冰箱压缩机永磁同步电机的方波与正弦波一体化控制系统的制作方法

1.本发明涉及永磁同步电机控制领域，具体为一种冰箱压缩机永磁同步电机的方波与正弦波一体化控制系统。


背景技术：

2.压缩机作为家用电冰箱的“心脏”，起到制冷的关键作用，故作为驱动压缩机的变频控制器也有着举足轻重的地位。
3.在传统家用电冰箱变频控制器中，多采用正弦波控制或方波控制。在正弦波控制中，其优点为控制输出力矩精度高、转矩脉动小、电机三相谐波电流小，但需要持续采集电机360
°
电角度的连续位置，这无疑需要较复杂的变频控制器算法及较大量的电功耗；而在方波控制中，其优点为电流控制输出力矩大、较简单的变频控制算法及较少量的电功耗，但存在较大的转矩脉动和电机三相谐波电流。
4.经检索，公开号cn112910363a的中国专利于2021年6月4日公开了一种磁悬浮永磁电机用方波与正弦波一体化控制系统，其应用于工业领域，电路结构中除了电机转子检测部分之外，还增加了较复杂的电机能量反馈部分，用以满足停电后电机正常运行，以及核心控制部分单独输出一路pwm信号，用以满足电机正常运行过程中取消多余的电机能量反馈部分，故要求的产品可靠性与应用等级都偏高，不适用于家用冰箱压缩机永磁同步电机的应用场景。


技术实现要素：

5.为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种冰箱压缩机永磁同步电机的方波与正弦波一体化控制系统，该系统充分利用两种控制方式的优点，能够拓宽变频控制器应用范围，同时提高控制系统的使用灵活性。
6.本发明是通过以下技术方案予以实现的：
7.冰箱压缩机永磁同步电机的方波与正弦波一体化控制系统，包括emc滤波和整流模块、逆变电路模块、压缩机永磁同步电机、mcu输入电源、mcu控制单元模块、转子位置检测模块；其中，所述逆变电路模块分别与emc滤波和整流模块、mcu控制单元模块和压缩机永磁同步电机相连，所述mcu控制单元模块还与与mcu输入电源和转子位置检测模块相连，所述转子位置检测模块还与压缩机永磁同步电机相连。
8.进一步地，所述mcu输入电源为3.3v低压输入。
9.作为进一步的技术方案，所述emc滤波和整流模块包括滤波x电容c1、共模电感l1、滤波x电容c2、滤波y电容c3、滤波y电容c4、被动pfc电抗l4、整流桥d1和滤波x 电容c5；其中，所述滤波x电容c1的一端与共模电感l1的1脚连接，所述共模电感l1 的3脚分别与滤波x电容c2的一端、滤波y电容c3的一端、被动pfc电抗l4的一端连接，所述被动pfc电抗l4的另一端与整流桥d1的2脚连接，所述整流桥d1的3脚分别与滤波y电容c4的另一端、滤波x电容c2的另一端、共模电感l1的4脚连接，所述滤波y电容c3的另一端和滤波y电容c4的另一端接
地，共模电感l1的2脚与滤波x电容 c1的另一端连接，所述整流桥d1的1脚分别与滤波x电容c5的一端连接，所述滤波x电容c5的另一端与整流桥d1的4脚连接。
10.作为进一步的技术方案，所述emc滤波和整流模块的输出端通过母线电解电容ec1接入逆变电路模块；所述母线电解电容ec1的正极端与整流桥d1的1脚、滤波x电容c5的一端和逆变电路模块连接，负极端分别与整流桥d1的4脚、参考电压和逆变电路模块连接。
11.作为进一步的技术方案，所述逆变电路模块包括驱动控制单元、6个igbt型或mosfet 型功率开关，所述驱动控制单元分别与mcu控制单元和6个功率开关相连，所述6个功率开关还分别与压缩机永磁同步电机相连。
12.作为进一步的技术方案，功率开关q1的源极、功率开关q4的漏极分别与压缩机永磁同步电机的u脚连接，功率开关q2的源极、功率开关q5的漏极分别与压缩机永磁同步电机的v脚连接，功率开关q3的源极、功率开关q6的漏极分别与压缩机永磁同步电机的w 脚连接；功率开关q1、q2、q3、q4、q5、q6的栅极分别与驱动控制单元连接；功率开关 q1、q2、q3的漏极与母线电解电容ec1的正极端连接；功率开关q4、q5、q6的源极与母线电解电容ec1的负极端连接。
13.作为进一步的技术方案，所述转子位置检测模块包括电流采样电路、电压采样电路，用于分别对压缩机永磁同步电机进行电流、电压参数采样。所述压缩机永磁同步电机的反电动势电压参数、母线电压参数、三相相电流参数、母线电流等参数通过压缩机永磁同步电机转子位置检测部分反馈给mcu控制单元模块。
14.作为进一步的技术方案，所述电压采样电路将采集的电机uvw三相信号两两分为一组输入到三个比较器，将比较器得到的高低电平变化的方波反馈至muc控制单元模块。
15.作为进一步的技术方案，所述电流采样电路利用电流传感器采集电机上u、v两相的相电流以及母线电流信息，并将得到的信息反馈mcu控制单元模块。
16.作为进一步的技术方案，所述系统的方波控制方式、正弦波控制方式包括压缩机启动和停机过程，当电机三相绕组的感应反电动势电压低于控制器的母线电压时，采用方波控制方式；当电机三相绕组的感应反电动势电压高于控制器的母线电压时，采用正弦波控制方式。
17.作为进一步的技术方案，在方波控制方式中，电机控制器按照预定时间周期计算读取压缩机永磁同步电机的转子运行位置。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
19.(1)本发明提供一种集成方波控制与正弦波控制两种控制方式的家用冰箱压缩机永磁同步电机的控制系统，该系统将方波和正弦波两种控制方式集成在一起，在需要控制方式切换时，通过转子位置检测模块获取电机的电流电压参数，通过mcu控制模块估算出电机转子位置，再经由逆变电路模块输出方波电流或正弦波电流驱动电机旋转，从而实现方波和正弦波的一体化控制。
20.(2)本发明在变频控制驱动永磁同步电机启动、低转速运行状态时，控制方式切换为方波控制，充分利用其电流控制输出力矩大、较简单的变频控制算法及较少量的电功耗等优点，实现家用冰箱系统在恶劣条件下的使用及节能减排；在变频控制驱动永磁同步电机高速运行状态时，控制方式切换为正弦波控制，充分利用其控制输出力矩精度高、转矩脉动小、电机三相谐波电流小等优点，实现家用冰箱系统在高温环境下的使用及拉温要求。
附图说明
21.图1为根据本发明实施例的冰箱压缩机永磁同步电机的方波与正弦波一体化控制系统的电路示意图。
22.图2为根据本发明实施例的方波切换至正弦波的切换过程电流波形示意图。
23.图3为根据本发明实施例的正弦波切换至方波的切换过程电流波形示意图。
24.1、emc滤波和整流模块；2、共模电感；3、被动pfc电抗；4、整流桥；5、母线电解电容(cbus)；6、逆变电路模块；7、压缩机永磁同步电机；8、驱动控制单元；9、mcu 输入电源(3.3v低压)；10、转子位置检测模块；11、电流采样电路；12、电压采样电路； 13、mcu控制单元模块；14、参考电压(0v)。
具体实施方式
25.以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述发实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
26.实施例1
27.本实施例提供一种冰箱压缩机永磁同步电机的方波与正弦波一体化控制系统，如图1 所示，包括emc滤波和整流模块、逆变电路模块、压缩机永磁同步电机、mcu输入电源(3.3v 低压)、mcu控制单元模块、转子位置检测模块；其中，所述逆变电路模块分别与emc滤波和整流模块、mcu控制单元模块和压缩机永磁同步电机相连，所述mcu控制单元模块还与与mcu输入电源和转子位置检测模块相连，所述转子位置检测模块还与压缩机永磁同步电机相连
28.所述emc滤波和整流模块包括滤波x电容c1、共模电感l1、滤波x电容c2、滤波y 电容c3、滤波y电容c4、被动pfc电抗l4、整流桥d1和滤波x电容c5。
29.所述emc滤波和整流模块的滤波x电容c1的一端与共模电感l1的1脚连接，共模电感l1的3脚分别与滤波x电容c2的一端、滤波y电容c3的一端、被动pfc电抗l4的一端连接，所述的被动pfc电抗l4的另一端与整流桥d1的2脚连接，所述的整流桥d1的3 脚分别与滤波y电容c4的另一端、滤波x电容c2的另一端、共模电感l1的4脚连接，所述的滤波y电容c3的另一端和滤波y电容c4的另一端接地，共模电感l1的2脚与滤波x电容c1的另一端连接，所述整流桥d1的1脚分别与滤波x电容c5的一端、母线电解电容ec1(cbus)的正极端、逆变电路模块中的功率开关q1、q2、q3的漏(d)极端连接，所述母线电解电容ec1(cbus)的负极端分别与整流桥d1的4脚、参考电压(0v)、功率开关q4、q5、q6的源(s)极端连接连接。
30.此处的母线电解电容主要是将整流桥整流后非平滑的310v直流电压滤波为平滑的 310v直流电压，以减小负载电路中的纹波干扰(例如3.3v直流低压mcu控制单元输入电源)。
31.所述emc滤波和整流模块的电路结构可避免电路中的高频电磁噪音返回电网。所述被动pfc电感用于提高变频板功率因数及限制电机三相谐波电流。所述整流桥用于将电网输入的交流电通过全桥全波整流转化母线直流电输出。
32.所述逆变电路模块包括驱动控制单元、6个igbt型或mosfet型功率开关，所述驱动
控制单元分别与mcu控制单元和6个功率开关相连，所述6个功率开关还分别与压缩机永磁同步电机相连。
33.所述逆变电路模块中的功率开关q1的源(s)极与q4的漏(d)极与压缩机永磁同步电机的u脚连接、所述逆变器电路模块中的功率开关q2的源(s)极与q5的漏(d)极与压缩机永磁同步电机的v脚连接、所述的逆变器电路模块中的功率开关q3的源(s)极与 q6的漏(d)极与压缩机永磁同步电机的w脚连接。
34.所述的逆变电路模块结构首先通过mcu控制单元模块选择方波控制或正弦波控制输出相应的pwm信号到驱动控制单元模块，再由驱动控制单元模块控制六个功率开关q1、q2、 q3、q4、q5、q6按照一定的顺序导通/关断，输出方波电流或正弦波电流驱动电机旋转。
35.具体地，功率开关的导通是由驱动控制单元连接功率开关门极实现的，比如功率开关门极加载正向电压为导通、加载负向电压为关断；导通顺序则是由mcu控制单元模块发出信号至驱动控制单元，并由驱动控制单元加载正向电压或负向电压至功率开关门极完成一定顺序的导通/关断。最后这里一定顺序的导通/关断是为了由六颗功率开关实现120
°
的逆变时序，将310v直流电转化成为3相交流电，最终实现电机上的不同转速。
36.所述的压缩机永磁同步电机转子位置检测模块包含电流采样电路和电压采样电路。
37.电压采样电路通过分压并滤除杂波后得到电机uvw三相信号，然后这三路信号两两分为一组输入到三个比较器，并将比较器得到的高低电平变化的方波反馈mcu控制单元模块。
38.电流采样电路利用电流传感器采集电机上u、v两相的相电流以及母线电流信息，并将得到的信息反馈mcu控制单元模块。
39.在得到相关电流、电压信息后，mcu控制单元模块可以根据得到的六次换相电压信号，估算出离散的电机转子位置，实现方波控制方式；mcu控制单元模块也可以根据采集到的电压、电流信号，结合电机反电动势模型，估算出电机转子的连续位置，实现正弦波控制方式。
40.可选地，母线电压的采集是由变频板上硬件完成并传输回mcu控制单元模块，这个信息无论哪种控制方式mcu都会采集。但是方波控制仅对电机转子在360
°
电气周期内换向 6次；正弦波控制则在方波控制基础上，进一步收集电机相电流信息，对电机转子在360
ꢀ°
电气周期内换向无数次。
41.实施例2
42.本实施例在正弦波控制方式中，mcu控制单元模块根据采集到的u、v两相相电流及母线电流、电压信息，结合六颗功率开关q1、q2、q3、q4、q5、q6的导通/关断逻辑推算出 u、v、w三相的相电流与相电压，再根据旋转坐标变换得出α-β坐标系下的磁链，并通过反正切运算得出连续的电机转子位置θ，最后可以通过对连续的电机转子位置θ进行微分运算得出转速s。
43.正弦波控制方式，通过计算得出的电机转子位置θ和转速s，目的在于实现电机的恒转矩控制，控制转速精度并调整转速平滑性。
44.实施例3
45.本实施例中的方波控制方式、正弦波控制方式包括在压缩机启动和停机过程，当
电机三相绕组的感应反电动势电压低于控制器的母线电压时，控制器为方波控制方式，故方波控制方式仅能适用于压缩机启动及低转速运行；而当电机三相绕组的感应反电动势电压高于控制器的母线电压时，控制器为正弦波控制方式，故正弦波控制方式仅能适用于压缩机高转速运行。方波与正弦波之间切换时的电流波形如图2-3所示。
46.实施例4
47.本实施例的方波控制方式中，控制器并非实时连续计算读取压缩机转子运行位置，可以节约出一定mcu控制单元模块的电功耗，故实现压缩机在低转速工况下的高cop性能，根据实验室的cop性能测试数据，本专利可将固定损耗降低1.0w左右。
48.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。