空调用直流无刷电机的控制方法及其控制系统

摘要

空调用直流无刷电机的控制方法，控制板发出具有可控占空比的脉宽调制方波作为电机驱动信号；直流无刷电机发出具有下降沿的窄脉冲作为位置信号；两信号在同一信号线上叠加、形成复合信号；复合信号通过共同载体双向传送给控制板、直流无刷电机；控制板通过复合信号中的下降沿信息推算出直流无刷电机的速度；复合信号中的方波被转化为等效的、平滑的直流电圧，从而控制直流无刷电机速度。本发明还涉及实施该控制方法的控制系统。相对现有技术，本发明不仅可节省一根信号线和相应的一对接口，控制系统的设计也更加简单、制造成本也更低、稳定性也更强。

说明书

技术领域

本发明涉及一种空调用直流无刷电机的控制方法及实现该方法的控制系统，属于空调的直流变频控制领域。

背景技术

直流无刷电机主要由电机主体和内置的驱动模块组成，是一种典型的机电一体化产品。电机主体的定子绕组呈三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电机主体的转子上粘有已充磁的永磁体。为了检测转子的极性，在电机主体内装有位置传感器。驱动模块由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受控制板的启动、停止、制动信号，以控制电机主体的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。

直流无刷电机以其线性的机械性和调节特性，以及功率密度高、过载能力强、调速方便、动态特性好、效率高、噪音低等一系列优点，成为直流变频空调中用于驱动室内、外风扇的最佳选择。

如图1所示，现有空调用直流无刷电机的控制系统，主要由控制板和直流无刷电机经线缆L1、线缆L2、线缆L3、线缆L4、线缆L5共5跟线缆连接而成。其中，线缆L1、线缆L2为电源线，分别为控制板提供电源DC 310V、DC 15V给直流无刷电机提供传输；线缆L3、线缆L4为信号线，依次为控制板发送信号来驱动控制直流无刷电机(简称驱动控制)、直流无刷电机发送信号将速度反馈给控制板（简称速度反馈）提供传输；线缆L5连接直流无刷电机能和控制板共同接地（GND）。

发明内容

本发明在于进一步优化空调用直流无刷电机的控制方法及实施该控制方法的控制系统。

为此，本发明提供了一种空调用直流无刷电机的控制方法，控制板发送信号来驱动控制直流无刷电机，而直流无刷电机发送信号将速度反馈给控制板，其特征在于：

（1）控制板发出电机驱动信号，该信号为具有可控占空比的脉宽调制方波；

（2）直流无刷电机启动后，发出位置信号，该信号为具有下降沿的窄脉冲；

（3）前述两信号产生叠加形成复合信号；

（4）前述复合信号通过共同载体双向传送给控制板、直流无刷电机；

（5）控制板通过复合信号中的下降沿信息推算出直流无刷电机的速度，即产生速度反馈信号；

（6）复合信号中的方波被转化为等效的、平滑的直流电圧，即产生驱动电压信号，从而控制直流无刷电机增加还是降低速度。

方波是一种非正弦曲线的波形。理想方波只有“高(1)”和“低(0)”这两个值，两个值进行周期转换。占空比(duty cycle)是方波值“1”占一个周期的时间比例。方波的平均值是由占空比决定的。

另外，本发明还提供了一种实施上述空调用直流无刷电机的控制方法的控制系统，主要由控制板、直流无刷电机及连接两者的线缆组成，其特征在于：

（1）控制板包括偏置电阻三、限流电阻四、限流电阻七、分压电阻八、上拉电阻十、三极管二组成的电路，其中偏置电阻三的一端和三极管二的基极连接，另一端和三极管二的发射极连接接地；限流电阻四的一端连接电机驱动信号，另一端连接三极管二的基极；限流电阻七一端连接速度反馈信号，一端连接三极管二的集电极；分压电阻八的一端连接速度反馈信号，另一端接地；上拉电阻十的一端连接DC 15V，另一端连接三极管二的集电极；三极管二的集电极连接到线缆上；

（2）直流无刷电机包括偏置电阻一、限流电阻二、限流电阻五、分压电阻六、上拉电阻九、积分平波电容、三极管一组成的电路，偏置电阻一的一端和三极管一的基极连接，另一端和三极管一的发射极连接接地；限流电阻二的一端连接位置信号，另一端连接三极管一的基极；限流电阻五的一端连接驱动电压信号，另一端连接三极管的集电极；分压电阻六的一端连接驱动电压信号，另一端接地；上拉电阻九的一端连接电源DC 15V，另一端连接三极管一的集电极；积分平波电容的一端连接驱动电压信号，另一端接地；三极管一的集电极连接到线缆上；

 （3）上述线缆为一跟，一端连接三极管一的集电极，另一端连接三极管二的集电极。 

三极管一和三极管二用于共同控制线缆上的电压信号。当三极管一和三极管二都关断的时候，线缆上的电压被上拉电阻九、上拉电阻十拉高并被分压电阻六、分压电阻八分压在5V左右。当三极管一和三极管二的任意一个导通或两个都导通时，线缆上的电压都会被拉到低电平0.7V左右。

当直流无刷电机启动后，位置信号送出；该信号通过偏置电阻一、限流电阻二控制三极管一的集电极和发射极导通，继而位置信号传递到线缆上（线缆上的电平从5V被拉到低电平0.7V）。

控制板发出电机驱动信号，该信号通过偏置电阻三和限流电阻四控制三极管二的导通和关断的时间比例，即占空比（导通时线缆上的电平从5V被拉到低电平0.7V），继而电机驱动信号传递到线缆上。

前述位置信号、电机驱动信号在线缆上产生叠加形成复合信号。控制板控制三极管二总是跟在三极管一之后导通，从而延长了线缆的低电平时间。这样，控制板可以通过检测线缆上的复合信号的下降沿发生周期来推算出直流无刷电机的速度，即产生速度反馈信号；同时，线缆上的复合信号的方波被电解电容积分平波为等效的、平滑的直流电圧，即产生驱动电压信号，从而控制直流无刷电机增加还是降低速度。

因此，本发明的空调用直流无刷电机的控制系统如图2所示，主要由控制板和直流无刷电机经4跟线缆连接而成。其中，两根线缆为电源线，分别由控制板提供电源DC 310V、DC 15V给直流无刷电机；一根线缆为信号线，同时用作控制板发送信号来驱动控制直流无刷电机，和直流无刷电机发送信号将速度反馈给控制板；另一跟线缆将直流无刷电机和控制板共同接地。整个控制系统的工作过程为：

一、驱动控制：控制板发出如图4所示的电机驱动信号，该信号为具有可控占空比的脉宽调制方波；该信号在信号线中和如图3所示的位置信号（为具有下降沿的窄脉冲）叠加、形成如图5所示的复合信号传输到驱动电路；然后复合信号中的占空比信息（如图5所示，时间t表示方波值“1”所占时间，时间T表示周期，占空比即为t/T）再通过积分电路转变为电平可变的驱动电压信号；驱动电路依据驱动电压信号，输出3相驱动电流驱动电机主体以稳定转速转动；

二、速度反馈：电机主体内有位置传感器，将位置信号传输给速度反馈电路；速度反馈电路发送如图3所示的位置信号，该信号为具有下降沿的窄脉冲（如图3所示，箭头所示处为下降沿）；该信号在信号线中和如图4所示的电机驱动信号（为具有可控占空比的脉宽调制方波）叠加、形成如图5所示的复合信号，复合信号中的下降沿信息（如图5所示，箭头所示处为下降沿）被控制板接受，转换为速度反馈信号。

因此，在该工作过程中，同一跟信号线上的复合信号被驱动电路和速度反馈电路同时使用到。复合信号的下降沿信息被控制板最终接收使用，占空比信息被驱动电路最终接收使用。因此，相对现有技术，本发明不仅可节省一根信号线和相应的一对接口，控制系统的设计也更加简单、制造成本也更低、稳定性也更强。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为现有空调用直流无刷电机的控制系统的原理图；

图2为本发明的空调用直流无刷电机的控制系统的原理图；

图3为本发明的空调用直流无刷电机的控制系统中位置信号的波形图；

图4为本发明的空调用直流无刷电机的控制系统中电机驱动信号的波形图；

图5为本发明的空调用直流无刷电机的控制系统中复合信号的波形图；

图6为本发明的空调用直流无刷电机的控制系统的一实施例的电路图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图6所示，该实施例的空调用直流无刷电机的控制系统，主要由控制板10和直流无刷电机20经线缆L1、线缆L2、线缆L6、线缆L5连接而成。

其中，直流无刷电机20包括电机本体（未示出）、驱动电路21、速度反馈电路22、偏置电阻一R1、限流电阻二R2、限流电阻五R5、分压电阻六R6、上拉电阻九R9、电解电容E1、三极管一T1，速度反馈电路22中产生位置信号S1，驱动电路21中产生驱动电压信号Q2。

其中，控制板10中产生速度反馈信号S2、电机驱动信号Q1，包括电源DC 15V、偏置电阻三R3、限流电阻四R4、限流电阻七R7、分压电阻八R8、上拉电阻十R10、三极管二T2。

其中，线缆L1将直流无刷电机连接到电源DC 310V上，线缆L2将控制板10、直流无刷电机20共同连接到电源DC 15V，线缆L5将控制板10、直流无刷电机20共同接地。

另外，偏置电阻一R1的一端和三极管一T1的基极连接，另一端和三极管一T1的发射极连接后经线缆L5接地；限流电阻二R2的一端连接位置信号S1，另一端连接偏置电阻一R1和三极管一T1的基极；偏置电阻三R3的一端和三极管二T2的基极连接，另一端和三极管二T2的发射极连接后经线缆L5接地；限流电阻四R4的一端连接电机驱动信号Q1，另一端连接偏置电阻三R3和三极管二T2的基极；限流电阻五R5的一端连接驱动电压信号Q2，另一端连接三极管一T1的集电极；分压电阻六R6的一端连接驱动电压信号Q2，另一端接地；限流电阻七R7的一端连接速度反馈信号S2，另一端连接三极管二T2的集电极；分压电阻八R8的一端连接速度反馈信号S2，另一端接地；上拉电阻九R9的一端经线缆L2连接电源DC 15V，另一端连接三极管一T1的集电极；上拉电阻十R10的一端连接15V，另一端连接三极管二T2的集电极；电解电容E1是积分平波电容，它的一端连接驱动电压信号Q2，另一端接地；三极管一T1是速度反馈开关，它的基极经限流电阻二R2连接到位置信号S1，集电极连接在线缆L6上，发射极经线缆L5接地；三极管二T2是驱动控制开关，它的基极经限流电阻四R4连接电机驱动信号Q1，集电极连接在线缆L6上，发射极接地。

三极管一T1和三极管二T2是该电路的核心部件，用于共同控制线缆L6上的电压信号。当三极管一T1和三极管二T2都关断的时候，线缆L6上的电压被上拉电阻九R9、上拉电阻十R10拉高并被分压电阻六R6、分压电阻八R8分压在5V左右。当三极管一T1和三极管二T2的任意一个导通或两个都导通时，线缆L6上的电压都会被拉到低电平0.7V左右。

当直流无刷电机20启动后，位置信号S1送出；该信号通过偏置偏置电阻一R1、限流限流电阻二R2控制三极管一T1的集电极和发射极导通，继而位置信号S1传递到线缆L6上（线缆L6上的电平从5V被拉到低电平0.7V）。

控制板10发出电机驱动信号Q1，该信号通过偏置偏置电阻三R3和限流限流电阻四R4控制三极管二T2的导通和关断的时间比例，即占空比（导通时线缆L6上的电平从5V被拉到低电平0.7V），继而电机驱动信号Q1传递到线缆L6上。

前述位置信号S1、电机驱动信号Q1在线缆L6上产生叠加形成复合信号。控制板10控制三极管二T2总是跟在三极管一T1之后导通，从而延长了线缆L6的低电平时间。这样，控制板10可以通过检测线缆L6上的复合信号的下降沿发生周期来推算出直流无刷电机的速度，即产生速度反馈信号S2；同时，线缆L6上的复合信号的方波被电解电容E1积分平波为等效的、平滑的直流电圧，即驱动电路21产生驱动电压信号Q2，从而控制直流无刷电机20增加还是降低速度。

因此，本发明的空调用直流无刷电机的控制系统中，控制板10和直流无刷电机20间仅有4跟线缆连接，相对现有技术，不仅可节省一根线缆和一对线缆接口，控制系统的设计也更加简单、制造成本也更低、稳定性也更强。

  以上是本发明的实施方式之一，对于本领域内的一般技术人员，不花费创造性的劳动，在上述实施例的基础上可以做多种变化，同样能够实现本发明的目的。但是，这种变化显然应该在本发明的权利要求书的保护范围内。