一种电机控制装置及具有其的空调系统的制作方法

一种电机控制装置及具有其的空调系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种电机控制装置，其包括：第一转子位置检测模块检测第一电机的转子位置并生成第一检测信号；第二转子位置检测模块检测第二电机的转子位置并生成第二检测信号；控制器模块在微处理器内部具有多个控制输出管脚，控制器模块分别与第一转子位置检测模块和第二转子位置检测模块相连，控制器模块根据第一检测信号和第二检测信号生成控制信号；第一IPM模块和第二IPM模块分别与多个控制输出管脚相连，第一IPM模块根据控制信号对第一电机进行控制，第二IPM模块根据控制信号对第二电机进行控制。本发明的电机控制装置可以使用一个控制器模块控制两电机同步运行，降低了成本。本发明还公开一种具有该电机控制装置的空调系统。
【专利说明】一种电机控制装置及具有其的空调系统

【技术领域】
[0001]本发明涉及电机控制【技术领域】，特别涉及一种电机控制装置以及一种具有该电机控制装置的空调系统。

【背景技术】
[0002]人们熟知，无刷直流电机的运行是通过逆变器功率器件随转子的不同位置相应改变其不同触发组合状态来实现的。其中，无刷直流电机的驱动控制系统主要包括微处理器、转子位置检测电路、电流检测电路、IPM (Intelligent Power Module，智能功率模块)以及驱动单元、驱动及控制电源等部件组成。微处理器根据转子的不同位置改变功率器件不同触发组合状态，对电机实施不同的控制算法，是系统控制的关键部件。
[0003]目前，对于双电机或多电机控制系统，首先是对电机的转子位置进行检测。如图1所示，为现有的空调系统中双无刷直流电机驱动系统的通常所采用的一种结构图，其中，双电机系统可以共用一个微处理器，该微处理器包括两个电机控制单元例如电机控制单元(A)和电机控制单元(B)，但是每一个电机都需要一套独立的转子位置检测电路、IPM模块等。并且，无刷直流电机的位置检测通常采用HALL (霍尔)元件进行位置检测，一般一个电机采用2个或是3个HALL元件来检测电机的转子位置，这种检测方法成本较低。对于3个HALL元件的电机，对应于转子一个极对数可以获得6个转子位置信号，因此这种位置检测方法的无刷直流电机通常采用方波驱动方案，方波驱动的无刷直流电机转矩脉动较大，尤其在低速运行时，电机的运行平稳性较差，同时电机的噪声也较大，限制了电机的应用。
[0004]随着国家节能减排政策的推行，目前在很多应用领域可以由直流电机代替原来的交流电机，以提高电机系统的效率。很多情况下一个系统需要用到多个电机，因此为了提高系统的效率，同时应用两个甚至更多直流电机的场合也越来越多，例如全直流变频空调室外机,压缩机电机和室外风扇电机都采用无刷直流电机(或永磁同步电机),两种电机的型号不同，压缩机电机的功率在I?3KW范围，而室外风机电机的功率在100W以内。又如一种空调室内双贯流风机调速系统，室内风机采用了两个型号相同的无刷直流电机，两个电机的负载基本相同，每个电机功率约40W。
[0005]随着技术的进步，对于无刷直流电机的控制出现了无编码器、无HALL元件的转子位置检测方法，这种方法的基本原理是:通过检测或计算电机的反电势来估算电机转子的位置，即所谓的“反电势位置检测方案”。此方法可以包括两种方案实现，第一种方案是直接检测反电势，即通过专用的模拟信号电路来直接检测反电势，从而估算电机的转子位置，通过这种方案只能获得粗略的转子位置信息，配合低成本的单片机可以对电机实施方波驱动，目前，家电类电机调速系统中很多采用这种低成本方案。另一种母线电流单电阻位置检测、两相电流位置检测等方案，此类方案本质上是一种间接反电势检测方案，即先通过对电机相电流的检测，推算出电机的反电势，最后估算出电机的转子位置，此方案采用性能强大的高速单片机或DSP (Digital Signal Processor,数字信号微处理器),可以获得精细的转子位置信息，应用永磁同步电机的矢量控制模型，可以对电机实施转子FOC (FieldOriented Control，场定向控制)控制，获得正弦波相电流，即所谓的“正弦波控制”。目前，此方案在变频空调压缩机控制中常被采用，但要求高性能的单片机或DSP，成本较高。
[0006]综上所述，现有技术存在的缺点是，双电机控制系统采用两个电机控制单元的微处理器，成本高。并且，方波驱动的无刷直流电机转矩脉动较大，电机的运行平稳性较差，同时电机的噪声也较大。此外，采用无编码器、无HALL元件的转子位置检测方法，精确度低或者成本高。


【发明内容】

[0007]本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。
[0008]为此，本发明的一个目的在于提出一种电机控制装置，该电机控制装置可以降低成本，提高电机的运行平稳性，降低电机的噪声。本发明的另一个目的在于提出一种空调系统。
[0009]为达到上述目的，本发明一方面实施例提出的一种电机控制装置，包括:第一转子位置检测模块，所述第一转子位置检测模块检测第一电机的转子位置并生成第一检测信号；第二转子位置检测模块，所述第二转子位置检测模块检测第二电机的转子位置并生成第二检测信号；控制器模块，所述控制器模块在微处理器内部，所述控制器模块具有多个控制输出管脚，所述控制器模块分别与所述第一转子位置检测模块和第二转子位置检测模块相连，所述控制器模块根据所述第一检测信号和所述第二检测信号生成控制信号；第一IPM模块，所述第一 IPM模块和所述多个控制输出管脚相连，所述第一 IPM模块根据所述控制信号对所述第一电机进行控制；以及第二 IPM模块，所述第二 IPM模块和所述多个控制输出管脚相连，所述第二 IPM模块根据所述控制信号对所述第二电机进行控制。
[0010]根据本发明实施例的电机控制装置，第一电机和第二电机共用一个控制器模块即采用相同的控制信号，能够保证两个电机同步运行，并且与两个电机单独控制的效率基本相同。此外，提高了电机运行的平稳性，同时降低了电机运行的噪声，大大降低了成本。
[0011]在本发明的一个实施例中，当所述第一电机的转速小于所述第二电机的转速时，所述控制器模块根据所述第一检测信号生成控制信号。
[0012]根据转速低的第一电机的检测信号生成控制信号，能够使第二电机的转速降低，使第一电机和第二电机达到同速。
[0013]进一步地，所述IPM模块包括:驱动单元，所述驱动单元与所述多个控制输出管脚相连，用于根据所述控制信号生成驱动信号；驱动桥，所述驱动桥包括6个IGBT和3个输出端，每个IGBT与所述驱动单元相连，所述3个输出端分别与对应的电机的三相定子绕组相连，所述每个IGBT在所述驱动信号控制下导通或关断。
[0014]在本发明的一个实施例中，所述控制信号为PWM信号。
[0015]其中，所述控制器模块还用于调节所述PWM信号的占空比来控制所述第一电机和所述第二电机转速。
[0016]在本发明的一个实施例中，所述转子位置检测模块包括3个霍尔元件。
[0017]在本发明的实施例中，所述第一电机和第二电机为直流无刷电机。
[0018]在本发明的一个实施例中，所述第一电机和第二电机的三相定子绕组采用星形连接。
[0019]为达到上述目的，本发明第二方面实施例还提出一种空调系统，包括上述的电机控制装置。
[0020]根据本发明实施例的空调系统，通过采用上述使用同一控制信号对双电机进行控制的电机控制装置，保证空调运行良好，降低了成本。
[0021]本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

【专利附图】

【附图说明】
[0022]本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
[0023]图1为现有的空调系统中双无刷直流电机驱动系统的结构示意图；
[0024]图2为根据本发明实施例的电机控制装置的结构示意图；
[0025]图3为根据本发明一个实施例的电机控制装置的进一步结构示意图；以及
[0026]图4为根据本发明实施例的空调系统的方框示意图。
[0027]附图标记:
[0028]第一转子位置检测模块201、第二转子位置检测模块202、控制器模块203、第一IPM模块204和第二 IPM模块205，第一电机Ml和第二电机M2，驱动单元301和驱动桥302，第一 IPM模块204的输出端子UA、VA、WA和第一电机Ml的三相定子绕组端子U1、V1、W1端子，第二 IPM模块205的输出端子UB、VB、WB和第二电机M2的三相定子绕组端子U2、V2、W2端子。

【具体实施方式】
[0029]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0030]下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此夕卜，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
[0031]在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0032]参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
[0033]下面参照附图描述根据本发明实施例提出的电机控制装置以及具有该电机控制装置的空调系统。
[0034]如图2所示，本发明一个实施例提出的电机控制装置包括第一转子位置检测模块201、第二转子位置检测模块202、控制器模块203、第一 IPM模块204和第二 IPM模块205。其中，第一转子位置检测模块201检测第一电机Ml的转子位置并生成第一检测信号，第二转子位置检测模块202检测第二电机M2的转子位置并生成第二检测信号。控制器模块203在微处理器内部，控制器模块203具有多个控制输出管脚,并且控制器模块203分别与第一转子位置检测模块201和第二转子位置检测模块202相连，根据第一检测信号和第二检测信号生成控制信号。第一 IPM模块204和控制器模块203的多个控制输出管脚相连，第一IPM模块204根据控制信号对第一电机Ml进行控制。第二 IPM模块205同样和控制器模块203的多个控制输出管脚相连，第二 IPM模块205根据控制信号对第二电机M2进行控制。其中，第一电机Ml和第二电机M2可以为直流无刷电机。
[0035]在本发明的一个实施例中，控制器模块203可以是电机控制单元，微处理器接收到第一检测信号和第二检测信号，并将此检测信号经过处理发送给控制器模块203，控制器模块203根据第一检测信号和第二检测信号生成的控制信号为PWM (Pulse WidthModulat1n，脉宽调制)信号。并且控制器模块203可以通过调节PWM信号的占空比来控制第一电机Ml和第二电机M2转速。
[0036]本发明实施例提出的电机控制装置针对的是两个无刷直流电机Ml和M2的并联运行问题，两个电机共用一个控制器模块203即电机控制单元，共用一套控制信号。关于电机的并联运行，普通的感应电机如果不需要调节转速，则不需要驱动器接入电网就可以运行，此类感应电机容易实现并联运行。而对于感应电机加变频器组成的变频调速系统,虽然需要变频器驱动，但变频器对电机的控制不需要电机的位置信息，对于此类转子位置信息开环的电机调速系统，通过共用一台变频器，多个型号相同的感应电机也可以并联。而对于转子位置信号闭环的无刷直流电机的并联运行，即使型号相同的两台无刷直流电机，电机绕组的电感参数、反电势系数也有一定的离散性，同时也很难保证两台电机的负载大小完全相同，而本发明实施例提出的电机控制装置，实现了对两台无刷直流电机进行并联控制，本发明实施例的电机控制装置可以在第一电机Ml和第二点击M2的电感参数、反电势系数和电机负载不完全相同的情况下，控制两台无刷直流电机并联运行，实现两台电机的转速相同。并且两台无刷直流电机并联运行时与两台电机单独控制时，系统的效率基本相同。下面对本发明实施例提出的电机控制装置进行详细的说明。
[0037]具体地，在本发明的实施例中，第一转子位置检测模块201和第二转子位置检测模块202分别检测第一电机Ml和第二电机M2的转子位置信息,并分别生成两个电机的转子位置信号(即第一检测信号和第二检测信号)，并将两个电机的转子位置信号反馈给微处理器，微处理器经过处理再发送给控制器模块203。控制器模块203根据第一检测信号和第二检测信号生成PWM信号，并且可以调节PWM信号的占空比，由6个控制输出管脚输出六路PWM信号，同时发送给第一 IPM模块204和第二 IPM模块205，并且第一 IPM模块204接收到的控制信号PWMAi和第二 IPM模块205接收到的控制信号PWMBi相同，S卩PWMi=PWMAi=PWMBi,其中，i=l、2、3……6。第一 IPM模块204根据接收到的控制信号PWMAi控制驱动第一电机Ml，第二 IPM模块205根据接收到的控制信号PWMBi驱动控制第二电机M2，如此便使第一电机Ml和第二电机M2的控制逻辑在任何时刻总是相同。需要说明的是，当第一电机Ml的转速小于第二电机M2的转速时,控制器模块203根据第一检测信号生成控制信号，即根据转速较慢的电机的检测信号生成控制信号。控制器模块203以转速较慢电机的转子位置信号决定功率器件的触发组合状态，转速较快电机因为不能及时获得功率器件触发状态的变化而导致速度变慢，这样两个电机在运行过程中会自动同步。
[0038]在本发明的一个实施例中，如图3所示，第一 IPM模块204和第二 IPM模块205进一步包括驱动单元301和驱动桥302。其中，驱动单元301与多个控制输出管脚相连，用于根据控制信号生成驱动信号。驱动桥302包括6个IGBT (Insulated Gate BipolarTransistor,绝缘栅双极型晶体管)和3个输出端，每个IGBT均与驱动单元301相连，3个输出端分别与对应的电机的三相定子绕组相连，每个IGBT在驱动信号控制下导通或关断。当第一 IPM模块204和第二 IPM模块205接收到控制器模块203发送的控制信号时，驱动单元301根据控制信号生成驱动信号，并将驱动信号发送给驱动桥302，驱动桥302根据驱动信号控制6个IGBT的不同触发组合状态,从而实现第一电机Ml和第二电机M2的同时控制。可以看出，两台无刷直流电机即第一电机Ml和第二电机M2接受到相同的驱动信号，即驱动两台电机的IGBT导通和关断的时序是相同的。虽然当电机的电感参数、反电势系数和电机负载不完全相同时，电机的转速会产生差异，电机的转子位置反馈信号即第一检测信号和第二检测信号也会产生差异，但是本发明实施例提出的电机控制装置可以使两台电机达到相同的转速。具体地，当第一电机Ml的转速小于第二电机M2的转速时，控制器模块203根据转速较慢的电机即第一电机Ml的检测信号生成控制信号，即电机控制装置以转速较慢电机的转子位置信号即第一检测信号决定IGBT等功率器件的触发组合状态，根据无刷直流电机的控制原理，转速较快电机因为不能及时获得IGBT触发状态的变化而速度变慢，这样第一电机Ml和第二电机M2在运行过程中会自动同步。另外，实验证明，转速较快电机即本实施例中的第二电机 M2因为没有及时改变IGBT触发状态而导致速度变慢的这种运行模式，只要两台电机的电感参数、反电势系数、负载相差不大，不会影响电机的运行效率。
[0039]在本发明的实施例中，第一电机Ml和第二电机M2可以为型号相同的无刷直流电机，即电机定转子尺寸相同，电机绕组接线方式、绕组匝数、反电势数、绕组自感互感等电机参数基本相同。在本发明的一个具体示例中，采用的无刷直流电机可以为8极电机，最大输出功率为30W，电流为0.3A，电机调速范围为300~1200转/分。在本发明的一个实施例中，如图3所示，第一电机Ml和第二电机M2的三相定子绕组采用星形连接，在工作时所带的负载基本相同。
[0040]在本发明的一个实施例中，转子位置检测模块即第一转子位置检测模块201和第二转子位置检测模块202均包括3个霍尔元件。即对应于转子一个极对数可以获得6个转子位置信号，则对于8极电机旋转一周可以获得48个转子位置信号。
[0041 ] 如图3所示，在本发明的一个具体示例中，微处理器可以为RENESAS的单电机控制芯片例如M30280，即具有一个控制器模块203即电机控制单元。下面对M30280芯片做简单介绍，M30280 芯片是米用高性能娃栅 CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补金属氧化物半导体)工艺并且装载了 M16C/60系列CPU内核的单片机，采用64引脚塑封LQFP (Low-profile Quad Flat Package,方型扁平式封装)。该单片机既有高性能指令又有高效率指令，并具备IM字节的地址空间和快速执行指令的能力。另外，M16C/28群具有乘法器和DMA (Direct Memory Access,直接内存存取)控制器,适用于需要高速算术/逻辑运算处理的0A、通信设备和工业设备的控制，该芯片能使用3个定时器输出三相电机的六路PWM信号，并且芯片具有死区时间补偿功能。此外，如图3所示，IPM模块即第一 IPM模块204和第二 IPM模块205可以为SANKEN的SM6822M逆变功率模块，下面对SM6822M逆变功率模块做简单介绍。SM6822M逆变功率模块是一种将具有各种保护功能的预驱1C、带有限流电阻的自举二极管以及6单元的输出功率器件封装在一起的逆变功率模块，模块的额定电流3A，额定电压600V，具有过流、过热，欠压等完善的保护功能，IPM模块由310V的直流电压供电，P为直流电压的阳极，N为直流电压的阴极。
[0042]如图3所示，在本发明的一个实施例中，采用正弦波来驱动电机，利用低速的单片机芯片例如M30280芯片就可以获得近正弦的电机相电流波形，从而减小了电机的转矩脉动，提高了电机的运行平稳，同时降低了电机的噪声。具体地，第一转子位置检测模块201对第一电机Ml进行检测，并生成对于第一电机Ml的第一检测信号即三路位置检测信号HA1、HA2、HA3，并将三路位置检测信号HA1、HA2、HA3反馈给微处理器，主处理器进行数据处理，将信息发送给控制器模块203即电机控制单元。同理地，第二转子位置检测模块202对第二电机M2进行检测，并生成对于第二电机M2的第二检测信号即三路位置检测信号HB1、HB2、HB3，并将三路位置检测信号HB1、HB2、HB3同样反馈给微处理器，微处理器进行数据处理，并将信息发送给控制器模块203即电机控制单元，电机控制单元根据预设的速度进行调速控制运算，改变功率器件不同触发组合状态，产生6路PWM信号(PWM1?PWM6)同时传送给第一 IPM模块204和第二 IPM模块205，第一 IPM模块204内部的驱动单元301将6路PWM信号变换成6路驱动信号即UAh、VAh, WAh、UAL、VAL, WAL分别驱动第一 IPM模块203内的整流桥302中的6个输出功率器件即6个IGBT。同理，第二 IPM模块204内部的驱动单元301将6路PWM信号变换成6路驱动信号即UBh、VBh, WBh、UBL, VBL, WBL分别驱动第二 IPM模块205内的驱动桥302中的6个输出功率器件即6个IGBT。其中，第一 IPM模块204的输出端子UA、VA、WA (即驱动桥301的3个输出端)分别与第一电机Ml的三相定子绕组端子U1、V1、Wl端子相连。第二 IPM模块205的输出端子UB、VB、WB (即驱动桥301的3个输出端)分别与第二电机M2的三相定子绕组端子U2、V2、W2端子相连。其中，需要说明的是，即使第一电机Ml和第二电机M2设置的参数具有离散性、两个电机的负载有一定的差异，本发明实例中的控制装置也可以正常工作。
[0043]综上所述，根据本发明实施例的电机控制装置，第一电机和第二电机共用一个控制器模块即采用相同的控制信号，能够保证两个电机同步运行，并且与两个电机单独控制的效率基本相同。此外，提高了电机运行的平稳性，同时降低了电机运行的噪声，大大降低了成本。
[0044]如图4所示，本发明另一个实施例还提出了一种空调系统1000，该空调系统1000包括上述实施例提出的电机控制装置100。其中，空调系统1000可以为具有双贯流室内风机电机的空调器。
[0045]根据本发明实施例的空调系统，通过采用上述使用同一控制信号对双电机进行控制的电机控制装置，保证空调运行良好，降低了成本。
[0046]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0047]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
【权利要求】
1.一种电机控制装置，其特征在于，包括: 第一转子位置检测模块，所述第一转子位置检测模块检测第一电机的转子位置并生成第一检测信号； 第二转子位置检测模块，所述第二转子位置检测模块检测第二电机的转子位置并生成第二检测信号； 控制器模块，所述控制器模块在微处理器内部，所述控制器模块具有多个控制输出管脚，所述控制器模块分别与所述第一转子位置检测模块和第二转子位置检测模块相连，所述控制器模块根据所述第一检测信号和所述第二检测信号生成控制信号； 第一 IPM模块,所述第一 IPM模块和所述多个控制输出管脚相连,所述第一 IPM模块根据所述控制信号对所述第一电机进行控制；以及 第二 IPM模块，所述第二 IPM模块和所述多个控制输出管脚相连，所述第二 IPM模块根据所述控制信号对所述第二电机进行控制。
2.如权利要求1所述的电机控制装置，其特征在于，当所述第一电机的转速小于所述第二电机的转速时，所述控制器模块根据所述第一检测信号生成控制信号。
3.如权利要求1所述的电机控制装置，其特征在于，所述IPM模块进一步包括: 驱动单元，所述驱动单元与所述多个控制输出管脚相连，用于根据所述控制信号生成驱动信号； 驱动桥，所述驱动桥包括6个IGBT和3个输出端，每个IGBT与所述驱动单元相连，所述3个输出端分别与对应的电机的三相定子绕组相连，所述每个IGBT在所述驱动信号控制下导通或关断。
4.如权利要求1所述的电机控制装置，其特征在于，所述控制信号为PWM信号。
5.如权利要求4所述的电机控制装置，其特征在于，所述控制器模块还用于调节所述PWM信号的占空比来控制所述第一电机和所述第二电机转速。
6.如权利要求1所述的电机控制装置，其特征在于，所述第一电机和第二电机为直流无刷电机。
7.如权利要求6所述的电机控制装置，其特征在于，所述第一电机和第二电机的三相定子绕组采用星形连接。
8.—种空调系统，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的电机控制装置。
【文档编号】H02P6/16GK104052342SQ201310080937
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年3月13日 优先权日:2013年3月13日
【发明者】童怀, 黄直峰, 刘社旺, 吴海明 申请人:广东美的制冷设备有限公司, 美的集团股份有限公司