是具有图1粗线围起的电路的模块的剖面图。该实施例的模块包括一个上面具有逆变器的印刷电路板1和上面具有微机的印刷电路板2。将印刷电路板2装在印刷电路板1上，并将这些印刷电路板装在一个塑料壳体中。印刷电路板1上具有产生大热量的部件，例如逆变器4和6的功率元件，而且还有高压元件，例如驱动电路和电压检测电路。印刷电路板2上有低压元件和小功率元件，例如微机芯片及其辅助部件。
图10所示的空调器具有这种模块。根据该实施例，空调器的室外单元可以做得非常紧凑，而且电源线可以缩短许多，这样可以减少线路的电磁噪声，使室外单元更加紧凑。
虽然在上面的优选实施例中使用了一个空调器的室外单元，但本发明并不局限于该具体实施例。本发明还可以用于驱动多个无刷电动机的设备，例如制冷机等。
本发明将控制电动机和逆变器的功能与控制空调器整个室外单元的功能分开，并用两个不同的微机分别实现这些功能。这样可以简化用于控制空调器室外单元的微机的软件程序，只要通过改变系统-控制微机的软件程序，就可以非常方便地改变冷却循环和顺序。因此，就可以大大减少为改变空调器功能所需要的步骤。
此外，根据本发明，控制电动机和逆变器的微机可以同时对两个无刷电动机的磁极位置进行检测，这样可以减少微机的负载。
另外根据本发明，可以将空调器室外单元的逆变器及控制电路紧密地结合在一起。这就使得空调器室外单元更加紧凑，噪音也更小。

Claims (7)

1.一种空调器，该空调器的室外单元包括一个用于驱动压缩机的无刷电动机；一个用于驱动风机的无刷电动机，该风机将空气供应给热交换器；用于按不同的速度分别驱动无刷电动机的逆变器；以及检测每个无刷电动机的磁极位置的设备；其中所述空调器还包括：
一个用于接收磁极位置检测信号和转数指令的微机，该微机输出逆变器的控制信号，使所述无刷电动机分别按不同的速度运转；
一个用于控制空调器的室外单元系统的微机。
2.根据权利要求1所述的空调器，其中：
所述驱动无刷电动机的微机接收所述系统控制微机的转数指令和磁极位置检测信号，通过所述检测信号按不同的速度分别驱动所述无刷电动机，并将各个无刷电动机的运行信息从所述无刷-电动机驱动微机传送到所述系统控制微机。
3.根据权利要求2所述的空调器，其中：
所述无刷电动机通过一个输入口读出所述无刷电动机的磁极位置检测信号，根据所述检测信号估计各个无刷电动机的磁极位置，并根据估计的信号将接通(ON)信号输出给所述各个无刷电动机。
4.一种通过逆变器分别驱动多个无刷电动机的无刷电动机控制单元；所述控制单元包括：
一个含有图形信息的位置信号图形表，所述图形信息由各个无刷电动机的磁极位置信号组合而成；
一个含有由各个逆变器接通(ON)信号组合而成的信息的接通(ON)信号图形表；
一个指出所述无刷电动机的各当前位置信号图形组合形式的指示器，和
三个指示器，它们每一个均指出后面可能的位置信号图形的组合形式，其中
在检测到的位置信号图形的组合形式与所述三个指示器中的一个相符之后的一个预定时间段，对应于相符的指示器的逆变器接通(ON)信号图形作为所述各个逆变器的接通信号(ON)输出。
5.根据权利要求3所述的空调器，其中：
所述无刷电动机驱动微机包括
一个含有图形信息的位置信号图形表，所述图形信息由各个无刷电动机的磁极位置信号组合而成；
一个含有由各个逆变器接通(ON)信号组合而成的信息的接通(ON)信号图形表；
一个指出所述无刷电动机的各当前位置信号图形组合形式的指示器，和
三个指示器，它们每一个均指出后面位置信号图形可能出现的组合形式，其中
在检测到的位置信号图形的组合形式与所述三个指示器中的一个相符之后的一个预定时间段，对应于相符指示器的逆变器接通(ON)信号作为所述各个逆变器的接通信号(ON)输出。
6.一种无刷电动机控制单元，该控制单元包括：逆变器、控制所述逆变器的设备、根据所述逆变器的输出电压产生无刷电动机磁极位置检测信号的设备以及接收所述磁极位置检测信号和输出逆变器接通(ON)信号的微机，其中
将一块上面有所述逆变器的印刷电路板和一块上面有所述微机的印刷电路板装在一个模块中。
7.一种带有一个半导体模块的空调器，所述模块包括用于分别驱动若干无刷电动机的逆变器，驱动所述逆变器的设备，根据所述逆变器的输出电压产生无刷电动机磁极位置检测信号的设备以及接收所述磁极位置检测信号并输出逆变器接通(ON)信号的微机，其中
所述半导体模块驱动室外单元中的压缩机无刷电动机和风机无刷电动机。
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