CN1320297A - Pwm/pam控制型的电动机控制装置和使用控制装置的空调机和电动机的控制方法 - Google Patents

Pwm/pam控制型的电动机控制装置和使用控制装置的空调机和电动机的控制方法 Download PDF

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Abstract

一种电动机驱动装置,它能够转换PWM控制和PAM控制操作以控制电动机增加速度而达到最大转速,并在稳定状态下以最大效率驱动电动机。该装置包括一变换器电路,一与变换器电路输出端相连接的逆变器电路,一与逆变器电路相连接的电动机和一将直流电压指令和通流率指令提供给变换器控制电路和逆变器控制电路的速度控制信号处理器。电动机负载较轻时,变换器控制电路的直流电压指令保持不变,改变逆变器控制电路的通流率指令。电动机负载较重时,逆变器控制电路的通流率指令保持不变,改变变换器控制电路的直流电压指令。电动机控制器包括换流相位控制器,用于改变电动机绕组的换流定时以能控制电动机增加速度而达到最大转速,并在稳定状态下以最大效率驱动电动机。

Description

PWM/PAM控制型的电动机控制装置和 使用控制装置的空调机和电动机的控制方法
本发明涉及一种电动机控制装置，以及一种电动机的控制方法，该方法能够控制电动机的速度达到所需的每分钟转数(r.p.m)，同时又能控制输入的正弦电流以提高功率因数和抑制谐波电流的畸变，还涉及一种使用该电动机控制装置以驱动压缩机驱动电动机和调节房间空气的空调机或致冷机。
在日本申请专利公开的出版物No.SHO 63-224698(1988)中描述的控制方法是一种电动机控制装置的常用方法，该控制装置位于整流交流电流并转换为直流电源的整流电路中，它通过控制直流电压的电源电路和电动机驱动电路的相结合来控制电动机的速度。该方法是在速度较低时，通过使用电动机驱动电路的PWM(脉宽调制)控制来控制电动机速度，在速度较高时，通过使用电源电路的直流电压控制的PAM(脉幅调制)控制来控制电动机速度。
在该J.A.P.L.O.P.No.SHO 63-224698(1988)中描述的电动机控制器下面用图23至图25作解释。在图23中，一逆变器控制电路61包括一驱动信号产生器601，它由一位置检测电路5接收到的位置检测信号形成一控制逆变器电路3转换装置换流动作的驱动信号；一PWM信号发生器67，它根据通流率指令即速度控制信号计算器600的速度控制信号产生一PWM信号；一驱动信号发生器65，它根据驱动信号产生器601的驱动信号和PWM信号发生器67的PWM信号驱动逆变器电路3的开关装置。
一变换器控制电路62包括一直流电压控制器69，它根据直流电压指令即速度控制信号计算器600的速度控制信号和实际直流电压之间的偏差输出一直流电压控制信号，一输入正弦电流控制器68，它根据直流电压控制器69的输出，通过操作逆变器电路2中的调压器斩波电路的开关装置来控制输入到变换器电路的正弦电流、电源电压波形信号和输入电流波形信号。
下面用图24解释速度控制信号计算器600的工作原理。该图表示直流电压指令和通流率指令对每分钟转数的各自工作状态，在该图中，水平轴代表每分钟转数，垂直轴代表变换器控制电路62的直流电压指令和逆变器控制电路61的通流率指令。
在低速运行状态，速度控制信号计算器600输出一个最小直流电压指令，该指令是能够控制变换器电路2中的直流电压指令的最小直流电压，并计算出一通流率指令以便速度计算器63的速度信号和外部的速度指令值之间的偏差变为零。这就是所谓的PWM控制。通过此控制，如图24所示通流率指令与每分钟转数成正比例地增加。
在高速运行状态，相反的情况是，通流率指令以最大极限值100％输出，和直流电压指令被计算出以便速度计算器63的速度信号和外部的速度指令值之间的偏差变为零。这就是所谓的PAM控制。通过此控制，如图24所示直流电压指令与每分钟转数成正比例地增加。
现在有多种可用于PWM控制和PAM控制之间转换的方法，现有技术使用了一种如图25所示的方法。在存在速度偏差和需要加速的状态下通流率指令达到100％时，就能实现由PWM控制向PAM控制的转换，在此就不作详细地描述了。与此相反，在存在速度偏差和需要减速的状态下直流电压指令达到最小极限值时，就能实现由PAM控制向PWM控制的转换。通过此控制，转换点根据负载状态而移动，因此稳定的转换就可能实现。
图24是以恒定的负载转矩为前提条件的，因此，如果负载转矩发生变化，转换控制的每分钟转数也会发生变化。此外，图24中的水平轴代表每分钟转数，但是即使水平轴代表电动机的输出，也能获得相似的曲线。也就是说，在此控制方法中，控制***根据电动机的输出即电动机负载而转换。
在日本申请专利公开的No.HEI 7-312895(1995)和No.HEI 8-191589(1996)中描述了其它的控制装置，其中电动机的速度在正常的运行状态下用PWM控制进行控制，但是，在PWM信号达到100％功能后，在高速运行状态下通过换流相位控制的磁场削弱效应进行速度控制。
根据前面提及的J.A.P.L.O.P.No.SHO 63-224698(1988)中描述的现有方法，电动机的控制能够在较宽的工作范围内实现，因为这种控制能够根据负载状态在PWM控制和PAM控制之间进行转换。由于电动机能够在PWM控制下以最小的直流电压和在PAM控制下以减少的逆变器PWM斩波分量运行，总的来说提高了电动机控制装置的效率。此外，通过使用该控制装置以驱动逆变器空调机的压缩机，它能够节能和增加输出，因此也就提高了空调机的容量。特别是，如果室外温度较低时，低温热容量得到显著地提高。
然而，在PAM控制下，由于电动机每分钟的转数随着直流电压的增加而增加，它不可能增加直流电压超过逆变器模块装置的耐压，换句话说，它是电动机最大的每分钟转数。
另一方面，根据J.A.P.L.O.P.No.HEI 7-312895(1995)或No.HEI8-191589(1996)中描述的现有方法，电动机的最大每分钟转数能够超过PWM控制的极限值。然而，在PWM控制下没有对电动机的工作效率给予足够的考虑。
除上述之外，对于安装了使用PWM和PAM相结合控制的电动机控制装置的空调机等来说，它不仅需要改善性能而且还需要降低成本。
本发明的一个目的是提供一种电动机的控制装置和一种电动机的控制方法，还提供一种使用该控制装置和/或该控制方法的空调机等，其中电动机的速度通过PWM控制和PAM控制之间的转换进行控制，该电动机能够在较宽的工作范围内一直以较高的效率保持运行。
本发明的另一个目的是提供一种电动机控制装置和一种电动机的控制方法，还提供一种使用该控制装置和/或该控制方法的空调机等，其中电动机的速度通过PWM控制和PAM控制之间的转换进行控制，能够实现非常高的速度控制。
本发明的又一个目的是提供一种电动机控制装置和一种电动机的控制方法，还提供一种使用该控制装置和/或该控制方法的空调机等，其中电动机的速度通过PWM控制和PAM控制之间的转换进行控制，能够提高电动机在低速运行状态下的工作效率。
本发明的再一个目的是提供一种电动机控制装置和一种电动机的控制方法，还提供一种使用该控制装置和/或该控制方法的空调机等，其中电动机的速度通过PWM控制和PAM控制之间的转换进行控制，能够获得低成本的逆变器模块。
上述目的通过电动机控制装置或电动机的控制方法而实现；上述控制装置或方法包括一将交流电源转换为直流电源的变换器电路，一与变换器电路输出端相连接的逆变器电路，一与逆变器电路相连接的电动机和一控制电动机速度的电动机控制器；其中包括一变换器控制电路和一逆变器控制电路的电动机控制器通过改变变换器控制电路的直流电压指令或逆变器控制电路的通流率指令控制电动机的速度；上述电动机控制器包括一换流相位控制器，它改变电动机线圈的换向定时，根据电动机的速度和负载变换电动机线圈的换流相位。
本发明的另一个特征是一种电动机控制装置或一种电动机的控制方法；上述的控制装置或方法包括一将交流电源转换为直流电源的变换器电路，一与变换器电路输出端相连接的逆变器电路，一与逆变器电路相连接的电动机和一控制电动机速度的电动机控制器；其中包括一变换器控制电路和一逆变器控制电路的电动机控制器通过改变变换器控制电路的直流电压指令或逆变器控制电路的通流率指令控制电动机的速度；上述电动机控制器包括一换流相位控制器，它改变电动机线圈的换向定时，上述换流相位控制器检测如与电动机控制装置的效率相关的输入功率或直流电流量这样的值，变换电动机线圈的换流相位以便电动机控制装置的效率能达到最大极限值。
根据本发明，在使用电动机控制装置或电动机控制方法中，其中电动机速度通过PWM控制和PAM控制之间的转换进行控制，电动机的效率通过PWM/PAM控制和独立的相位控制的结合而得到提高。也就是说，在使用电动机控制装置或电动机控制方法中，其中电动机速度通过PWM控制和PAM控制之间的转换进行控制，控制电动机使其通过换流相位控制器改变电动机线圈的换向定时和以稳定运行状态下效率达到最大极限值及在高速运行状态下每分钟转数达到最大极限值的方式控制电动机在较宽的工作范围内能够非常有效地运行。
通过控制整个速度范围内的相位，效率能够得到显著地提高。在高速范围内既可以通过改变相位又可以通过改变直流电压能够实现对每分钟转数的控制，只要改变是根据更好地提高效率而确定的，就能一直实现有效的运行。此外，通过连续地搜索一最大效率的最佳相位也可以获得与上述同样的效果。
因此，将本发明用于逆变器空调机中，它能够提供一种广泛地提高其致冷和致热容量，同时又节能的空调机。此外，由于能自动搜索最佳换流相位，因此就能提供低成本的上述空调机。
此外，根据本发明，能够实现电动机的高速运行。即，通过控制相位而不增加直流电压超过330V，就能实现较高速度的控制。因此，将本发明用于空调机或致冷机中时，就能提高瞬态运行如启动过程或负载突变过程中的容量。
此外，根据本发明，由于所设计的电动机每分钟转数能被降低，低速运行的效率就能被提高。由于只要每分钟最大转数设定为常数也能实现高速范围的控制，电动机的设计点就能被降低。由于此原因，就能提高低速范围的效率。此外，将PWM/PAM控制加到运行过程中，就能实现高效的运行。因此，将本发明用于空调机或致冷机中时，能够提高稳定状态工作范围内的效率，以此一年能够极大地节省能源，显著地降低电能成本。
此外，根据本发明，能够利用低成本的逆变器模块。也就是说，由于最大直流电压能低于330V左右，一标准的逆变器模块就能使用，所以就能提供低成本的逆变器或电动机控制装置。因此，将本发明用于空调机或致冷机中，就能降低每个单元的成本。
图1是根据本发明第一实施例的压缩机驱动单元的示意图。
图2是根据本发明第一实施例的电动机控制器的内部结构示图。
图3是图2所示的速度控制信号计算器工作过程的解释示图。
图4是根据本发明第一实施例的换流相位控制的转换算法的示图。
图5是根据本发明第一实施例的速度控制计算的流程图。
图6是图1所示的逆变器控制电路的工作过程的解释示图。
图7是根据本发明第一实施例的换流相位和最大输出之间关系的试验结果。
图8是根据本发明第二实施例的速度控制信号计算器的大致示图。
图9是根据本发明第二实施例的速度控制信号计算器工作过程的解释示图。
图10是根据本发明第二实施例的换流相位和电动机效率之间关系的试验结果。
图11是根据本发明第二实施例的速度控制计算的流程图。
图12是根据本发明第二实施例的最佳换流相位控制的流程图。
图13是根据本发明第三实施例的电动机控制器的内部结构框图。
图14是根据本发明第三实施例的速度控制信号计算器的大致框图。
图15是根据本发明第三实施例的换流相位变换控制的解释示图。
图16是根据本发明第三实施例的速度控制计算的流程图。
图17是根据本发明第三实施例的换流相位变换控制的解释示图。
图18是根据本发明第四实施例的速度控制信号计算器的示意图。
图19是根据本发明第四实施例的速度控制计算的流程图。
图20是根据本发明第四实施例的换流相位变换控制的流程图。
图21是根据本发明第五实施例的速度控制信号计算器工作过程的解释示图。
图22是根据本发明另一个实施例的压缩机驱动单元的示意图。
图23是现有技术中电动机控制器的内部结构的示意图。
图24是图23所示的速度控制信号计算器示例的解释示图。
图25是图23所示PWM/PAM控制转换算法示例的示图。
下面用图1至图7解释本发明的第一实施例。
图1是本发明用于空调压缩机驱动单元的总体示图。该驱动单元包括一变换器电路2，它使用整流电路和调压器斩波电路将交流电源1的交流电压变换为直流电源并控制直流电压；一逆变器电路3，它将直流电压变换为所需的交流电压源，一电动机控制器，它根据速度指令控制无刷直流电动机4的速度；一位置检测电路5，它检测无刷直流电动机4的磁极位置；一驱动器9，它根据电动机控制器6的变换器驱动信号驱动变换器电路2；一驱动器8，它根据电动机控制器6的逆变器驱动信号驱动逆变器电路3；和一压缩机7，它与电动机4直接相连接，构成一热循环。
图2表示根据本发明第一实施例的电动机控制器内部结构的示意图。该电动机控制器使用一单片微机，所有控制器以软件的形式实现。电动机控制器6包括一速度控制电路60，一逆变器控制电路61，和一变换器控制器62。
速度控制电路60包括一速度计算器63，它根据位置检测电路63的位置检测信号计算电动机4的速度，和一速度控制信号计算器64，它从外部的速度指令值和速度计算器63的速度信号之间存在的偏差计算一速度控制信号。
速度控制信号计算器64包括三个信号发生器：一直流电压指令部641，它将直流电压指令输出给变换器控制电路62，一通流率指令部642，它将一通流率指令输出给逆变器控制电路61，和一换流相位指令部643，它输出一换流相位指令；和一开关部644，它切换三个发生器。
下面用图3解释速度控制信号计算器64的工作原理。与图24一样，该图表示直流电压指令、通流率指令和换流相位指令对每分钟转数的工作状态。由于直流电压指令和通流率指令的工作状态与图24中的相同，对它们的解释就省略了。
除了计算直流电压指令和通流率指令之外，速度控制信号计算器64还计算换流相位指令部643中的换流相位指令。在上述PWM控制和PAM控制下保持恒量的换流相位指令在需要进一步加速时甚至在直流电压指令达到最大电压后将会改变。
图4表示转换换流相位控制的算法，即图2所示的开关部644的动作。在每分钟转数不再由PAM控制的情况下进行换流相位控制，换句话说，在直流电压达到最大极限值时。
由于这样，从PAM控制到换流相位控制的转换是在存在速度偏差和需要加速的状态下直流电压指令达到最大极限值时完成的。与此相反，从换流相位控制到PAM控制的转换是在存在速度偏差和需要减速的状态下换流相位指令达到最小极限值完成的。通过这样的控制，转换点根据负载状态移动，因此就能够实现平滑的转换。
下面，图5表示速度控制计算的流程图，它实际能够实现图3所示的速度控制。该流程图表示在速度控制信号计算器64中执行的速度控制过程。速度控制过程以预设周期重复地执行。
速度控制过程以预设时间间隔重复地执行。首先，在步骤(502)中读取速度计算器63的速度信号，在步骤(504)中计算外部速度指令值和上述速度信号之间存在的速度偏差。在步骤(506)中检查目前的控制状态。如果它在PWM控制下，执行过程继续进行到步骤(508)；或者如果在PAM控制下则到步骤(516)。这里，使用标记判断控制的状态，根据图4所示的算法改变控制状态。图4所示的转换控制状态的过程也可以预设周期在速度控制信号计算器600的内部执行。
在执行过程进行到步骤(508)时，运行在PWM控制下，使用前述步骤(504)中获得的速度偏差计算出通流率指令。计算如图中所示执行。
在步骤(508)中的过程完成后，执行过程就进行到步骤(510)，所计算出的通流率指令D*就输出给PWM信号发生器67。由于在此情况下运行在PWM控制下，直流电压指令以150V的最小极限值输出给直流电压控制器69。也输出换流相位指令值P*=0度。
然后，在步骤(506)中如果运行被判断是在PAM控制下，执行过程就进行到步骤(12)，使用前述步骤(504)中获得的速度偏差与步骤(508)中相同计算出直流电压指令。计算如图中所示执行。
在上述过程之后，执行过程就进行到步骤(514)，与上述步骤(508)一样，所计算出的直流电压指令就输出给直流电压控制器69。由于在此情况下运行是在PAM控制下，换流相位指令就以100％的最大极限值输出给PWM信号发生器67。也输出换流相位指令值P*=0度。
如果运行是在PAM控制或换流相位控制下，执行过程就进行到步骤(516)，并判断运行是否是在换流相位控制下。如果它是在PAM控制下，执行过程就进行到步骤(512)，并执行与上述相同的过程。
如果运行是在换流相位控制下，执行过程就进行到步骤(518)，并判断在步骤(504)中计算出的速度偏差是正数还是负数。
如果速度偏差是正数，即需要加速，执行过程就进行到步骤(520)，换流相位指令就以预设的减小率减小。与此相反，如果速度偏差是负数，即需要减速，执行过程就进行到步骤(522)，换流相位指令就以预设的增量增加。
在此情况下，位置检测信号和驱动信号之间的关系如图6所示。如图6所示由于换流相位指令是一个用于计算从位置检测信号的变化点一直到驱动信号实际变换时间的延时值，该值越小，相位超前越多。换句话说，换流相位指令值越小，速度增加越大。
在步骤(524)中，输出在上述步骤(520)或(522)中计算出的换流相位指令P*。与此同时，通流率指令D*和直流电压指令Vd*每个以最大极限值输出。
通过重复执行上述过程，速度控制信号计算器600，就能控制电动机4的速度，如图4所示。
驱动信号发生器601一驱动信号，该驱动信号根据位置检测电路5的位置检测信号控制逆变器电路3的开关装置的启动定时和组合。
由于本实施例中描述的位置检测电路5使用了一能够检测如图6所示滞后换流动作实际位置30度电角度位置的电路，逆变器每个相位的驱动信号就从位置检测信号的变化点以30度电角度的延时时间输出。该延时也可以在驱动信号发生器601中进行。
该附图还表示了感应电压波形和位置检测信号、PWM循信号、以及逆变器驱动信号之间的关系。
下面使用图6解释PWM信号发生器67和驱动信号发生器65的工作原理。
PWM信号发生器67从速度控制信号计算器接收到的通流率指令中产生一PWM信号，如图6中用PWM信号表示。
设定在逆变器电路3上臂部的每个U+相位，V+相位，W+相位是ON时，驱动信号发生器65对PWM信号发生器67的PWM信号和图6中用逆变器驱动信号表示的驱动信号发生器66的驱动信号这两个信号进行结合处理。上述处理是根据斩波仅用上臂部完成的情况而进行的。
图6所示的六个逆变器驱动信号如上所述从驱动信号发生器65中输出。
图7表示每分钟转数和不同换流相位的输出转矩之间关系的试验结果。如图7所示，应该明白：如果输出转矩设定为恒量，由于换流相位超前，每分钟转数就增加。换流相位控制使用了如图7所示的电动机特性图。
在没有使用换流相位控制的PWM控制和PAM控制的情况下，在图5的步骤(510)和(514)中所示换流相位指令值P*就设定为最小极限值。在本实施例中，只要没有产生相位超前，换流相位就设定为零度。
通过重复执行上述过程，如图3所示，速度控制信号计算器64就能控制电动机4的速度。
驱动信号发生器66根据位置检测电路5的位置检测信号，和现有技术中的驱动信号发生器601一样输出一驱动信号。与现有技术中的差异在于速度控制信号计算器64中计算出的换流相位指令是在从位置检测信号变化点一直到驱动信号实际变化时间的延时时间过程中使用。
上面已解释了根据本发明第一实施例压缩机驱动单元的电动机的控制方法。
使用本实施例的方法，它能够在不增加最大直流电压的情况下增加每分钟转数，因此与使用现有技术的方法相比，扩大了控制范围。此外，如图7所示，电动机的输出范围也通过超前的换流相位被扩大了。因此，如果本发明用于构成热循环的压缩机的驱动单元，该单元用于空调机中，其中电动机的速度指令值是根据设定室温和实际室温之间的温差计算出的，电动机的速度是根据该速度指令值而控制的，这样就能提高空调机的容量。
此外，由于本方法中能使用低直流电压，例如330V，它就无需增加逆变器电路3的耐压，因此电动机控制装置能够以与现有技术方法中相同的成本实现。
另一方面，如果每分钟最大转数设定为相同值，由于直流电压的最大极限值能被降低，因此与现有技术方法中相比，就能期望大大地提高效率。此外，如果最大直流电压也设定为相同值，由于电动机能以不同的设计点设计以便该效率能在低速范围内得到进一步提高，它就能在正常的工作范围内建立一个十分有效的***。因此，如果该方法用于空调机中，就能降低一年电能的耗费。
如果本发明的压缩机驱动单元用于构成致冷机致冷循环的压缩机的驱动单元，其中电动机的速度指令值是根据设定腔温和实际腔温之间的温差计算出的，电动机的速度是根据该速度指令值而控制的，也能获得相同的效果。
接着，在下面用图8至图12解释本发明第二实施例。与第一实施例绝大部分相同的本实施例是一种也能在正常速度范围内实现换流相位控制的方法。为此，电动机控制器的内部结构与图2中的相同。差异在于是速度控制信号计算器64的速度控制信号其中之一的换流相位指令随每分钟转数一直在变化。
也就是说，如图8所示，速度控制信号计算器64包括三个信号发生器：一直流电压指令部641，它将直流电压指令输出给变换器控制电路62，一通流率指令部642，它将通流率指令输出给逆变器控制电路61，一换流相位指令部643，它输出一换流相位指令；一开关部644，它开关这三个信号发生器；和一附加的最佳换流相位控制部645，它即使在PWM控制和PAM控制下也能将换流相位改变为一最佳值，和一开关部646。
接着，下面解释速度控制信号计算器64的工作原理。图9表示速度控制方法中每个速度控制信号的移动，其中水平轴表示每分钟转数。基本工作过程与第一实施例中的相同。在第一实施例中，虽然换流相位是在直流电压达到最大极限值后改变的，在本实施例中，换流相位也在PWM控制和PAM控制下改变的。在此解释说明中，正常速度范围内的换流相位改变被称之为最佳换流相位控制以将它与高速运行过程中的换流相位控制相区分。
如图9所示，通流率指令和直流电压指令与第一实施例中的相同，只有换流相位指令在从低速范围到高速范围的整个运行过程中产生变化。从电动机起动时间到直流电压指令值达到最大极限值时间的整个运行过程中发出的换流相位指令被计算出以便电动机效率能够达到最大极限值。
图10表示使用每分钟转数作为参数的电动机效率对换流相位指令的试验结果。在电动机用于该试验的情况下，如果换流相位超前大约15度电角度，其在低速运行过程中的效率就会达到最佳，如果能够提供更大角度的超前，效率还能够在高速范围内得到进一步提高。
为了提高电动机的效率，每分钟转数和换流相位之间的相关公式应该事先计算出，如图10所示，并用于执行速度控制信号计算器64的最佳换流相位控制部645的最佳换流相位控制中。
图11和图12分别表示在速度控制信号计算器中执行速度控制过程的流程图。图12是图11所示的最佳换流相位控制过程的内部执行的流程图。
图12表示两种类型的过程(a)和(b)。如果相对电动机换流相位的效率特性不受负载转矩影响太多，它就能仅根据图(a)所示的每分钟转数计算出换流相位指令。对于相对换流相位的效率特性随负载转矩产生较大变化的电动机来说，或者对于电动机特性是非常重要的***来说，它就必须根据每分钟转数和估算出负载转矩的值计算出换流相位指令。类型(b)是根据直流电流量的流程图。
在图12(a)和图12(b)中，它必须事先测量出相对换流相位的效率特性，并根据该测量结果准备一计算公式或数据表。
图11所示的速度控制过程几乎与图5中的一样，相同的步骤序号表示相同的过程。因此，下面仅解释步骤(530)和(532)的执行过程。
步骤(530)判断运行是否是在第一实施例中描述的换流相位控制下。如果运行是在换流相位控制下，就不能实现最佳换流相位控制，但是执行过程继续进行到步骤(506)。如果运行没有在换流相位控制下，执行过程就进行到步骤(532)。步骤(532)是图12所示的过程。
如果准备使用需要改变换流相位的两种不同控制方法，最佳换流相位控制和换流相位控制，它就必须在最佳换流相位控制范围和换流相位控制范围的转换中平滑地改变换流相位指令。
例如，由最佳换流相位控制转换为换流相位控制时，换流相位控制的换流相位指令的初始值就设定为最佳换流相位控制的终值。
否则，就必须想出一个办法，例如，预先设定最佳换流相位控制的换流相位指令的终值，将该终值用作换流相位控制的初始值。
根据本发明的第二实施例，电动机的效率通过PWM/PAM控制和独立的相位控制的结合而得到提高。也就是说，在使用电动机控制装置或电动机控制方法中，其中电动机速度通过PWM控制和PAM控制之间的转换进行控制，能控制电动机使其通过换流相位控制装置改变电动机线圈的换向定时和以稳定运行状态下效率达到最大极限值及在高速运行状态下每分钟转数达到最大极限值的方式控制电动机从而在较宽的工作范围内能够非常有效地运行。该效率通过控制整个速度范围内的相位能得到特别地提高。
因此，将与最佳换流相位控制有关的第二实施例用于压缩机驱动单元的电动机控制中时，电动机在稳定速度范围内的效率就会提高。此外，因为换流相位被控制在一最佳值上，就能避免电动机由于同步过程中的失步而停止运行。将控制装置用于逆变器空调机中时，它就能提供一种极大地提高其致冷和致热容量，同时又可节能的空调机。对于本实施例来说，每年的电能耗费比第一实施例的还要降低很多。此外，由于能够自动搜索最佳换流相位，就能提供低成本的上述空调机。
此外，根据本发明的第二实施例，能够实现电动机的高速运行。即，通过控制相位而不增加直流电压超过330V，就能实现较高速度的控制。因此，将本发明的第二实施例用于空调机或致冷机中时，就能提高瞬变运行状态如起动过程或负载突变过程中的容量。
此外，根据本发明的第二实施例，由于所设计的电动机每分钟转数能被降低，低速运行的效率就能被提高。即，由于只要每分钟最大转数设定为常数也能实现高速范围的控制，电动机的设计点就能被降低。由于此原因，就能提高低速范围的效率。此外，将PWM/PAM控制加到运行过程中，就能实现更高效的运行。
此外，根据本发明的第二实施例，能够利用低成本的逆变器模块。也就是说，由于最大直流电压能低至330V左右，一标准的逆变器模块就能使用，所以就能提供低成本的单元。因此，将本发明用于空调机或致冷机中，就能降低每个单元的成本。
下面，用图13至图17解释本发明的第三实施例。
图13表示图1中用于第三实施例的电动机控制器6的内部结构。在该附图中，流入逆变器电路3的直流电流量输入给第二实施例中所描述的速度控制信号计算器64。
也就是说，如图14所示，速度控制信号计算器64包括一直流电压指令部641，它将直流电压指令输出给变换器控制电路62，一通流率指令部642，它将通流率指令输出给逆变器控制电路61，和一附加的最佳换流相位控制部647，它即使在PWM控制和PAM控制下也能将换流相位改变为最佳值，和一开关部646。
本实施例是第二实施例中所描述的用最佳换流相位控制部645的最佳换流相位控制的一种改进方法，其中运行是自动地与最佳换流相位值一致而被控制，不必事先测量电动机的最佳换流相位值。
接着，下面用图15解释用于控制自动地与最佳换流相位值一致的运行的控制方法的原理。图15表示电动机使用逆变器驱动同时每分钟转数和负载转矩为常数的情况下直流电流对换流相位的特性图。如图所示，它表示通过改变换流相位求出最小直流电流的特性曲线。换句话说，直流电流达到最小极限值的换流相位是电动机效率达到最大极限值的最佳换流相位。
本实施例是一种通过改变换流相位来搜索直流电流达到最小极限值位置的方法。该方法仅在每分钟转数和负载转矩位于一定的变化范围内的稳定状态运行中有效。
下面，用图15解释搜索直流电流最小极限值的工作原理，它也是本实施例的特有特征。首先，假定在每分钟转数和负载转矩保持稳定的条件下，换流相位位于相位A。搜索工作开始时，相位以预设相位A的增加量/减小量X滞后，位于相位C。改变换流相位，实现速度控制，然后将改变换流相位前的直流电流与改变后的直流电流相比较，这是步骤(1)。由于直流电流与相位A的相比已增加，相位以增加量/减小量X超前相位C，并位于相位A，这是步骤(2)。然后，和步骤(1)一样，将改变换流相位前的直流电流与改变后的直流电流相比较。由于直流电流与相位C的相比已减小，此时，相位又以增加量/减小量X超前相位A，并位于相位B，这是步骤(3)。
换流相位改变为相位B时，将改变换流相位前的直流电流与改变后的直流电流相比较。由于直流电流已增加，相位以增加量/减小量X滞后相位B，这是步骤(4)。
通过重复上述步骤，换流相位被控制在近似位于直流电压达到最小极限值的那个点。
图16表示第三实施例的速度控制计算的流程图，其中上述算法用于速度计算中。和图11中相同的步骤序号表示相同的过程。下面的解释包括新增加的执行过程。在高速运行中不使用换流相位控制方法的基础上给出图16速度控制计算过程的描述。
步骤(702)判断步骤(504)中计算出的速度偏差是否落在预设的范围内。即，它判断电动机在速度和负载转矩是稳定的情况下是否处于稳定的运行状态。
如果电动机没有处于稳定的运行状态下，执行过程就进行到步骤(704)，增加量/减小量X初设化为一正值；然后，在下面的步骤(706)中，先前的直流电流值被清零。
如果电动机处于稳定运行状态下，执行过程进行到步骤(708)，接着到步骤(710)，其中检测目前相位的直流电流，并作为当前值存储在存储器中。
步骤(712)判断直流电压的先前值是否存储在存储器中。如果先前值没有存储在存储器中，执行过程就进行到步骤(718)，当前值就作为先前值存储在存储器中。如果先前值存储在存储器中，在步骤(714)中将先前值与当前值相比较以判断直流电流是否已增加。如果直流电流已增加，执行过程就进行到步骤(716)，此时，增加量/减小量X的符号已反向，然后进行到步骤(718)。如果直流电流没有增加，执行过程就直接进行到步骤(718)。
在步骤(718)中，和先前值一样将当前值存储在存储器中，在步骤(720)中计算改变的换流相位指令。在此步骤中，由于作为直流电流增加或减小的结果，增加量/减小量X的符号已改变，增加量/减小量就被简单地加到当前的相位指令值中。计算出的换流相位指令被立即输出。
因为换流相位指令被改变，电动机每分钟转数就根据换流相位而改变。在步骤(722)和步骤(724)中，与上述步骤(502)和(504)一样，计算速度，求出速度偏差。然后，过程继续进行，在是正常速度控制过程的步骤(506)之后，电动机每分钟转数就达到稳定。因此，就实现了速度控制。
通过循环地重复上述过程，就能实现换流相位改变控制。
上述实施例是用直流电流作解释的，但是使用其它值而不是直流电流，例如与电动机输出成正比例变化的输入功率，也能获得同样的效果。特别是，如果使用输入功率，考虑到压缩机驱动单元的总效率，它不仅能够能使电动机效率达到最佳，而且还能使换流相位达到最佳。图17是使用输入电流搜索最佳换流相位的解释示图。由于其工作原理与图15中的相同，这里就不作更多的解释了。
将控制装置用于逆变器空调机中时，它就能提供一种极大地提高其致冷和致热容量，同时又可节能的空调机。特别是，由于能够自动搜索最佳换流相位，就能提供低成本的上述空调机。
接着，下面用图18至20简单地解释本发明的第四实施例。而本实施例与上述第三实施例相同，是一种搜索最佳换流相位值的方法，它无需使用第三实施例中使用的直流电流等，但为此而仅使用每分钟转数。
图18表示根据本发明第四实施例的速度控制信号计算器64的结构。
速度控制信号计算器64包括三个信号发生器：一直流电压指令部641，它将直流电压指令输出给变换器控制电路62，一通流率指令部642，它将通流率指令输出给逆变器控制电路61，一换流相位指令部643，它输出一换流相位指令；一开关部644，它开关这三个信号发生器；和一附加的最佳换流相位控制部645，它即使在PWM控制和PAM控制下也能将换流相位改变为一最佳值，和一开关部646。
图19表示第四实施例的速度控制计算的流程图。图20表示实际搜索最佳相位的换流相位改变控制部的流程图。
本实施例的描述与第一实施例相同是根据包括高速运行过程中换流相位控制的方法而作出的。
由于图19所示的速度控制计算的流程图与前面的相同，这里就不作更多的解释了。下面用图19仅对表示换流相位改变控制部的图19中步骤(534)的执行过程作解释。
在图20中，步骤(A)判断运行是否是在高速范围内的换流相位控制下。如果它是在换流相位控制下，下面所解释的该换流相位改变控制将不会执行。
如果运行不在换流相位控制下，执行过程进行到步骤(B)，换流相位指令被强迫滞后一增加量/减小量“a”。在此步骤中，输出换流相位指令。然后，在步骤(C)中，将图19步骤(502)中计算出的速度与图20步骤(C)中计算出的速度相比较，并判断电动机速度是否已增加。
如果电动机速度已增加，执行过程就进行到步骤(H)，这里在步骤(B)中改变的换流相位指令已存储在存储器中。在此情况下，换流相位指令保持存储在存储器中的值。
如果电动机速度没有增加，执行过程就进行到步骤(D)，这里换流相位指令被重新设定为换流相位改变控制前的初始值。然后，执行过程就进行到步骤(E)，与步骤(B)相反，换流相位指令被强迫超前一增加量/减小量“a”。在此步骤，输出换流相位指令。
在步骤(F)中，将图19步骤(502)中计算出的速度再次与步骤(F)中计算出的速度相比较，并判断电动机速度是否已增加。
如果电动机速度已增加，执行过程就进行到步骤(G)，这里在步骤(E)中改变的换流相位指令已存储在存储器中。在此情况下，换流相位指令保持存储在存储器中的值。
如果电动机速度没有增加，执行过程就进行到步骤(Ⅰ)，这里换流相位指令被重新设定为换流相位改变控制前的初始值。
通过重复上述每个速度控制循环中的过程，就能自动地获得最佳换流相位。
上述换流相位改变控制是一种以这样的理论为基础的，即如果换流相位达到最佳，换句话说，如果电动机效率通过改变换流相位而提高，电动机产生的能量就非常大，因此电动机的每分钟转数就增加了。
由于这样，任何其它值，包括直流电压和通流率在换流相位改变控制过程中都不会改变。为此，如图19所示在执行速度控制之前执行该过程。
如上所解释，将第三或第四实施例用于压缩机驱动单元中时，无论电动机用于何处，总是能够实现有效的运行。该单元用于空调机中时，单个程序适用于所有不同模型的产品。因此，由于开发期缩短了，产品成本降低了，就能提供高效和低成本的空调机。
接着，下面用图21解释本发明的第五实施例。该实施例涉及第一实施例中解释的高速运行状态下换流相位控制的另一种方法。
第一实施例是一种直流电压已达到最大极限值后，如图3所示通过改变换流相位而控制电动机速度的方法，而本实施例是一种直流电压达到最大极限值后，换流相位大大地超前一段时间，通过PAM控制电动机速度的方法。
虽然图21表示终值好象是通过两个改变步骤而获得的，但是更稳定的速度控制是通过更多的改变步骤实现的。然而，对于简单的单元来说，它能够通过单个步骤获得终值。这里省略了速度控制计算的具体流程图。
在上述的第五实施例中，能够获得与第一实施例同样的效果。特别是，如果换流相位的改变是通过较多步骤实现时，所产生的效果几乎与第一实施例中的完全一样。此外，在第一实施例中，因为换流相位超前接近于终值，除非换流相位的增加量/减小量发生变化，否则速度变化就非常大，这是因为速度变化不与换流相位的增加量/减小量成比例。然而，在第五实施例中，由于每分钟转数是通过直流电压控制进行控制的，速度变化就被限制了。
换句话说，第一实施例中的方法可能是一种有效的控制方法，如果加上这样的控制，即换流相位的增加量/减小量不设定为固定值，而是依据相位的绝对值或速度变化范围而改变。
虽然上述第一至第五实施例根据设置有图1所示的压缩机驱动单元的结构已作出解释，即使它们使用一种电路结构，即如图22所示增加用于控制变换器电路2的专用变换器控制电路10作为外部电路，也没有偏离本发明的目的。最近，这类电路已集成到提高功率因数的专用控制电路中，所以图22的电路结构更具实际性。
根据本发明，电动机的效率通过PWM/PAM控制和独立的相位控制的结合而得到提高。也就是说，在使用电动机控制装置或电动机控制方法中，其中电动机速度通过PWM控制和PAM控制之间的转换进行控制，控制电动机使其通过换流相位控制器改变电动机线圈的换流定时和以稳定运行状态下效率达到最大极限值及在高速运行状态下每分钟转数达到最大极限值的方式控制电动机从而在较宽的工作范围内能够非常有效地运行。
通过控制整个速度范围内的相位，效率能够得到显著地提高。在高速范围内既可以通过变换相位又可以通过改变直流电压来实现每分钟转数的控制，只要变换是根据更好地提高效率而确定的，就能实现一直有效的运行。此外，通过连续地搜索最大运行效率的最佳相位也可以获得与上述同样的效果。
因此，将本发明用于逆变器空调机中，它能够提供一种广泛地提高其致冷和致热容量，同时又节能的空调机。此外，由于能自动搜索最佳换流相位，因此就能提供低成本的上述空调机。
此外，根据本发明，能够实现电动机的高速运行。即，通过控制相位而不增加直流电压超过330V，就能实现较高速度的控制。因此，将本发明用于空调机或致冷机中时，就能提高瞬变运行状态如起动过程或负载突变过程中的容量。
此外，根据本发明，由于所设计的电动机每分钟转数能被降低，低速运行的效率就能被提高。由于只要每分钟最大转数设定为常数也能实现高速范围的控制，电动机的设计点就能被降低。由于此原因，就能提高低速范围的效率。此外，将PWM/PAM控制加到运行过程中，就能实现高效的运行。因此，将本发明用于空调机或致冷机中时，能够提高稳定状态工作范围内的效率，以此每年能够极大地节省能源，显著地降低电能耗费。
此外，根据本发明，能够利用低成本的逆变器模块。也就是说，由于最大直流电压能低至330V左右，就能使用一标准的逆变器模块，所以就能提供低成本的单元。因此，将本发明用于空调机或致冷机中，就能降低每个单元的成本。

Claims (15)

1．一种电动机控制装置，包括一将交流电源转换为直流电源的变换器电路，一与变换器电路输出端相连接的逆变器电路，一与逆变器电路相连接的电动机和一控制电动机速度的电动机控制器；其中：
电动机控制器，包括一变换器控制电路和一逆变器控制电路，它通过改变变换器控制电路的直流电压指令或逆变器控制电路的通流率指令值控制电动机的速度；
所述电动机控制器包括一换流相位控制器，它改变电动机线圈的换流定时，并根据电动机的速度和负载改变电动机线圈的换流相位。
2．一种电动机控制装置，包括一将交流电源转换为直流电源的变换器电路，一与变换器电路输出端相连接的逆变器电路，一与逆变器电路相连接的电动机和一控制电动机速度的电动机控制器；其中：
电动机控制器，包括一变换器控制电路和一逆变器控制电路，它通过改变变换器控制电路的直流电压指令或逆变器控制电路的通流率指令值控制电动机的速度；
所述电动机控制器包括一换流相位控制器，它改变电动机线圈的换流定时，所述换流相位控制器检测如与电动机控制装置的效率相关的输入功率或直流电流量这样的值，并改变换流相位以便电动机控制装置的效率能达到最大极限值。
3．一种电动机控制装置，包括一将交流电源转换为直流电源，还通过一斩波电路升高或降低直流电压的变换器电路，一与变换器电路输出端相连接的逆变器电路，一与逆变器电路相连接的电动机和一控制电动机速度的电动机控制器；
所述电动机控制器，包括一速度计算器，它根据电动机转子位置数据计算电动机的速度，一变换器控制电路，它通过控制斩波电路的开关操作控制直流电压，一逆变器控制电路，它通过控制逆变器电路的开关操作驱动电动机，和一速度控制信号计算器，它将直流电压指令和通流率指令输出给变换器控制电路和逆变器控制电路以使速度和速度指令值之间的偏差变为零；其中：
在电动机负载较低时，通过保持变换器控制电路的直流电压指令为恒量，但改变逆变器控制电路的通流率指令值，和通过保持逆变器控制电路的通流率指令值为恒量，但改变变换器控制电路的直流电压指令，从而控制电动机的速度；
所述速度控制信号计算器，包括一换流相位控制器，它改变电动机线圈的换流定时，并根据电动机速度和负载改变电动机线圈的换流相位。
4．一种电动机控制装置，包括一将交流电源转换为直流电源，还通过一斩波电路升高或降低直流电压的变换器电路，一与变换器电路输出端相连接的逆变器电路，一与逆变器电路相连接的电动机和一控制电动机速度的电动机控制器；
所述电动机控制器，包括一速度计算器，它根据电动机转子位置数据计算电动机的速度，一变换器控制电路，它通过控制斩波电路的摆动操作控制直流电压，一逆变器控制电路，它控制逆变器电路的开关操作和驱动电动机，和一速度控制信号计算器，它将直流电压指令和通流率指令输出给变换器控制电路和逆变器控制电路以使速度和速度指令值之间的偏差变为零；其中：
在电动机负载较低时，通过保持变换器控制电路的直流电压指令为恒量，但改变逆变器控制电路的通流率指令值，和通过保持逆变器控制电路的通流率指令值为恒量，但改变变换器控制电路的直流电压指令，从而控制电动机的速度；
所述速度控制信号计算器，包括一换流相位控制器，它改变电动机线圈的换流定时；
所述换流相位控制器检测与电动机控制装置效率有关的值，如输入功率或直流电流量，并改变换流相位以使电动机控制装置的效率能够达到最大极限值。
5．如权利要求3或4所述的一种电动机控制装置，其特征在于：直流电压或直流电压指令值达到特定的最大极限值时，速度控制信号计算器根据电动机每分钟转数通过改变换流相位控制电动机的速度。
6．如权利要求3或4所述的一种电动机控制装置，其特征在于：每分钟转数或每分钟转数指令值达到特定的最大极限值时，速度控制信号计算器通过保持直流电压指令和通流率指令值为恒量但通过使用换流相位控制器控制电动机的速度。
7．如权利要求3或4所述的一种电动机控制装置，其特征在于：电动机的直流电压或每分钟转数超过特定值时，速度控制信号计算器保持直流电压指令和通流率指令值为恒量，在换流相位控制器中，将换流相位改变为对应于每分钟转数的特定值。
8．如权利要求3或4所述的一种电动机控制装置，其特征在于：直流电压或直流电压指令值达到特定的最大极限值，和电动机还需要加速时，速度控制信号计算器通过换流相位控制来控制电动机的速度，以及换流相位值达到指定值，和电动机还需要减速时，通过直流电压控制来控制电动机的速度。
9．一种电动机控制装置，包括一将交流电源转换为直流电源的平滑电路，一包括斩波电路的变换器电路，该斩波电路利用开关装置的转换操作和电感的聚能效应增加或降低直流电压，一与变换器电路输出端相连接的逆变器电路，一与逆变器电路相连接的电动机，和一控制电动机速度的电动机控制器；
所述电动机控制器包括一位置检测器，它检测电动机的转子位置，并输出一位置数据，一速度计算器，它根据位置检测电路的位置数据计算电动机的速度，一变换器控制电路，它通过控制斩波电路的开关操作控制直流电压，一逆变器控制电路，它通过控制逆变器电路的开关操作驱动电动机，和一速度控制信号计算器，它将直流电压指令输出给变换器控制电路以使速度和速度指令值之间的偏差变为零；其中：
通过改变直流电压指令进行控制电动机的速度；
所述速度控制信号计算器包括一换流相位控制器，它改变电动机线圈的换流定并在控制直流电压控制电动机速度达到最大极限值时通过改变换流相位控制电动机的速度。
10．一种电动机控制装置，包括一将交流电源转换为直流电源的平滑电路，一包括斩波电路的变换器电路，该斩波电路利用开关装置的转换操作和电感的聚能效应增加或降低直流电压，一与变换器电路输出端相连接的逆变器电路，一与逆变器电路相连接的电动机，和一控制电动机速度的电动机控制器；
所述电动机控制器包括一位置检测器，它检测电动机的转子位置，并输出一位置数据，一速度计算器，它根据位置检测电路的位置数据计算电动机的速度，一变换器控制电路，它通过控制斩波电路的开关操作控制直流电压，一逆变器控制电路，它通过控制逆变器电路的转换操作驱动电动机，和一速度控制信号计算器，它将直流电压指令输出给变换器控制电路以使速度和速度指令值之间的偏差变为零；其中：
通过改变直流电压指令进行控制电动机的速度；
所述速度控制信号计算器包括一换流相位控制器，它改变电动机线圈的换流定时，并通过改变直流电压和改变换流相位控制电动机的速度。
11．一种使用权利要求1至10中任一所述的电动机控制装置作为组成致热循环的压缩机驱动单元的空调机；其中：电动机速度指令值是根据设定的室温和实际室温之间存在的温差计算出的，电动机速度就根据该速度指令值控制。
12．一种使用权利要求1至10中任一所述的电动机控制装置作为组成致冷循环的压缩机驱动单元的致冷机；其中：电动机速度指令值是根据设定的腔温和实际腔温之间存在的温差计算出的，电动机速度就根据该速度指令值控制。
13．一种电动机的控制方法，包括一将交流电源转换为直流电源的变换器电路，一与变换器电路输出端相连接的逆变器电路，一与逆变器电路相连接的电动机和一控制电动机速度的电动机控制器；其中：
电动机控制器，包括一变换器控制电路和一逆变器控制电路，它通过改变变换器控制电路的直流电压指令或逆变器控制电路的通流率指令控制电动机的速度；
所述电动机控制器包括一换流相位控制器，它改变电动机线圈的换流定时，并根据电动机的速度和负载改变电动机线圈的换流相位。
14．如权利要求13所述的一种电动机的控制方法，其特征在于：
所述方法，在改变换流相位时，搜索直流电流达到最小极限值的点，并根据搜索结果控制电动机线圈的换流相位以使其处在接近于直流电流达到最小极限值的点。
15．如权利要求13所述的一种电动机的控制方法，其特征在于：
所述方法，在改变换流相位时，判断电动机速度是否已增加或降低，并在电动机速度增加时改变控制的换流相位值。
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