典型机电一体化产品 变频空调的技术分析

三.变频空调的控制.................................................................................. 15 1.通讯规则.......................................................................................... 16 2.电路分析.......................................................................................... 16 3.交流电源的滤波及保护.................................................................. 18 4.变频器高压直流供电部分.............................................................. 18 5.变频模块.......................................................................................... 20
典型机电一体化产品的分析
课题：变频空调的技术分析 班级：09 机电一体化 7 班 姓名：代勇 学号：20092001937
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目录
一.变频空调基本结构................................................................................ 3 1.无刷直流电机.................................................................................... 3 2.转子位置检测.................................................................................... 4 3.变频空调的传感器............................................................................ 8 4.全直流风扇电机................................................................................ 8
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路组成的脉冲倍频器如图 3 所示，将 Va、Vb、Vc 倍频后相或，得一脉冲信号 H， 如图 2 所示，此时 H 脉冲列周期为 60°电角度，从图 2 中可看出 t0 时刻恰好 a 相反电势向上过零，应延时 30°电角度即在 t0、t1 时刻的中点 t4 时刻开通 Ta+， 关断 Tc+；同理在 t5 时刻应开通 Tc-，关断 Tb-；在 t6 时刻应开通 Tb+，关断 Ta+……。 可见精确确定 t4、t5、t6……时刻是实现准确换流的关键，本文引入了 PLL 技 术，利用锁相环将 H 脉冲信号 N 倍频，当倍频电路中计数器计数值等于 N／2 时， 恰为最佳换相点。利用数字比较器将计数器计数值与锁存器中的预置数值进行比 较，且锁存器中可预置数值 N／2，从而可以检出最佳换相时刻，然后调用换相 子程序，实现换相过程，其误差为±0.5LSB 合±30°/N 角度，可见该方法对换 相点的控制精确。
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?? 在无刷直流电机的矢量控制和弱磁控制过程中，CPU 适时计算电机绕组 的换相角γ，每完成 1 次换相角γ的计算，立即向锁存器中写入与之对应的计数 值 M，计数值 M 与换相角γ的关系为：
? 则下一换相点便在换相角γ处换向，换向误差为±0.5LSB 合±0．234° 电角度，完全满足精度要求。
由于无刷直流电机在运行时，必须实时检测出永磁转子的位置，从而进行相 应的驱动控制，以驱动电机换相，才能保证电机平稳地运行。实现无刷直流电机 位置检测通常有两种方法，一是利用电机内部的位置传感器（通常为霍尔元件） 提供的信号；二是检测出无刷直流电机相电压，利用相电压的采样信号进行运算 后得出。在无刷直流电动机中总有两相线圈通电，一相不通电。一般无法对通电 线圈测出感应电压，因此通常以剩余的一相作为转子位置检测信号用线，捕捉到 感应电压，通过专门设计的电子回路转换，反过来控制给定子线圈施加方波电压； 由于后一种方法省掉了位置传感器，所以直流变频空调压缩机都采用后一种方法 进行电机换相。
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一.变频空调基本结构
1.无刷直流电机
要让电机转动起来，首先控制部就必须根据 hall-sensor 感应到的电机转子 目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器(inverter)中功率晶 体管的顺序， inverter 中之 ah、bh、ch(这些称为上臂功率晶体管)及 al、bl、 cl(这些称为下臂功率晶体管)，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转 磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子 转动到 hall-sensor 感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶 体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止 则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管)；要电机转子反向则功率晶体管开启 顺序相反。基本上功率晶体管的开法可举例如下： ah、bl 一组→ah、cl 一组→ bh、cl 一组→bh、al 一组→ch、al 一组→ch、bl 一组，但绝不能开成 ah、al 或 bh、bl 或 ch、cl。此外因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管 在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂(或下臂)尚未完 全关闭，下臂(或上臂)就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。 当电机转动起来，控制部会再根据驱动器设定的速度及加/减速率所组成的命令 (command)与 hall-sensor 信号变化的速度加以比对(或由软件运算)再来决定由 下一组(ah、bl 或 ah、cl 或 bh、cl 或……)开关导通，以及导通时间长短。速 度不够则开长，速度过头则减短，此部份工作就由 pwm 来完成。pwm 是决定电机 转速快或慢的方式，如何产生这样的 pwm 才是要达到较精准速度控制的核心。高 转速的速度控制必须考虑到系统的 clock 分辨率是否足以掌握处理软件指令的 时间，另外对于 hall-sensor 信号变化的资料存取方式也影响到处理器效能与判 定正确性、实时性。至于低转速的速度控制尤其是低速起动则因为回传的 hall-sensor 信号变化变得更慢，怎样撷取信号方式、处理时机以及根据电机特 性适当配置控制参数值就显得非常重要。或者速度回传改变以 encoder 变化为参 考，使信号分辨率增加以期得到更佳的控制。电机能够运转顺畅而且响应良好， p.i.d.控制的恰当与否也无法忽视。之前提到直流无刷电机是闭回路控制，因此
2.转子位置检测
无位置传感器控制无刷直流电机的系统原理框图如图 1 所示，电机工作于三 相 6 拍工作方式，采用电压外环、电流内环的双闭环控制，逆变器功率管以 PWM 调制方式工作，控制器以 MC8031 为核心。
电机运行时，检测非导通相的反电势过零点，利用过零比较器将反电势信号 Ea、Eb、Ec 分别转换为逻辑电平信号 Va、Vb、Vc 如图 2 所示。采用 CMOS 门电
3 无刷直流电机位置检测的实现 从图 2 可知，反电势信号 Ea、Eb、Ec 经过零比较器后，得到反电势逻辑电
平信号 Va、Vb、Vc，三路逻辑电平信号 Va、Vb、Vc 分别经图 3 所示的脉冲倍频 器后相或，得 H 脉冲列，这样一个反电势周期对应 6 个 H 脉冲。相邻 H 脉冲上跳 沿的中点便是理想换向点。图 4 为无位置传感器位置检测电路，图中锁相环 CD4046 和 2 进制串行计数／分频器 CC4024 构成 128 倍频电路，SP 为倍频信号。 相邻两个 H 脉冲上跳沿之间被 128 倍频，则当计数器 CC4024 计数值为 64 时便对 应最佳换向时刻。由两片并行数字比较器 CC14585 构成的 8 位数字比较器时刻将 计数器的计数值与锁存器的输出值进行比较，锁存器为 8031 系统扩展的一个外 设端口，主要存储换相角γ对应的计数值，若将数值 64 存入锁存器，则每当计 数器 CC4024 计数值为 64 时，数字比较器 CC14585（1）的 3 引脚便发出一个脉 冲，此脉冲作为换向中断请求信号向 CPU 请求中断，调用换向子程序，实现电机 绕组电流的换向。
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回授信号就等于是告诉控制部现在电机转速距离目标速度还差多少，这就是误差 (error)。知道了误差自然就要补偿，方式有传统的工程控制如 p.i.d.控制。但 控制的状态及环境其实是复杂多变的，若要控制的坚固耐用则要考虑的因素恐怕 不是传统的工程控制能完全掌握，所以模糊控制、专家系统及神经网络也将被纳 入成为智能型 p.i.d.控制的重要理论。
二.变频空调的基本原理............................................................................ 9 1.基本原理描述.................................................................................... 9 2 变频控制器的原理框图.................................................................. 11 3.实现 V/F 变频控制的方法..............................................................12 4.直流变频空调与交流变频空调的电控区别..................................13
无刷直流电机与普通的交流电机或有刷直流电机的最大区别在于其转子是 由稀土材料的永久磁钢构成，定子采用整距集中绕组，简单地说来，就是把普通 直流电机由永久磁铁组成的定子变成转子，把普通直流电机需要换向器和电刷提 供电源的线圈绕组转子变成定子。这样，就可以省掉普通直流电机所必须的电刷， 而且其调速性能与普通的直流电动机相似，所以把这种电机称为无刷直流电机。 无刷直流电机既克服了传统的直流电机的一些缺陷，如电磁干扰、噪声、火花可 靠性差、寿命短，又具有交流电机所不具有的一些优点，如运行效率高、调速性 能好、无涡流损失。所以，直流变频空调相对与交流变频空调而言，具有更大的 节能优势。
??? 在无刷直流电机的矢量控制、弱磁控制中要求对电机换相角γ进行超前 或滞后控制，且换相角是随运行工况而变化的时变量，因此对换相角的控制应快 速准确。若控制算法计算出的换相角为γ0（超前为正滞后为负），则换相点对 应计数器的计数值 M 应为：
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?? 将 M 值立即写入锁存器，则下一换相点便在超前γ0 角度处换向。可见 该方法对换相角λ的控制灵活、方便、快速，满足无刷直流电机的各种控制策略 的控制要求。
电机起动时，在换相子程序中首先利用软件检测外同步驱动向内同步驱动切 换的指令信号，则读出 Va、Vb、Vc 的状态，依此判断出逆变器功率管的触发状 态，发出触发脉冲；否则中断返回。由于换向中断程序是在最佳换向时刻被触发 的，所以切换点一定是最佳换向时刻，从而避免了切换过程中的振荡或失步。 同 时，利用 H 脉冲的倍频信号 SP 作为位置信号，借助于恒频的时钟信号作为时钟， 采用 M／T 法，可以方便地获得电机的转速