一种直流变频冰箱驱动装置.pdf

本发明涉及一种直流变频冰箱驱动装置，用于驱动变频冰箱的压缩机电机，它包括逆变模块、位置检测模块和中央控制模块，其中：逆变模块，包括六个IGBT，用于将输入的直流电压转换成交流电压，向所述的压缩机电机的三相绕组供电；位置检测模块，用于接收所述压缩机电机的三相反电动势，输出用于过零检测的三相相位信号；中央控制模块，分别与所述的逆变模块、位置检测模块连接。本发明旨在提供一种集成度高，低成本、可靠稳定的直流变频冰箱驱动模块，用以针对变频冰箱压缩机电机为直流无刷电机时控制的需要，另外本发明还具有电流保护、温度保护、过欠电压保护等功能。

1.  一种直流变频冰箱驱动装置，用于驱动变频冰箱的压缩机电机，其特征在于：它包括逆变模块、位置检测模块和中央控制模块，其中：
逆变模块，包括六个IGBT，用于将输入的直流电压转换成交流电压，向所述的压缩机电机的三相绕组供电；
位置检测模块，用于接收所述压缩机电机的三相反电动势，输出用于过零检测的三相相位信号；
中央控制模块，分别与所述的逆变模块、位置检测模块连接，包括设置在该中央控制模块内部的反电动势电压比较器以及寄存器，一方面用于接收从所述位置检测模块输出的三相相位信号，通过所述的反电动势电压比较器，检测所述压缩机电机的三相反电动势过零点；同时用于向所述逆变模块输出驱动信号，控制所述六个IGBT的通断；另一方面用于接收从所述逆变模块输出的直线母线电流，实现所述压缩机电机的电流保护功能。

2.  根据权利要求1所述的直流变频冰箱驱动装置，其特征在于：所述的中央控制模块还包括控制模块本体，该控制模块本体包括：
输入单元，用于输入参考的给定转速；
转速采样单元，用于反馈所述压缩机电机的机械转速；
第一调节单元，分别与所述的输入单元、转速采样单元连接，对从所述输入单元接收到的给定转速和从所述转速采样单元接收到的机械转速进行比例积分调节，并输出电机驱动PWM占空比；
脉宽计算单元，与所述第一调节单元连接，用于将从所述第一调节单元接收到的电机驱动PWM占空比计算转换成电机驱动PWM脉宽；
电流采样单元，用于反馈直流母线电流；
第二调节单元，与所述的脉宽计算单元连接，用于对所述的直流母线电流进行电流比较限幅，它包括给定电流转换子模块以及与之连接的直流母线电流幅值限制子模块，其中：
给定电流转换子模块，用于将预置的给定电流转换输出相应占空比的一路PWM脉冲，并对该PWM脉冲进行滤波，输出相应的直流电压值作为电流幅值限制值；
直流母线电流幅值限制子模块，与所述的电流采样单元连接，包括设置在该直流母线电流幅值限制子模块内部的电流运放器、与该电流运放器连接的电流比较器，用于通过所述的电流运放器将从所述的电流采样单元接收到的直流母线电流放大，并输送到所述电流比较器，与从所述给定电流转换子模块输出的电流幅值限制值进行实时比较，调整所述电机驱动PWM脉宽，限制所述的直流母线电流。

3.  根据权利要求1所述的直流变频冰箱驱动装置，其特征在于：在所述逆变模块的下述引脚，即第一引脚(VB3)和第二引脚(W)之间、第四引脚(VB2)和第五引脚(V)之间、第七引脚(VB1)和第八引脚(U)之间各连接一电容(E402、E403、E404)；第十四引脚(VDD)与一电源连接，用于为所述的三个电容充电。

4.  根据权利要求1所述的直流变频冰箱驱动装置，其特征在于：所述压缩机电机的三相反电动势各相(U’、V’、W’)分别通过所述位置检测模块的接口与一电阻(R223、R221、R219)的一端连接，且所述的每个电阻的另一端分别与参考零电位间反向接入一二极管(D301、D302、D303)。

5.  根据权利要求1或2所述的直流变频冰箱驱动装置，其特征在于：在所述中央控制模块的第十四引脚(OAN)和第十五引脚(OAZ)之间、第十四引脚(OAN)和参考零电位之间分别连接一电阻(R307、R306)，用于确定所述电流运放器的放大倍数。

6.  根据权利要求1或2所述的直流变频冰箱驱动装置，其特征在于：通过所述中央控制模块的第二十四引脚(PD3)输入一方波作为所述压缩机电机的转速，第二十二引脚(MCPWMV)用于输出所述PWM脉冲，且该第二十二引脚与一电阻(R315)以及与该电阻串联连接的电容(C302)连接，用于对所述PWM脉冲进行滤波，且该电容的另一端与参考零电位连接，并向第十六引脚(MCCREF)输送所述电阻与电容之间的电位信号，用于决定所述的电流幅值限制值。

7.  根据权利要求1或2或3所述的直流变频冰箱驱动装置，其特征在于：所述逆变模块的第二十一引脚(FAULT)与所述中央控制模块的第四引脚()连接，当所述第四引脚为低电平时，触发所述中央控制模块中断，中断服务程序做相应处理。

8.  根据权利要求1或3所述的直流变频冰箱驱动装置，其特征在于：所述的逆变模块的第十引脚(V+)与直流母线电压连接，第二十三引脚(VSS)和第十二引脚(V-)与参考零电位连接。

一种直流变频冰箱驱动装置
技术领域
本发明涉及变频冰箱，尤其涉及一种用于变频冰箱压缩机电机的直流变频冰箱驱动装置。
背景技术
现有的冰箱压缩机一般为定速压缩机，即把交流220V输入压缩机线圈，频率为50HZ。压缩机在以略低于3000RPM的转速运转，因此冰箱系统的冷量控制粗糙，温度波动大，造成能源的浪费。另外，由于异步电机在转子中感应电流，因此转子上有铜损、铁损、涡流损等损耗，冰箱效率低。
直流无刷电机的出现，为以上问题提供了可能。直流无刷电机作为变频冰箱压缩机电机，其转子为永磁体，没有感应电流，因此电机损耗小；然而只有通过针对此种压缩机电机的驱动装置的控制，直流无刷电机才可在很宽的转速范围内实现较为精确的转速控制。
发明内容
为了解决上述问题，本发明旨在提供一种集成度高，低成本、可靠稳定的直流变频冰箱驱动装置，用以针对变频冰箱压缩机电机为直流无刷电机时的控制需要，另外本发明还具有电流保护、温度保护、过欠电压保护等功能。
本发明所述的一种直流变频冰箱驱动装置，用于驱动变频冰箱的压缩机电机，其特征在于：它包括逆变模块、位置检测模块和中央控制模块，其中：
逆变模块，包括六个IGBT(Insulated-gate bipolar transistor，绝缘栅双极晶体管)，用于将输入的直流电压转换成交流电压，向所述的压缩机电机的三相绕组供电；
位置检测模块，用于接收所述压缩机电机的三相反电动势，输出用于过零检测的三相相位信号；
中央控制模块，分别与所述的逆变模块、位置检测模块连接，包括设置在该中央控制模块内部的反电动势电压比较器以及寄存器，一方面用于接收从所述位置检测模块输出的三相相位信号，通过所述的反电动势电压比较器，检测所述压缩机电机的三相反电动势过零点；同时用于向所述逆变模块输出驱动信号，控制所述六个IGBT的通断；另一方面用于接收从所述逆变模块输出的直线母线电流，实现所述压缩机电机的电流保护功能。
在上述的直流变频冰箱驱动装置中，所述的中央控制模块还包括控制模块本体，该控制模块本体包括：
输入单元，用于输入参考的给定转速；
转速采样单元，用于反馈所述压缩机电机的机械转速；
第一调节单元，分别与所述的输入单元、转速采样单元连接，对从所述输入单元接收到的给定转速和从所述转速采样单元接收到的机械转速进行比例积分调节，并输出电机驱动PWM(Pulse-width modulation，脉宽调制脉冲)占空比；
脉宽计算单元，与所述第一调节单元连接，用于将从所述第一调节单元接收到的电机驱动PWM占空比计算转换成电机驱动PWM脉宽；
电流采样单元，用于反馈直流母线电流；
第二调节单元，与所述的脉宽计算单元连接，用于对所述的直流母线电流进行电流比较限幅，它包括给定电流转换子模块以及与之连接的直流母线电流幅值限制子模块，其中：
给定电流转换子模块，用于将预置的给定电流转换输出相应占空比的一路PWM脉冲，并对该PWM脉冲进行滤波，输出相应的直流电压值作为电流幅值限制值；
直流母线电流幅值限制子模块，与所述的电流采样单元连接，包括设置在该直流母线电流幅值限制子模块内部的电流运放器、与该电流运放器连接的电流比较器，用于通过所述的电流运放器将从所述的电流采样单元接收到的直流母线电流放大，并输送到所述电流比较器，与从所述给定电流转换子模块输出的电流幅值限制值进行实时比较，调整所述电机驱动PWM脉宽，限制所述的直流母线电流。
在上述的直流变频冰箱驱动装置中，在所述逆变模块的下述引脚，即第一引脚和第二引脚之间、第四引脚和第五引脚之间、第七引脚和第八引脚之间各连接一电容；第十四引脚与一电源连接，用于为所述的三个电容充电。
在上述的直流变频冰箱驱动装置中，所述压缩机电机的三相反电动势各相分别通过所述位置检测模块的接口与一电阻的一端连接，且所述的每个电阻的另一端分别与参考零电位间反向接入一二极管。
在上述的直流变频冰箱驱动装置中，在所述中央控制模块的第十四引脚和第十五引脚之间、第十四引脚和参考零电位之间分别连接一电阻，用于确定所述电流运放器的放大倍数。
在上述的直流变频冰箱驱动装置中，通过所述中央控制模块的第二十四引脚输入一方波作为所述压缩机电机的转速，第二十二引脚用于输出所述PWM脉冲，且该第二十二引脚与一电阻以及与该电阻串联连接的电容连接，用于对所述PWM脉冲进行滤波，且该电容的另一端与参考零电位连接，并向第十六引脚输送所述电阻与电容之间的电位信号，用于决定所述的电流幅值限制值。
在上述的直流变频冰箱驱动装置中，所述逆变模块的第二十一引脚与所述中央控制模块的第四引脚连接，当所述第四引脚为低电平时，触发所述中央控制模块中断，中断服务程序做相应处理。
在上述的直流变频冰箱驱动装置中，所述的逆变模块的第十引脚与直流母线电压连接，第二十三引脚和第十二引脚与参考零电位连接。
由于采用了上述的技术解决方案，本发明为变频冰箱提供了一种高效、低成本、高集成度的驱动模块，利用该驱动装置，可以可靠检测到过零位信号，实现变频冰箱压缩机电机的较精确的转速控制(误差小于3％)，以及实现宽电压范围(170V-250V)，宽调速范围(1200RPM-4500RPM)的可靠驱动，并提供电流保护、过欠电压保护、防抖动、强制切换等功能。
附图说明
图1是本发明一种直流变频冰箱驱动装置的最佳实施例框图；
图2是本发明一种直流变频冰箱驱动装置的控制模块本体的功能框图；
图3是本发明一种直流变频冰箱驱动装置的逆变模块的最佳实施例示意图；
图4是本发明一种直流变频冰箱驱动装置的位置检测模块的最佳实施例示意图；
图5是本发明一种直流变频冰箱驱动装置的中央控制单元的最佳实施例示意图。
具体实施方式
请参阅图1，并结合图2.、图3、图4、图5所示，本发明，即一种直流变频冰箱驱动装置，用于驱动变频冰箱的压缩机电机4，包括逆变模块1、位置检测模块2和中央控制模块3，其中：
逆变模块1，包括六个IGBT(图中未示)，用于将输入的直流电压转换成交流电压，向压缩机电机4三相绕组供电；
位置检测模块2，用于接收压缩机电机4的三相反电动势，输出用于过零检测的三相相位信号；
中央控制模块3，分别与逆变模块1、位置检测模块2连接，包括设置在中央控制模块3内部的反电动势电压比较器31以及寄存器32，一方面用于接收从位置检测模块2输出的三相相位信号，通过反电动势电压比较器31，检测压缩机电机4的三相反电动势过零点；同时用于向逆变模块1输出驱动信号，控制六个IGBT的通断；另一方面用于接收从逆变模块1输出的直线母线电流，实现所述压缩机电机的电流保护功能。
中央控制模块3还包括控制模块本体33，该控制模块本体33包括：
输入单元331，用于输入参考的给定转速ω_ref；
转速采样单元332，用于反馈压缩机电机4的机械转速ω；
第一调节单元333，分别与输入单元331、转速采样单元332连接，对从输入单元331接收到的给定转速ω_ref和从转速采样单元接收到的机械转速ω进行比例积分调节，并输出电机驱动PWM占空比；
脉宽计算单元334，与第一调节单元333连接，用于将从第一调节单元333接收到的电机驱动PWM占空比计算转换成电机驱动PWM脉宽；
电流采样单元335，用于反馈直流母线电流；
第二调节单元336，与脉宽计算单元334连接，用于对所述的直流母线电流进行电流比较限幅，它包括给定电流转换子模块3361以及与之连接的直流母线电流幅值限制子模块3362，其中：
给定电流转换子模块3361，用于将预置的给定电流转换输出相应占空比的一路PWM脉冲，并对该PWM脉冲进行滤波，输出相应的直流电压值作为电流幅值限制值；
直流母线电流幅值限制子模块3362，与电流采样单元335连接，包括设置在直流母线电流幅值限制子模块3362内部的电流运放器33621、与电流运放器33621连接的电流比较器33622，用于通过电流运放器33621将从电流采样单元335接收到的直流母线电流放大，并输送到电流比较器33622，与从给定电流转换子模块3361输出的电流幅值限制值进行实时比较，调整所述电机驱动PWM脉宽，限制所述的直流母线电流。
逆变模块1可以采用IR公司的IPM模块IRMS06UP60B(U1)，其中：
第十四引脚VDD与一15V电源连接，通过内部电路，用于为接在第一引脚VB3和第二引脚W之间的自举电容E402、接在第四引脚VB2和第五引脚V之间的自举电容E403以及接在第七引脚VB1和第八引脚U之间的自举电容E404充电；
第十引脚V+与直流母线电压HV连接，通过分别与压缩机电机4的三相端线连接的第二引脚U、第五引脚V、第八引脚W，将直流母线电压HV输出到压缩机电机4的三相绕组上；第二十三引脚VSS和第十二引脚V-分别与参考零电位连接；
第二十一引脚FAULT与中央控制模块3的第四引脚连接，当第四引脚为低电平时，触发中央控制模块3中断，中断服务程序做相应处理。
在位置检测模块2中，压缩机电机4的三相反电动势U’、V’、W’各相分别通过接口CN201与限流用电阻R222、电阻R221、电阻R219的一端连接，电阻R222、电阻R221、电阻R219的另一端分别输出用于过零检测的三相相位信号U_Phase、V_Phase、W_Phase，并分别与参考零电位间反向接入二极管D301、二极管D302、二极管D303，起钳位作用，以保护中央控制模块3。
中央控制模块3可采用ST专用的电机控制MCU(单片机)ST7MC1K2TC(IC1)，其中：
第三十引脚MC00、第三十一引脚MC01、第三十二引脚MC02、第一引脚MC03、第二引脚MC04、第三引脚MC05分别将六路驱动信号HSIC3、HSIC5、HSIC8、LSIC3、LSIC5、LSIC8输送到逆变模块1的第十五引脚HIN1、第十六引脚HIN2、第十七引脚HIN3、第十八引脚LIN1、第十九引脚LIN2、第二十引脚LIN3上，以控制逆变模块1内六个IGBT的通断，当需要驱动上桥臂IGBT导通时，上桥臂IGBT的门极电压大于栅极电压15V，即使得该IGBT顺利导通；
以0V电压作为过零点的基准，第十引脚MCIA、第十一引脚MCIB、第十二引脚MCIC分别接收位置检测模块2输出的三相相位信号U_Phase、V_Phase、W_Phase，通过反电动势电压比较器31与该基准相比较，测压缩机电机4的三相反电动势U’、V’、W’过零点，电平由低变高或由高变低时为三相反电动势过零时机，以过零时机以及当前压缩机电机4转速为依据确定换相时机；通过设置寄存器32调整过零点基准，对换相角度进行硬件补偿，以达到最佳驱动效果，具体步骤如下：
第一步，中央控制模块3在PWM_OFF，即脉宽调制脉冲的低电平期间检测反电动势电压比较器31输出电平，当关断相的反电动势U’或V’或W’通过该基准时，反电动势电压比较器31的输出电平翻转，触发过零中断；
第二步，根据相邻过零点中断时间差T以及相邻两次过零中断压缩机电机4转过60度电角度，计算机械转速：ω＝⁶⁰/_TP，并输入到转速采样单元332，其中P为压缩机电机4的极对数；
第三步，计算30度电角度时间，启动30度延时中断；
第四步，进行换相操作，进入六个状态中当前状态的下一状态，使未通电相通电，关断通电的两相中的一相，同时根据电流大小设置关断相的续流时间，启动续流延时；
第五步，续流延时结束产生续流中断，再返回到第一步，在关断相上开始检测反电动势过零点。
中央控制模块3的第十三引脚OAP接收从逆变模块1的第二十二引脚ITRIP上输出的直流母线电流I_sense，并输入到电流运放器33621进行放大，且在第十四引脚OAN和第十五引脚OAZ之间连接电阻R307、第十四引脚OAN和参考零电位之间连接电阻R306，电阻R307、电阻R306用于确定该电流运放器33621的放大倍数；电流运放器33621将放大后的电流测量信号输送到电流比较器33622的一个输入端，另一个输入端则由第十六引脚MCCREF上的电压决定；
通过第二十四引脚PD3输入一方波作为压缩机电机4的转速，第二十二引脚MCPWMV用于输出所述PWM脉冲(其频率及占空比由中央控制模块3设定)，且第二十二引脚MCPWMV与电阻R315以及与电阻R315串联连接的电容C302连接，用于对该PWM脉冲进行滤波，且电容C302的另一端与参考零电位连接，电阻R315的另一端与第二十二引脚MCPWMV连接；在电阻R315与电容C302之间的电位为直流电，该直流电平输入到第十六引脚MCCREF，其电压大小用于决定设定的电流幅值限制值；当压缩机电机4直流母线电流I_sense大于设定的电流幅值限制值时，复位六路PWM输出，结合位置检测模块2，在低转速下可采用电压模式限流，即压缩机电机4直流母线电流I_sense为设定的电流幅值限制值，保证了很高的启动成功率；在高转速下可采用电流模式，即压缩机电机4直流母线电流I_sense为输出的转速值，获得平稳的输出电流。
综上所述，本实用新型可以可靠检测到过零位信号，实现变频冰箱压缩机电机的较精确的转速控制(误差小于3％)，以及实现宽电压范围(170V-250V)，宽调速范围(1200RPM-4500RPM)的可靠驱动，并提供电流保护、过欠电压保护、防抖动、强制切换等功能。本实用新型应用在直流变频冰箱压缩机电机上，其最大输出功率为240W。经冷量试验、噪音测试及短寿命试验，在恶劣工况下，冰箱压缩机电机可长时间连续低速(1400RPM)、高速(4500RPM)、高低速(1400RPM到4500RPM)往返运行1000小时，无故障，且振动噪音和能效均达到国标要求，从而有效解决定速冰箱存在的问题，可以实现提高效率、快速冷冻、食品保鲜等目标。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。