使用脈寬調(diào)制脈沖跳過的電動機驅(qū)動控制的制作方法
【專利說明】使用脈寬調(diào)制脈沖跳過的電動機驅(qū)動控制
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2013年8月9日提交的美國實用專利申請第13/963，317號的優(yōu)先權(quán)，并且要求于2012年8月10日提交的美國臨時申請第61/682，149號、于2012年9月5日提交的美國臨時申請第61/697，079號、于2012年11月21日提交的美國臨時申請第61/729，229號以及于2013年I月22日提交的美國臨時申請第61/755，230號的權(quán)益。這些申請的全部公開內(nèi)容通過引用合并到本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本公開內(nèi)容涉及電動機控制系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0004]電動機用于各種各樣的工業(yè)應(yīng)用和住宅應(yīng)用，包括但不限于加熱、通風以及空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)。僅舉例而言，在HVAC系統(tǒng)中電動機可以驅(qū)動壓縮機。在HVAC系統(tǒng)中還可以實現(xiàn)一個或多個另外的電動機。僅舉例而言，HVAC系統(tǒng)可以包括驅(qū)動與冷凝器相關(guān)聯(lián)的風扇的另外的電動機。在HVAC系統(tǒng)中可以包括另外的電動機以驅(qū)動與蒸發(fā)器相關(guān)聯(lián)的風扇。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]一種用于電動機的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括脈寬調(diào)制模塊、模式確定模塊、脈沖跳過確定模塊、占空比調(diào)節(jié)模塊、脈沖模塊和逆變器電力模塊。脈寬調(diào)制模塊基于總線電壓并且分別基于三個電壓請求來生成三個占空比值。模式確定模塊基于電動機的速度選擇性地啟用脈沖跳過模式。脈沖跳過確定模塊響應(yīng)于脈沖跳過模式被啟用來連續(xù)生成脈沖跳過數(shù)量。脈沖跳過數(shù)量隨機地選自0、1和2構(gòu)成的組。占空比調(diào)節(jié)模塊針對多個切換周期中的每個切換周期、響應(yīng)于脈沖跳過數(shù)量中的相應(yīng)的脈沖跳過數(shù)量為非零來選擇性地將三個占空比值設(shè)置成零值。脈沖模塊針對每個切換周期、響應(yīng)于由占空比調(diào)節(jié)模塊修改的三個占空比值來生成三個脈沖波形。逆變器電力模塊分別基于三個脈沖波形來控制電動機的三個相。
[0006]一種用于電動機的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括脈寬調(diào)制模塊、脈沖跳過確定模塊和占空比調(diào)節(jié)模塊。脈寬調(diào)制模塊分別基于三個電壓請求來生成三個占空比值。多個固態(tài)開關(guān)分別響應(yīng)于三個占空比值來控制電動機的三個相。脈沖跳過確定模塊生成脈沖跳過信號。占空比調(diào)節(jié)模塊在由脈沖跳過信號指定的間隔期間選擇性地防止多個固態(tài)開關(guān)進行切換。
[0007]在其他特征中，脈寬調(diào)制模塊分別基于三個電壓請求中的每個電壓請求與總線的電壓的比率來生成三個占空比值中的每個占空比值，其中，該總線經(jīng)由固態(tài)開關(guān)向電動機提供電力。該系統(tǒng)還包括模式確定模塊，該模式確定模塊響應(yīng)于至少一個電動機操作參數(shù)來生成模式信號。響應(yīng)于模式信號處于第一狀態(tài)下，占空比調(diào)節(jié)模塊在由脈沖跳過信號指定的間隔期間防止多個固態(tài)開關(guān)進行切換。電動機操作參數(shù)為電動機的速度。模式確定模塊響應(yīng)于電動機的速度小于預(yù)定閾值來將模式信號設(shè)置成第一狀態(tài)。
[0008]在另外的特征中，該系統(tǒng)還包括脈沖模塊，該脈沖模塊分別使用由三個占空比值設(shè)置的占空比來生成三個脈沖波形。多個固態(tài)開關(guān)基于三個脈沖波形而被控制。占空比調(diào)節(jié)模塊通過使脈沖模塊使用O %的占空比生成三個脈沖波形來選擇性地防止多個固態(tài)開關(guān)進行切換。
[0009]在其他特征中，脈沖跳過確定模塊基于一系列整數(shù)值來生成脈沖跳過信號。占空比調(diào)節(jié)模塊響應(yīng)于具有第一狀態(tài)的脈沖跳過信號來防止多個固態(tài)開關(guān)進行切換。脈沖跳過確定模塊響應(yīng)于一系列整數(shù)值中的當前整數(shù)值為非零來生成具有第一狀態(tài)的脈沖跳過信號。占空比調(diào)節(jié)模塊對于一定數(shù)量的連續(xù)的切換周期將三個占空比值設(shè)置成零值，其中，該數(shù)量等于脈沖跳過數(shù)量中的非零的脈沖跳過數(shù)量。一系列整數(shù)值是預(yù)定序列。該系統(tǒng)還包括生成一系列整數(shù)值的隨機數(shù)發(fā)生器。
[0010]一種控制電動機的方法，該方法包括分別基于三個電壓請求來生成三個占空比值。多個固態(tài)開關(guān)分別響應(yīng)于三個占空比值來控制電動機的三個相。該方法還包括生成脈沖跳過信號，以及在脈沖跳過信號指定的間隔期間選擇性地防止多個固態(tài)開關(guān)進行切換。
[0011]在其他特征中，該方法包括分別基于三個電壓請求中的每個電壓請求與總線的電壓的比率來生成三個占空比值中的每個占空比值，其中，該總線經(jīng)由固態(tài)開關(guān)向電動機提供電力。該方法包括響應(yīng)于至少一個電動機操作參數(shù)來生成模式信號，以及響應(yīng)于模式信號處于第一狀態(tài)下，在由脈沖跳過信號指定的間隔期間防止多個固態(tài)開關(guān)進行切換。
[0012]在另外的特征中，電動機操作參數(shù)為電動機的速度，并且該方法包括響應(yīng)于電動機的速度小于預(yù)定閾值來將模式信號設(shè)置成第一狀態(tài)。該方法包括分別使用由三個占空比值設(shè)置的占空比來生成三個脈沖波形?；谌齻€脈沖波形控制多個固態(tài)開關(guān)。通過使得使用0%的占空比生成三個脈沖波形來執(zhí)行選擇性地防止多個固態(tài)開關(guān)進行切換。
[0013]在其他特征中，該方法包括基于一系列整數(shù)值來生成脈沖跳過信號，以及響應(yīng)于具有第一狀態(tài)的脈沖跳過信號來防止多個固態(tài)開關(guān)進行切換。該方法包括響應(yīng)于一系列整數(shù)值中的當前整數(shù)值為非零來生成具有第一狀態(tài)的脈沖跳過信號。一系列整數(shù)值是預(yù)定序列。該方法包括隨機生成一系列整數(shù)值。
[0014]根據(jù)詳細的說明書、權(quán)利要求和附圖，本公開內(nèi)容的可應(yīng)用性的另外的方面將會變得明顯。詳細的描述和具體示例僅意在說明的目的，而不意在限制本公開內(nèi)容的范圍。
【附圖說明】
[0015]根據(jù)詳細的說明書和附圖將更加全面地理解本公開內(nèi)容，在附圖中:
[0016]圖1是示例性制冷系統(tǒng)的功能框圖；
[0017]圖2是示例性驅(qū)動控制器和示例性壓縮機的功能框圖；
[0018]圖3A至圖3C是示例性逆變器電力模塊和示例性電動機的簡化示意圖；
[0019]圖4是電動機控制模塊的功能框圖；
[0020]圖5是脈寬調(diào)制(PWM)模塊的功能框圖；
[0021]圖6A是示例性PWM控制模塊的功能框圖；
[0022]圖6B是示出示例性脈寬調(diào)制信號的軌跡的圖；
[0023]圖7是開環(huán)轉(zhuǎn)矩模塊的功能框圖；
[0024]圖8A至8B是用于PWM脈沖跳過(skipping)的示例性方法的流程圖；以及
[0025]圖9是用于開環(huán)轉(zhuǎn)矩控制的示例性方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0026]圖1是示例性制冷系統(tǒng)100的功能框圖，該制冷系統(tǒng)100包括壓縮機102、冷凝器104、膨脹閥106以及蒸發(fā)器108。根據(jù)本公開內(nèi)容的原理，制冷系統(tǒng)100可以包括另外的和/或替選的部件。此外，本公開內(nèi)容可應(yīng)用于其他類型的制冷系統(tǒng)，包括但不限于加熱系統(tǒng)、通風系統(tǒng)和空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和冷凍機系統(tǒng)。
[0027]壓縮機102接收汽態(tài)的制冷劑并且對該制冷劑進行壓縮。壓縮機102將加壓的汽態(tài)制冷劑提供給冷凝器104。壓縮機102包括驅(qū)動泵的電動機。僅舉例而言，壓縮機102的泵可以包括渦旋式壓縮機和/或往復(fù)式壓縮機。
[0028]加壓的制冷劑的全部或部分在冷凝器104內(nèi)被轉(zhuǎn)換成液態(tài)。冷凝器104將熱量從制冷劑轉(zhuǎn)移開，從而使制冷劑冷卻。當制冷劑蒸汽被冷卻至小于飽和溫度的溫度時，該制冷劑轉(zhuǎn)換成液體(或液化的)制冷劑。冷凝器104可以包括提高將熱量從制冷劑轉(zhuǎn)移開的速率的電風扇。
[0029]冷凝器104經(jīng)由膨脹閥106將制冷劑提供給蒸發(fā)器108。膨脹閥106對向蒸發(fā)器108提供制冷劑的流速進行控制。膨脹閥106可以包括恒溫膨脹閥或者可以由例如系統(tǒng)控制器130電控制。由膨脹閥106引起的壓降可以使液化的制冷劑的一部分轉(zhuǎn)換回汽態(tài)。以這種方式，蒸發(fā)器108可以接收制冷劑蒸汽和液化的制冷劑的混合物。
[0030]制冷劑在蒸發(fā)器108中吸收熱量。液態(tài)制冷劑當被加熱到大于制冷劑的飽和溫度的溫度時轉(zhuǎn)變成汽態(tài)。蒸發(fā)器108可以包括提高向制冷劑轉(zhuǎn)移熱量的速率的電風扇。
[0031]公共設(shè)施120給制冷系統(tǒng)100提供電力。僅舉例而言，公共設(shè)施120可以提供大約230伏特(V)均方根(Vems)或者其他適當電壓的單相交流(AC)電力。在各種實現(xiàn)中，公共設(shè)施120可以提供線頻率為例如50Hz或60Hz的大約400VKMS或480V !?的三相AC電力。公共設(shè)施120可以經(jīng)由AC線路給系統(tǒng)控制器130提供AC電力。AC電力還可以經(jīng)由AC線路被提供給驅(qū)動控制器132。
[0032]系統(tǒng)控制器130對制冷系統(tǒng)100進行控制。僅舉例而言，系統(tǒng)控制器130可以基于用戶輸入和/或由各種傳感器(未示出)測量的參數(shù)來對制冷系統(tǒng)100進行控制。傳感器可以包括壓力傳感器、溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器等。傳感器還包括來自串行數(shù)據(jù)總線或其他合適的數(shù)據(jù)總線上的驅(qū)動控制的反饋信息如電動機電流或轉(zhuǎn)矩。
[0033]用戶接口 134向系統(tǒng)控制器130提供用戶輸入。另外地或替代地，用戶接口 134可以向驅(qū)動控制器132提供用戶輸入。用戶輸入可以包括例如期望溫度、關(guān)于風扇(例如，蒸發(fā)器風扇)的操作的請求、和/或其他合適的輸入。系統(tǒng)控制器130可以對冷凝器104、蒸發(fā)器108和/或膨脹閥106的風扇的操作進行控制。
[0034]驅(qū)動控制器132可以基于來自系統(tǒng)控制器130的命令對壓縮機102進行控制。僅舉例而言，系統(tǒng)控制器130可以指示驅(qū)動控制器132以一定速度操作壓縮機電動機。在各種實現(xiàn)中，驅(qū)動控制器132還可以對冷凝器風扇進行控制。
[0035]圖2是驅(qū)動控制器132的示例性實現(xiàn)的功能框圖。電磁干擾(EMI)濾波器202降低可能以其他方式被驅(qū)動控制器132注回到AC線路上的EMI。EMI濾波器202還可以對在AC線路上攜帶的EMI進行濾波。
[0036]功率因數(shù)校正(PFC)模塊204從由EMI濾波器202濾波的AC線路接收AC電力。PFC模塊204對AC電力進行整流，從而將AC輸入電力轉(zhuǎn)換成直流(DC)電力。在PFC模塊204的正端子和負端子處提供所生成的DC電力。PFC模塊204還選擇性地提供輸入AC電力與所生成的DC電力之間的功率因數(shù)校正。
[0037]PFC模塊204選擇性地將AC電力升壓至比AC電力的峰值電壓大的DC電壓。術(shù)語“選擇性地”表示PFC模塊204被配置成在一些條件下將AC電力升壓而在其他條件下不將AC電力升壓。僅舉例而言，PFC模塊204可以工作在被動模式下，在該被動模式下，所生成的DC電壓小于AC電力的峰值電壓。PFC模塊204還可以工作在主動模式下，在該主動模式下，所生成的DC電壓大于AC電力的峰值電壓?？梢詫⒈華C電力的峰值電壓大的DC電壓稱為升壓后的DC電壓。
[0038]RMS電壓為230VKMS的AC電力具有大約325V(230V乘以2的平方根)的峰值電壓。僅舉例而言，當根據(jù)RMS電壓為230VKMS的AC電力進行工作時，PFC模塊204可以生成大約350V (其還可以被表示為350VDC或350VDC)與大約410V之間的升壓后的DC電壓。僅舉例而言，可以施加350V的下限以避免PFC模塊204的不穩(wěn)定的工況(operaing regime)。該下限可以隨著例如AC輸入的電壓而異。在各種實現(xiàn)中，PFC模塊204能夠獲得比410V高的升壓后的DC電壓和/或比350V低的較低的升壓后的電壓。然而，為了提高可能在較高電壓處經(jīng)受較大的壓力的部件例如在DC濾波器206中的部件的長期可靠性，可以施加上限例如410V。在各種實現(xiàn)中，上限和/或下限可以動態(tài)地變化。
[0039]DC濾波器206對由PFC模塊204生成的DC電力進行濾波。DC濾波器206使存在于DC電力中的由于AC電力到DC電力的轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的紋波電壓最小化。在各種實現(xiàn)中，DC濾波器206可以包括連接在PFC模塊204的正端子與負端子之間的一個或多個串聯(lián)或并聯(lián)的濾波器電容器。在這樣的實現(xiàn)中，可以將PFC模塊204的正端子與負端子直接連接至逆變器電力模塊208的正端子