空調用直流無刷電機的控制方法及其控制系統的製作方法
2023-05-05 06:23:36
專利名稱：空調用直流無刷電機的控制方法及其控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種空調用直流無刷電機的控制方法及實現該方法的控制系統，屬於空調的直流變頻控制領域。
背景技術：
直流無刷電機主要由電機主體和內置的驅動模塊組成，是一種典型的機電一體化產品。電機主體的定子繞組呈三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。電機主體的轉子上粘有已充磁的永磁體。為了檢測轉子的極性，在電機主體內裝有位置傳感器。驅動模塊由功率電子器件和集成電路等構成，其功能是:接受控制板的啟動、停止、制動信號，以控制電機主體的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產生連續轉矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調整轉速；提供保護和顯不等等。直流無刷電機以其線性的機械性和調節特性，以及功率密度高、過載能力強、調速方便、動態特性好、效率高、噪音低等一系列優點，成為直流變頻空調中用於驅動室內、外風扇的最佳選擇。如
圖1所示，現有空調用直流無刷電機的控制系統，主要由控制板和直流無刷電機經線纜L1、線纜L2、線纜L3、線纜L4、線纜L5共5跟線纜連接而成。其中，線纜L1、線纜L2為電源線，分別為控制板提供電源DC 310V、DC 15V給直流無刷電機提供傳輸；線纜L3、線纜L4為信號線，依次為控制板發送信號來驅動控制直流無刷電機(簡稱驅動控制)、直流無刷電機發送信號將速度反饋給控制板(簡稱速度反饋)提供傳輸；線纜L5連接直流無刷電機能和控制板共同接地(GND)。
發明內容
本發明在於進一步優化空調用直流無刷電機的控制方法及實施該控制方法的控制系統。為此，本發明提供了一種空調用直流無刷電機的控制方法，控制板發送信號來驅動控制直流無刷電機，而直流無刷電機發送信號將速度反饋給控制板，其特徵在於:
(1)控制板發出電機驅動信號，該信號為具有可控佔空比的脈寬調製方波；
(2)直流無刷電機啟動後，發出位置信號，該信號為具有下降沿的窄脈衝；
(3)前述兩信號產生疊加形成複合信號；
(4)前述複合信號通過共同載體雙向傳送給控制板、直流無刷電機；
(5)控制板通過複合信號中的下降沿信息推算出直流無刷電機的速度，即產生速度反饋信號；
(6)複合信號中的方波被轉化為等效的、平滑的直流電圧，即產生驅動電壓信號，從而控制直流無刷電機增加還是降低速度。方波是一種非正弦曲線的波形。理想方波只有「高(I)」和「低(O)」這兩個值，兩個值進行周期轉換。佔空比(duty cycle)是方波值「I」佔一個周期的時間比例。方波的平均值是由佔空比決定的。另外，本發明還提供了一種實施上述空調用直流無刷電機的控制方法的控制系統，主要由控制板、直流無刷電機及連接兩者的線纜組成，其特徵在於:
(1)控制板包括偏置電阻三、限流電阻四、限流電阻七、分壓電阻八、上拉電阻十、三極體二組成的電路，其中偏置電阻三的一端和三極體二的基極連接，另一端和三極體二的發射極連接接地；限流電阻四的一端連接電機驅動信號，另一端連接三極體二的基極；限流電阻七一端連接速度反饋信號，一端連接三極體二的集電極；分壓電阻八的一端連接速度反饋信號，另一端接地；上拉電阻十的一端連接DC 15V，另一端連接三極體二的集電極；三極體二的集電極連接到線纜上；
(2)直流無刷電機包括偏置電阻一、限流電阻二、限流電阻五、分壓電阻六、上拉電阻九、積分平波電容、三極體一組成的電路，偏置電阻一的一端和三極體一的基極連接，另一端和三極體一的發射極連接接地；限流電阻二的一端連接位置信號，另一端連接三極體一的基極；限流電阻五的一端連接驅動電壓信號，另一端連接三極體的集電極；分壓電阻六的一端連接驅動電壓信號，另一端接地；上拉電阻九的一端連接電源DC 15V，另一端連接三極體一的集電極；積分平波電容的一端連接驅動電壓信號，另一端接地；三極體一的集電極連接到線纜上；
(3)上述線纜為一跟，一端連接三極體一的集電極，另一端連接三極體二的集電極。三極體一和三極體二用於共同控制線纜上的電壓信號。當三極體一和三極體二都關斷的時候，線纜上的電壓被上拉電阻九、上拉電阻十拉高並被分壓電阻六、分壓電阻八分壓在5V左右。當三極體一和三極體二的任意一個導通或兩個都導通時，線纜上的電壓都會被拉到低電平0.7V左右。當直流無刷電機啟動後，位置信號送出；該信號通過偏置電阻一、限流電阻二控制三極體一的集電極和發射極導通，繼而位置信號傳遞到線纜上(線纜上的電平從5V被拉到低電平0.7V)。控制板發出電機驅動信號，該信號通過偏置電阻三和限流電阻四控制三極體二的導通和關斷的時間比例，即佔空比(導通時線纜上的電平從5V被拉到低電平0.7V)，繼而電機驅動信號傳遞到線纜上。前述位置信號、電機驅動信號在線纜上產生疊加形成複合信號。控制板控制三極體二總是跟在三極體一之後導通，從而延長了線纜的低電平時間。這樣，控制板可以通過檢測線纜上的複合信號的下降沿發生周期來推算出直流無刷電機的速度，即產生速度反饋信號；同時，線纜上的複合信號的方波被電解電容積分平波為等效的、平滑的直流電圧，即產生驅動電壓信號，從而控制直流無刷電機增加還是降低速度。因此，本發明的空調用直流無刷電機的控制系統如圖2所示，主要由控制板和直流無刷電機經4跟線纜連接而成。其中，兩根線纜為電源線，分別由控制板提供電源DC310V、DC 15V給直流無刷電機；一根線纜為信號線，同時用作控制板發送信號來驅動控制直流無刷電機，和直流無刷電機發送信號將速度反饋給控制板；另一跟線纜將直流無刷電機和控制板共同接地。整個控制系統的工作過程為:
一、驅動控制:控制板發出如圖4所示的電機驅動信號，該信號為具有可控佔空比的脈寬調製方波；該信號在信號線中和如圖3所示的位置信號(為具有下降沿的窄脈衝)疊加、形成如圖5所示的複合信號傳輸到驅動電路；然後複合信號中的佔空比信息(如圖5所示，時間t表示方波值「I」所佔時間，時間T表示周期，佔空比即為t/T)再通過積分電路轉變為電平可變的驅動電壓信號；驅動電路依據驅動電壓信號，輸出3相驅動電流驅動電機主體以穩定轉速轉動；
二、速度反饋:電機主體內有位置傳感器，將位置信號傳輸給速度反饋電路；速度反饋電路發送如圖3所示的位置信號，該信號為具有下降沿的窄脈衝(如圖3所示，箭頭所示處為下降沿)；該信號在信號線中和如圖4所示的電機驅動信號(為具有可控佔空比的脈寬調製方波)疊加、形成如圖5所示的複合信號，複合信號中的下降沿信息(如圖5所示，箭頭所示處為下降沿)被控制板接受，轉換為速度反饋信號。因此，在該工作過程中，同一跟信號線上的複合信號被驅動電路和速度反饋電路同時使用到。複合信號的下降沿信息被控制板最終接收使用，佔空比信息被驅動電路最終接收使用。因此，相對現有技術，本發明不僅可節省一根信號線和相應的一對接口，控制系統的設計也更加簡單、製造成本也更低、穩定性也更強。
以下結合附圖和具體實施方式
來進一步說明本發明。圖1為現有空調用直流無刷電機的控制系統的原理 圖2為本發明的空調用直流無刷電機的控制系統的原理 圖3為本發明的空調用直流無刷電機的控制系統中位置信號的波形 圖4為本發明的空調用直流無刷電機的控制系統中電機驅動信號的波形 圖5為本發明的空調用直流無刷電機的控制系統中複合信號的波形 圖6為本發明的空調用直流無刷電機的控制系統的一實施例的電路圖。
具體實施例方式為了使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結合具體圖示，進一步闡述本發明。如圖6所示，該實施例的空調用直流無刷電機的控制系統，主要由控制板10和直流無刷電機20經線纜L1、線纜L2、線纜L6、線纜L5連接而成。其中，直流無刷電機20包括電機本體(未示出)、驅動電路21、速度反饋電路22、偏置電阻一 Rl、限流電阻二 R2、限流電阻五R5、分壓電阻六R6、上拉電阻九R9、電解電容E1、三極體一 Tl，速度反饋電路22中產生位置信號SI，驅動電路21中產生驅動電壓信號Q2。其中，控制板10中產生速度反饋信號S2、電機驅動信號Q1，包括電源DC 15V、偏置電阻三R3、限流電阻四R4、限流電阻七R7、分壓電阻八R8、上拉電阻十RlO、三極體二 T2。其中，線纜LI將直流無刷電機連接到電源DC 3IOV上，線纜L2將控制板10、直流無刷電機20共同連接到電源DC 15V，線纜L5將控制板10、直流無刷電機20共同接地。另外，偏置電阻一 Rl的一端和三極體一 Tl的基極連接，另一端和三極體一 Tl的發射極連接後經線纜L5接地；限流電阻二 R2的一端連接位置信號SI，另一端連接偏置電阻一 Rl和三極體一 Tl的基極；偏置電阻三R3的一端和三極體二 T2的基極連接，另一端和三極體二 T2的發射極連接後經線纜L5接地；限流電阻四R4的一端連接電機驅動信號Q1，另一端連接偏置電阻三R3和三極體二 T2的基極；限流電阻五R5的一端連接驅動電壓信號Q2，另一端連接三極體一 Tl的集電極；分壓電阻六R6的一端連接驅動電壓信號Q2，另一端接地；限流電阻七R7的一端連接速度反饋信號S2，另一端連接三極體二 T2的集電極；分壓電阻八R8的一端連接速度反饋信號S2，另一端接地；上拉電阻九R9的一端經線纜L2連接電源DC 15V，另一端連接三極體一 Tl的集電極；上拉電阻十RlO的一端連接15V，另一端連接三極體二 T2的集電極；電解電容El是積分平波電容，它的一端連接驅動電壓信號Q2，另一端接地；三極體一 Tl是速度反饋開關，它的基極經限流電阻二 R2連接到位置信號SI，集電極連接在線纜L6上，發射極經線纜L5接地；三極體二 T2是驅動控制開關，它的基極經限流電阻四R4連接電機驅動信號Q1，集電極連接在線纜L6上，發射極接地。三極體一 Tl和三極體二 T2是該電路的核心部件，用於共同控制線纜L6上的電壓信號。當三極體一 Tl和三極體二 T2都關斷的時候，線纜L6上的電壓被上拉電阻九R9、上拉電阻十RlO拉高並被分壓電阻六R6、分壓電阻八R8分壓在5V左右。當三極體一 Tl和三極體二 T2的任意一個導通或兩個都導通時，線纜L6上的電壓都會被拉到低電平0.7V左右。當直流無刷電機20啟動後，位置信號SI送出；該信號通過偏置偏置電阻一 R1、限流限流電阻二 R2控制三極體一 Tl的集電極和發射極導通，繼而位置信號SI傳遞到線纜L6上(線纜L6上的電平從5V被拉到低電平0.7V)。控制板10發出電機驅動信號Q1，該信號通過偏置偏置電阻三R3和限流限流電阻四R4控制三極體二 T2的導通和關斷的時間比例，即佔空比(導通時線纜L6上的電平從5V被拉到低電平0.7V)，繼而電機驅動信號Ql傳遞到線纜L6上。前述位置信號S1、電機驅動信號Ql在線纜L6上產生疊加形成複合信號。控制板10控制三極體二 T2總是跟在三極體一 Tl之後導通，從而延長了線纜L6的低電平時間。這樣，控制板10可以通過檢測線纜L6上的複合信號的下降沿發生周期來推算出直流無刷電機的速度，即產生速度反饋信號S2 ;同時，線纜L6上的複合信號的方波被電解電容El積分平波為等效的、平滑的直流電圧，即驅動電路21產生驅動電壓信號Q2，從而控制直流無刷電機20增加還是降低速度。因此，本發明的空調用直流無刷電機的控制系統中，控制板10和直流無刷電機20間僅有4跟線纜連接，相對現有技術，不僅可節省一根線纜和一對線纜接口，控制系統的設計也更加簡單、製造成本也更低、穩定性也更強。以上是本發明的實施方式之一，對於本領域內的一般技術人員，不花費創造性的勞動，在上述實施例的基礎上可以做多種變化，同樣能夠實現本發明的目的。但是，這種變化顯然應該在本發明的權利要求書的保護範圍內。
權利要求
1.空調用直流無刷電機的控制方法，控制板發送信號來驅動控制直流無刷電機，而直流無刷電機發送信號將速度反饋給控制板，其特徵在於: (1)控制板發出電機驅動信號，該信號為具有可控佔空比的脈寬調製方波； (2)直流無刷電機啟動後，發出位置信號，該信號為具有下降沿的窄脈衝； (3)前述兩信號產生疊加形成複合信號； (4)前述複合信號通過共同載體雙向傳送給控制板、直流無刷電機； (5)控制板通過複合信號中的下降沿信息推算出直流無刷電機的速度，即產生速度反饋信號； (6)複合信號中的方波被轉化為等效的、平滑的直流電圧，即產生驅動電壓信號，從而控制直流無刷電機增加還是降低速度。
2.根據權利要求1所述的空調用直流無刷電機的控制方法的控制系統，主要由控制板、直流無刷電機及連接兩者的線纜組成，其特徵在於: (1)控制板包括偏置電阻三、限流電阻四、限流電阻七、分壓電阻八、上拉電阻十、三極體二組成的電路，其中偏置電阻三的一端和三極體二的基極連接，另一端和三極體二的發射極連接接地；限流電阻四的一端連接電機驅動信號，另一端連接三極體二的基極；限流電阻七一端連接速度反饋信號，一端連接三極體二的集電極；分壓電阻八的一端連接速度反饋信號，另一端接地；上拉電阻十的一端連接DC 15V，另一端連接三極體二的集電極；三極體二的集電極連接到線纜上； (2)直流無刷電機包括偏置電阻一、限流電阻二、限流電阻五、分壓電阻六、上拉電阻九、積分平波電容、三極體一組成的電路，偏置電阻一的一端和三極體一的基極連接，另一端和三極體一的發射極連接接地；限流電阻二的一端連接位置信號，另一端連接三極體一的基極；限流電阻五的一端連接驅動電壓信號，另一端連接三極體的集電極；分壓電阻六的一端連接驅動電壓信號，另一端接地；上拉電阻九的一端連接電源DC 15V，另一端連接三極體一的集電極；積分平波電容的一端連接驅動電壓信號，另一端接地；三極體一的集電極連接到線纜上； (3)上述線纜為一跟，一端連接三極體一的集電極，另一端連接三極體二的集電極。
全文摘要
空調用直流無刷電機的控制方法，控制板發出具有可控佔空比的脈寬調製方波作為電機驅動信號；直流無刷電機發出具有下降沿的窄脈衝作為位置信號；兩信號在同一信號線上疊加、形成複合信號；複合信號通過共同載體雙向傳送給控制板、直流無刷電機；控制板通過複合信號中的下降沿信息推算出直流無刷電機的速度；複合信號中的方波被轉化為等效的、平滑的直流電圧，從而控制直流無刷電機速度。本發明還涉及實施該控制方法的控制系統。相對現有技術，本發明不僅可節省一根信號線和相應的一對接口，控制系統的設計也更加簡單、製造成本也更低、穩定性也更強。
文檔編號H02P6/08GK103151973SQ20131006359
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月28日 優先權日2013年2月28日
發明者王毅, 邊靖, 鄭堅江 申請人:寧波奧克斯空調有限公司