基于微处理器的相位差检测电动机控制系统的制作方法

专利名称：基于微处理器的相位差检测电动机控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电动机控制系统，更具体地说，涉及在电动机启动和正常工作期间，对具有主绕组和辅助绕组的电动机进行功率控制的系统。
单相感应电动机通常包括鼠笼式转子和一组位于定子上的主绕组和辅助绕组。这种类型的电动机由于其结构简单和可靠性高而被广泛地用于低功率范围的场合，包括致冷压缩机，洗衣机电动机，和各种泵。
在电动机工作期间，加在定子主绕组上的电力产生空间上固定、而幅度变化的磁场。这种脉动磁场将转动运动中的转子。然而，这种定子磁通量不能产生启动转矩来转动静止的转子，因此，在电动机启动时，必须提供旋转磁场。
在单相交流感应电动机中产生旋转磁场的一种方法是在定子上装备主绕组和辅助绕组，而主绕组和辅助绕组上的电流相位是不同的。辅助绕组一般比主绕组具有更高的电阻电抗比以保证两种电流具有不同相位。不同相位的两种电流的组合产生提供启动转矩的旋转定子磁场。一旦电动机被启动，该电动机将继续转动并且可以去掉辅助绕组上的励磁电流。
理想的情况是将在辅助绕组上施加启动电流的时间减至最小。辅助绕组的直径通常比主绕组的直径小得多，并且，延长对辅助绕组的激励可加重辅助绕组的负担，使其过热并损坏。
因此，有必要在辅助绕组电路中串联一个装置，该装置可临时将辅助绕组与电源连接，直到转子达到足够的转速为止。如果在一定时间间隔内转子达到足够的转速，则可去掉辅助绕组中的励磁电流，而保持主绕组中的励磁电流，并继续正常的运行。然而，如果转子不能达到足够的转速或检测到转子被卡死的状态，则由于转子卡死状态可使得线圈过热并损坏电动机，所以必须除去各电动机绕组中的励磁电流。另外，需要有监视和控制电路来监视转子的状态，并且在正常运行期间检测到卡死和过热状态时采取保护措施。如果由于转子卡死或过热而去掉电动机的励磁电流，则该控制电路的结构将允许对电动机进行变速的再启动。
有多种方法在电动机启动期间将电源与辅助绕组连接和断开。
连接和断开辅助绕组的方法之一是使用一个继电器电路，该电路串联在辅助绕组和电源之间，临时将电源与辅助绕组连接，直到电动机电压或电流的变化导致继电器断开，或直到某一时刻继电器已到断开时间。这种电路具有多个缺点。第一，基于时间延迟的继电器电路不能确定电动机是否已经启动并且不能设法再启动电动机。第二，对于不同的电动机，这种电路需要不同规格的继电器，并且各继电器将受到线电压波动的影响。第三，继电器易于受到机械磨损，也可受到灰尘，化学品和其他环境因素的影响，由于可能在触点之间产生电弧，因此，继电器不能用于某些危险场合。
连接和断开辅助绕组的另外一种方法是采用离心断路器，当转子转速达到全速的某一百分比时，该断路器断开。这种电路也存在与线电压波动所产生的变化相关的缺点。同样，在压缩机电动机保护电路中使用机械式继电器有物理上的问题。例如，在高温条件下继电器的金属触点可能熔化，并且由于超过压缩机的温度而永久闭合。另外，继电器的物理触点易遭受来自反复磨损，腐蚀，金属疲劳或其它物理性能降低的损害。
另外一种连接和断开辅助绕组的方法是在辅助绕组和电源之间安装正温度系数的电阻(PTC)。PTC电阻的阻值随热量的上升而增加。低初始电阻允许电流流过辅助绕组，但随着温度的上升和PTC电阻阻值的增加，将切断辅助绕组中的励磁电流。使用PTC电阻的电路具有许多缺点。第一，PTC电阻的特性将随热量而改变并且在PTC电阻回到它的初始阻值之间需要一段恢复时间。第二，由于PTC电阻不能用来确定电动机是否启动成功，所以这种电路需要附加过载保护和再启动控制。
最后，另外一种方法是利用电动机电压和电流之间的相位角关系来控制串联在电源和辅助绕组之间的装置。在理想的空载状态下，电流滞后电压90度，而随着电动机负载的增加，电压和电流之间的相位差趋于零。通过测量电压和电流过零点之间的时间差可测得相位角关系。可以利用电流过零点检测器和电压过零点检测器来在电流或电压经过零点时提供脉冲。微处理器被用来确定两个脉冲之间的时间差并由此来确定电压和电流之间的相位差。微处理器利用相位差来确定转子运动状态，并且如果转子被卡住或电动机过栽，它将去掉电动机的励磁电流。
另外一种控制电动机电源的装置是连续地调整把线电压连接到各电动机绕组的固态开关的导通角，而不是仅仅只操作串联在电源和辅助绕组之间的开关。可以监视电压和电流之间的相位差，以便根据电动机的负载有选择地为固态开关提供导通角。一个与上述系统有关的问题是它们需要昂贵的电流互感器和/或精密电阻。
鉴于上述情况，所需要的是在具有主绕组和辅助绕组的电动机启动和正常工作期间，经济和可靠地监视和控制该电动机的装置。
同样所需要的是一个基于微处理器的控制电路，用来监视和控制具有主绕组和辅助绕组的电动机。
尤其需要的是一种基于微处理器的控制系统，该系统利用简单和可靠的固态装置来监视和控制单相交流感应电动机。对于特殊应用场合，这种基于微处理器的固态控制系统使得有可能简单地与其他控制和监视部件结合。
本发明提供一种基于微处理器的监视和控制电路，该电路利用线电压与主绕组和辅助绕组之间电压的相位关系来监视和控制电动机的启动和正常工作。本发明特别适合于监视和控制压缩机或电冰箱设备中的单相交流感应电动机。
为了使得致冷系统保持在预定的温度范围内，该控制电路另外还可以装配有温度传感器，用来自动地启动和停止压缩机。该控制电路还装配有用户控制器，以便操作者能够手动调整致冷系统的温度范围。该控制电路还为微处理器提供其它的输入以便以后可以增加其它控制功能。
本发明包括一种简单的电路，该电路使用可靠的固态开关来完成控制功能。本发明使用微处理器接收电压输入并控制固态开关向各电动机绕组供电。使用过零点检测来检测相位关系，而不是检测电压或电流的电平，这样就不需要电流互感器和精密电阻。而且，用固态开关控制电动机绕组的电源就不需要使用低可靠性的机械开关和继电器。由于简单地修改程序和在电路中增加必要的控制元件就可以增加其它的控制功能，因此微处理器控制也具有优点。
当单相交流电动机的转子转动时，在线电压与主、辅绕组电压之间存在可测的延迟。随着负载的增加，该相位差减小。当转子不转动时，该相位差接近于零。控制电路在启动运行期间使用这个相位差，并在检测到转子卡死时关闭电动机。
当启动电动机时，基于微处理器的控制器触发一系列的固态开关，开始启动程序并且向电动机供电。同时向主绕组和辅助绕组供电、使转子开始转动。在预定时间间隔之后，微处理器检查线电压与主绕组和辅助绕组之间电压的相位差。通过监视各个电压的过零点来测量相位差。因此，利用最小的接口即可方便地测量线电压与主绕组和辅助绕组之间电压的相位差。如果该相位关系表明转子达到了足够的转速，则控制器将去掉辅助绕组中的励磁电流并且继续正常的操作。如果该相位关系表明转子没有达到足够的转速，则该控制器将同时去掉主绕组和辅助绕组中的励磁电流，并且在的等待经过预定时间间隔之后，尝试进行另一次的启动程序。
在一个实施例中，控制器通过在线电压过零点之后等待预定的时间间隔来确定所述相位差，然后检查与主绕组和辅助绕组之间的电压相对应的逻辑状态。如果主绕组和辅助绕组之间的电压超过了预定的电平，则输入信号提供表示相位差过小、转子被卡死或未达到足够的转速的逻辑状态。如果主绕组和辅助绕组之间的电压低于预定的电平，则输入信号提供表示存在可测到的相位差并且转子已经正常启动的逻辑状态。
在另外一个实施例中，控制器通过测量线电压与主绕组和辅助绕组之间电压的时间延迟来确定相位差。当微处理器检测到线电压过零点时，启动时间计数。然后微处理器计算时间间隔直到检测到主绕组和辅助绕组之间的电压过零点为止。微处理器利用被测的时间延迟确定电压之间的相位关系。
因此，本发明的一个目的是提供一种在具有主绕组和辅助绕组的电动机启动和正常运行期间，经济和可靠的监视和控制装置。
本发明更加具体的目的是提供一种基于微处理器的控制和监视装置，该装置在单相交流感应电动机启动和正常运行期间，对电动机进行监视和控制，这种装置利用基于固态元器件的简单电路代替各种分立元件。
本发明的另外一个目的是提供一种启动设备，该设备可取代通常用于感应电动机中的机电式继电器，并代替一般用于电容驱动电动机中的PTC元件。
本发明的另外一个目的是提供一种启动装置，该装置在一个短暂的时间间隔之后能够确定启动程序成功与否，如果不成功，则延长启动时间间隔。
本发明的另外一个目的是提供一种启动装置，该装置能够确定启动程序是否成功，如果不成功，则等待一段固定的时间间隔之后，再尝试重新启动电动机。
本发明的另外一个目的是提供一种启动装置，对于不同的电动机该装置不需要进行校正。该装置与线电压的微小变化无关，并且当线电压太低时，它将不试图启动电动机。
本发明的另外一个目的是提供一种启动装置，该装置具有简单的用于检测转子状态的连接到电动机的接口。
本发明的另外一个目的是提供一种监视和控制单相交流感应电动机的装置，该单相交流感应电动机被用在压缩机，尤其是致冷系统的压缩机中，用来进行循环，以便把系统保持在预定的温度范围之内。
参考下面结合附图所做的对本发明的描述，本发明的上述和其它特征，目的以及实现的方法将更加显而易见，并且将更好的理解本发明。


图1是实现本发明的简图。
图2是本发明中控制电路示意图。
图3a和3b是示意说明当转子转动时以及当转子被卡住时，具有主绕组和辅助绕组的常规电动机的Vsc和Vrc之间关系的向量图。
图4是电容驱动式电动机的转速-转矩特性图(具有与辅助绕组串联的永久性电容的常规电动机)。
图5是电感驱动式电动机的转速-转矩特性图(设有与辅助绕组串联的永久性电容的常规电动机)。
图6是控制器的主程序流程图。
图7是机箱温度校验子程序流程图。
图8是电动机温度校验子程序流程图。
图9是用户设定子程序流程图。
图10是电动机控制子程序流程图。
图11是转子校验子程序流程图。
图12是终止子程序流程图。
图13是除霜子程序流程图。
图14是保持子程序流程图。
图15是电动机启动子程序流程图。
图16是时钟子程序流程图。
图17是结霜定时器子程序流程图。
在所有附图中，相应的参考符号表示相应的部分。尽管附图代表了本发明的实施例，但附图是不必要成比例的，并且为了更好地示意和说明本发明，某些电路特性被放大了。这里举例对本发明进行说明，所举的例子并不以任何方式限制本发明的范围。
下面所公开的实施例并不是详尽的或者说不希望把本发明限制在以下详细的描述中所公开的严谨形式。相反，所述实施例是这样选择和描述的，使得本专业的其他技术人员可以利用这些实施例作为指导。
本发明涉及具有主绕组和辅助绕组的电动机的用微处理机控制的启动和控制装置。本发明尤其可应用于单相交流感应电动机，该电动机包括具有在电气上按不同相位设置的主绕组和辅助绕组的定子；和鼠笼式的转子。
为了启动电动机，把线电压施加到主绕组和辅助绕组上。由于主绕组和辅助绕组在电气上是按不同相位设置的，所以施加在主绕组和辅助绕组上的交流电压在电动机上产生围绕转子转动的转动磁场。所述转动磁场在所述转子中感生电流，这在转子上引起旋转力。这种力通常足以使感应电动机转动起来，但是在某些情况下，转子可能出现故障不能转动。因此，必须设置监视和控制电路来确定转子是否正常启动，并且如果转子不能达到足够的转转，则必须去掉电动机中的励磁电流。
通过比较线电压与主绕组和辅助绕组之间电压的相位滞后可以检测转子的运动。当转子不动时，相位差几乎为零。当转子运动时，两个电压的相位之间存在可测量的延迟。根据电动机所述绕组可对微处理器进行编程和布置，以便检测这一相位差，如果检测到启动失败或转子被卡死，则去掉电动机中的励磁电流。
表1示意说明了在电动机中电压之间的相位和幅度关系，这些关系数据是根据计算机的模拟和对实际电动机的测量得到的。在表1中，Vrc等于线电压，Vsc等于辅助绕组两端的电压，Vrs等于主绕组和辅助绕组之间的电压。
表1模拟 测量转子卡死Vrc 115.0 106.0Vsc 8.65.0Vrs 121.2 110.0运行Vrc 115.0 116.0Vsc 99.7 96.0Vrs 146.3 135.0图3a和3b是以矢量图的形式表示表1中的电压。Vsc是辅助绕组的反电势。当转子如图3a所示转动时，Vsc具有可观的幅度，但是当转子如图3b所示被卡死时，Vsc几乎为零。如图3a和3b所示，Vsc幅度的变化引起Vrs和Vrc之间相位角度的很大的不同。
图4和图5示意说明相位角度是如何随电容驱动式电动机的转速-力矩特性变化的，该电动机具有与辅助绕组串联的固定的电容器，而电感驱动式电动机没有与辅助绕组相串联的电容。实线表示Vrc和Vrs之间的延迟随电动机转速的变化，而虚线表示力矩随电动机转速的变化。
根据电动机电压利用下面的余弦法则可计算相位延迟s＝(Vsc+Vrs+VRC)/2r＝(sqrt(((s-Vsc)*(s-Vrs)*(s-Vrc))/s)a＝2*arctan(r/(s-Vsc))图4和图5显示两种类型的电动机的相位延迟，0.75毫秒或更小的延迟表示转子的转速低于临界转速。在启动时间间隔内，电动机转速必须大于临界转速以维持运行。
使用检测各个电压过零点的电压检测电路，用最小的接口可方便地测量Vrc和Vrs之间的相位差。微处理器可以利用这些过零点电压确定相位角差，并且这种相位差证明在识别转子状态中是有权威的。当转子卡死时，相位差角非常接近零。当运行时，角度大约为45度。例如，在60赫兹的系统中，45度角将在所述两种电压的过零点之间产生2毫秒的延迟。
图1显示本发明控制系统的简图。控制系统1包括具有定子23和转子21的单相交流感应电动机20。在定子23上配备有主绕组24和辅助绕组22，两个绕组在电气上是这样配置的，使得它们具有彼此不同的相位。感应电动机20由60赫兹的市电60来供电。通过具有输入和输出线2-3和11-19的控制器10来控制电动机20的供电。控制器10通过输入线2和3来供电。控制器10中包括计算机存储器，用来存储操作指令，下面将结合流程图更加详细地加以描述。计算机存储器可以是磁存储器，磁泡存储器，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可编程只读存储器(PROM)，电可编程只读存储器(EPROM)，电可擦可编程只读存储器(EEPROM)，或其他合适的器件。控制器10通过输出线13和连接点30控制供给主绕组24的功率，以及通过输出线12和连接点28控制供给辅助绕组22的功率。在端子26上主绕组24和辅助绕组22共同连接到电源60。
本发明还包括多个必要的辅助部件用来实现致冷系统。在该系统中含有冷凝器风扇32和蒸发器风扇34，并且分别通过输出线13和14来控制它们。分别通过门开关38和42来启动门灯36和40，后者用来提供致冷系统机壳内部的照明。控制器10利用温度传感器电路54经过输入线16检测机壳温度，来自动控制致冷系统的温度范围。用户调整电路52允许操作者改变致冷系统的温度范围，并且通过输入线17来检测。压缩机机体温度检测电路50是经过输入线19来检测的，并允许控制器10检测电动机高温状态，以便当电动机呈现过热状态时，采取保护措施。最后，温度传感器56和除霜加热器58执行除霜功能，使致冷系统自动地清除系统中的霜堵塞物。
控制系统1由控制器10操作启动电动机20并监视它的运行情况。为了启动感应电动机20，控制器10分别通过连接点30和28对主绕组24和辅助绕组22励磁。由于主绕组24和辅助绕组22在电气上被设置成具有彼此不同的相位，所以在电动机中将产生旋转的磁力。这种旋转磁力在转子21中感生出电流，该电流再感生出对于转子21的转动力，使得转子21转动。在启动程序结束时，控制器10去掉辅助绕组22中的励磁电流并且通过检测电源60的线电压与主绕组24和辅助绕组22之间的相位差检查转子21的运行状态。
在电动机启动期间，如果该相位差低于预定限度，控制器10检测出转子卡死，则去掉主绕组24中的励磁电流以便完全去掉电动机20中的励磁电流，并且等待一段预编程的时间间隔之后，再尝试另一次启动程序。如果该相位差超过预定限度，则控制器10检测出启动正常并且可以继续电动机的正常运转。在电动机正常运转期间，如图8所示，控制器10通过运行转子检查程序来监视转子20的状态(下面将更详细地描述)，检查两个电压之间的相位差，当检测出转子卡死状态时，去掉电动机20的励磁电流。
图2显示了图1中所画的控制电路的详细示意图。对应于控制器10的微处理器65具有多个输入/输出线，用来检测系统的状态，并且送出各种控制信号。作为致冷控制电路一部分的输入电路包括经过端子82在输入端PB0与微处理器65连接的用户机械调整电路52，经过端子84连接在输入端PB1的机壳温度检测电路54，和经过端子86连接在输入端PB2的压缩机机体温度检测电路50。
微处理器65由直流电源72供电，该直流电源将115伏交流电转换成为相对于浮地端Vss为5伏的直流电。直流电源72包括电容器C1，C2，C3，齐纳二极管D1，和二极管D2。通过74和80输出的交流电压经过电容器C1限流，二极管D1箝位，和二极管D2整流。电容C2和C3对整流电压进行滤波。金属氧化物压敏电阻MOV1限制交流电的波动，电容C3滤掉直流输出中的高频噪声。二极管D3和电容器C4提供延迟复位，以保证供电时获得适当的初始化。振荡器70为微处理器65协调控制操作提供稳定的时钟。
在交流电的正半周，二极管D1截止，电容C2充电，电流流过电路，限流电容C1和二极管D2。在交流电的负半周，D2被反向偏置，电路由存储在C2中的电压供电。端子82，84和86分别连接到微处理器65的输入端PB0，PB1和PB2。PB0，PB1，和PB2是微处理器65的内部模/数转换器的输入端。每一输入端都与跨接在Vdd和Vss之间的分压器连接。每一输入端都是电阻性器件，该器件在外部连接到Vdd，并经过电阻连接到Vss。
所述线电压和主绕组24与辅助绕组22之间的电压的过零点分别在PB6点通过限流电阻R1，和在PB7点通过限流电阻R3被检测。微处理器65中设有内部保护二极管，它将Vdd和Vss之间的输入电压箝位到一个二极管的电压降。
输出PA0-3分别经过电阻R4-7连接到三端双向可控硅开关TR1-4，用来控制三端双向可控硅开关TR1-4的工作。当输出状态为低电平时，它使得相关的三端双向可控硅开关的栅极电流的降低，因此，导致相关的三端双向可控硅开关导通。
限流电阻R11可根据电动机的需要进行取舍。
图6-17显示在本发明的控制系统中，微处理器65所使用的程序流程图。该系统特别适合在致冷系统中使用，该致冷系统包括控制器；压缩机电动机；设置在压缩机机壳上的温度自动调节器；待冷却的冷藏室；设置在该冷藏室内的温度自动调节器；用来手动设定所需温度范围的用户设定装置；和自动除霜器。
图6显示控制器10的主程序流程，该流程包括步骤100-112。首先，所有状态变量被复位。步骤102主程序序列将tic变量加一，并且将tic变量与交流线频率相比较。tic变量用于协调程序运行，以及更新执行需要定时器的功能，例如除霜功能的程序所用的系统时钟。在步骤104，当tic变量等于线电压频率(该频率是一个常数)，即表明已经过去1秒钟时，tic变量被清零。当tic变量被清零后，如图16所示(后面将更详细地描述)，在时钟子程序中，时钟变量增加1秒钟。在检查了tic变量之后，主程序序列等待线电压的正向过零点。步骤105，当检测到正向过零点时，程序按顺序调用第一组子程序。第一组子程序涉及系统状态的检测和确定压缩机电动机20是否应该被启动。这些子程序包括如图7所示(步骤106)的机壳温度自动调节子程序，如图8所示(步骤107)的电动机温度子程序和如图9所示的(步骤108)用户设定子程序。各个子程序将在下面加以详细的描述。机壳温度自动调节子程序开始时将确定压缩机电动机20是否需要被启动。然后电动机温度子程序确定在压缩机电动机20中是否存在过热状态。最后，用户设定子程序根据用户设定电路52的设定值把补偿量加到机壳温度自动调节器读数，用来确定压缩机是否需要被启动。
在第一组子程序完成以后，主程序序列等待线电压的负向过零点，并且当检测到负向过零点时(步骤109)，调用第二组子程序。第二组子程序一般涉及对压缩机电动机20的启动和控制。这些子程序包括电动机控制子程序，如图10所示(步骤110)，该子程序检查压缩机电动机的状态，并且如果需要，启动压缩机电动机20；时钟子程序，如图16所示(步骤110)，该子程序刷新系统时钟；结霜定时器子程序，如图17所示(步骤112)，该子程序确定是否需要启动除霜功能。这些子程序将在下面详细地描述。一旦完成了这些子程序，主程序序列将返回步骤102并重复整个循环。
在步骤105，在检测到线电压的正向过零点之后，主程序调用机壳温度自动调节子程序，如图7所示(步骤106)。包括步骤113-120的机壳温度自动调节子程序检查机壳温度，并且如果该温度表示需要冷却，则设置请求变量DEMAND，以启动压缩机电动机20。机壳温度自动调节子程序调用机壳温度(步骤114)，确定是否事先已经设置了请求变量DEMAND(步骤115)，然后，将温度与预定上限温度值相比较，以确定该请求变量(步骤118和119)，或者与下限温度值相比较以复位该请求DEMAND变量(步骤116和117)。该子程序在步骤20处返回主程序。
接下来主程序调用电动机温度自动调节子程序，如图8所示(步骤107)。包括步骤21-130的电动机温度自动调节子程序检查压缩机电动机机壳的温度，并且如果检测出电动机过热则停止电动机的运行。电动机温度自动调节子程序首先调出压缩机电动机机壳温度(步骤122)，然后确定过热状态(步骤123)。如果没有设定过热变量，但是压缩机电动机机壳温度大于上限温度值时，通过调用终止子程序(步骤127，128和129)停止压缩机电动机的运行。如果设定了过热变量，电动机温度自动调节子程序将该温度与下限温度值相比较，并且如果必要，在返回主程序之前(步骤124，125，126)，在步骤126设定等待变量。在电动机启动子程序想要启动电动机之前，必须将等待变量复位。
如图12所示，包括步骤157-160的终止子程序停止压缩机电动机运行并且将状态变量初始化。为了去掉主绕组24和辅助绕组22中的励磁电流，终止子程序关闭三端双向可控硅开关TR1和TR3的输出(步骤158)，并且在返回主程序序列之前(步骤160)，将变量和状态位初始化(步骤159)。
接下来主程序调用用户设定子程序，如图9所示(步骤108)。包括步骤131-136的用户设定子程序根据用户调整电路52调整系统的上限和下限温度范围。用户设定子程序取出对应于用户调整温度设定值的值(步骤132)，将该值换算(步骤133)并且将换算后的值作为补偿量，用来设定新的上限(步骤134)和下限(步骤135)温度值。
在上述三个子程序中，主程序根据冷却室温度、压缩机电动机机壳温度和用户的设定值来确定压缩机电动机是否应被启动。一旦完成了上述三个子程序，主程序将等待负向电压过零点。当检测到负向电压过零点时(步骤109)，主程序调用第二组子程序，该组子程序涉及压缩机电动机20的启动和控制。
主程序首先调用电动机控制子程序，如图10所示(步骤110)。包括步骤137-150的电动机控制子程序根据压缩机电动机20的状态和要求变量来控制压缩机电动机20。电动机控制子程序首先检查请求变量的状态(步骤138)。如果没有设定请求变量，则将不启动压缩机电动机20，并且电动机控制子程序检查压缩机电动机20是否正在运行(步骤139)或正在启动中(步骤140)。如果缩机电动机20正在运行或正在启动中，则电动机控制子程序通过调用终止子程序(步骤144)去掉压缩机电动机20中的励磁电流。否则电动机控制子程序返回主程序(步骤145)。
如果设定了请求变量，则将启动压缩机电动机20，并且电动机控制子程序确定压缩机电动机20是否正在运行(步骤141)。如果压缩机电动机20正在运行，则电动机控制子程序通过调用如图11所示的转子检查子程序(步骤142)来检查压缩机电动机20的状态，并且确定故障变量的状态(步骤143)。当转子检查子程序确定存在转子被卡时，故障变量将被置位。如果故障变量被置位，电动机控制子程序将调用终止子程序(步骤144)，否则电动机控制子程序返回主程序(步骤145)。
如果压缩机电动机20没有运行，由电动机控制子程序将确定结霜变量或者等待变量是否被置位。如果其中有任何变量被置位，则电动机控制子程序将调用相应的子程序(步骤147和149)并且在调用启动子程序以启动压缩机电动机之前(步骤150)将等待，直到该子程序完成为止。除霜子程序和保持子程序将在下面详细地描述。
包括步骤176-194的启动子程序如图15所示。启动子程序首先确定是否将要开始电动机启动程序(步骤177)。如果将要开始电动机启动程序，则启动子程序通过将主绕组24和辅助绕组22励磁(步骤178)来启动压缩机电动机20，然后在去掉辅助绕组中的励磁电流之前(步骤187)，将在预定的时间段内等待(步骤179)。在去掉辅助绕组22的励磁电流之后，在通过调用转子检查子程序检查转子201的运动状态(步骤187)和检查故障变量的状态(步骤188)之前，启动子程序再次在预定时间段内等待(步骤182和183)。
包括步骤151-156的如图11所示的转子检查子程序检查转子21的运动状态，并且如果检测出转子被卡状态时，将把故障变量置位(步骤155)。在确定转子21是否达到足够的转速之前(步骤153)，转子检查子程序将等待一段预定的时间，例如在示范的实施例中大约为0.75毫秒(步骤152)。通过检查线电压与主绕组24和辅助绕组22之间电压的相位差，转子检查子程序确定转子21的状态，将故障变量置位(步骤155)或者复位(步骤154)，然后返回启动子程序(步骤156)。
在第一实施例中，微处理器65通过检查输入端PB7所对应的主绕组24和辅助绕组22之间电压的逻辑状态来确定转子21的状态。在输入端PB6指示出线电压过零点，并等待了一段预定时间之后，微处理器65检查输入端PB7的状态。如果主绕组24和辅助绕组22之间的电压超过了预定的电平，则存在小的相位差并且输入端PB7的逻辑状态将指示转子被卡住。如果主绕组24和辅助绕组22之间的电压小于预定的电平，则存在足够的相位差并且输入端PB7的逻辑状态将指示转子21正在运转。
在另外一个实施例中，微处理器65通过确定线电压的过零点与主绕组24和辅助绕组22之间电压的过零点的时间差来确定转子21的状态。如果该时间差超过了预定的量值，则存在足够的相位差并且微处理器65检测到运动的转子21。如果该时间差小于预定的量值，则相位差过小并且微处理器检测到转子21被卡住。
在如图15所示的启动子程序中，如果微处理器通过故障变量的指示检测到转子被卡死(步骤188)，则在终止启动操作之前(步骤194)，启动子程序将做有限次的再启动(步骤191-194)。通过再试变量来完成有限次的再启动，该变量在主程序中被初始化为预定的量值并且在每次启动之后该值减一(步骤191)。只要再试变量大于零，就允许进行再启动(步骤192)。如果再试变量为零，启动子程序将调用终止子程序(步骤194)来终止启动操作。
如果故障变量没有被置位，则程序检测到一种正常的启动(步骤188)并且将运行变量置位(步骤189)来指示压缩机电动机20正在正常运行，并返回主程序(步骤190)。
然后主程序如图16所示调用时钟子程序(步骤111)。包括步骤195-206的时钟子程序更新系统时钟。在除霜操作期间以及在压缩机电动机运行时需要一个定时器来协调系统的运行，因此，该时钟进行核查，以保证这些条件的存在(步骤196和197)。检查tic变量来保证在系统时钟更新之前tic变量已经被复位(步骤197)。时钟子程序将系统时钟增加一秒(步骤199-205)，并返回主程序(步骤206)。
然后主程序如图17所示调用结霜定时子程序(步骤112)。由步骤207-211组成的结霜定时子程序确定是否需要进行除霜操作。在经过一段预定的运行时间之后，系统自动地启动除霜操作(步骤209和210)。结霜定时子程序通过设定结霜变量来启动除霜操作(步骤210)，而实际开始除霜是在电动机控制子程序调用除霜子程序时开始的(步骤147)。
包括步骤168-176的除霜子程序控制除霜操作，如图13所示。如果启动了除霜操作(步骤162)，则除霜子程序定时器初始化(步骤163)并且向除霜加热器58供电(步骤164)。除霜子程序确定除霜操作是否完成(步骤165)。如果除霜加热器已经通电了足够的时间，则除霜子程序通过将定时和结霜变量清零(步骤166和167)来停止除霜操作，去掉除霜加热器58中的电源(步骤168)并返回主程序(步骤169)。如果没有完成除霜操作，除霜子程序使定时器和除霜加热器58继续运行，并返回主程序(步骤165和169)。
如果设置了等待变量，在试图启动电动机之前，保持子程序将强制电动机启动子程序等待一段预定的时间。包括步骤170-175的保持子程序如图14所示。每次tic变量达到零时(步骤173)，保持子程序将延迟变量递减(步骤174)，该延迟变量最初是在主程序开始被置位的。当延迟变量为零时(步骤171)，等待变量被清零(步骤172)，并且电动机启动子程序可以偿试启动电动机。
微处理器65通过主程序连续地排序，并且如果需要的话将调用相应的子程序。因此，为了启动压缩机电动机20，必要时控制系统1将连续地监视并控制该系统，并且在电动机正常运行期间监视其性能。注意到上面所述，为系统1添加功能是一件简单的事情，只需对微处理器65重新编程并增加所需系统元件和输入既可。某些额外的功能包括风扇控制，自适应除霜，按需求除霜，报警，温度显示等，但不只限于此。
尽管上面所描述的系统状态是由多个状态变量来确定的，这些状态变量可以存储在设置于微处理器65中或者设置于微处理器65之外的存储设备之中，但应该明白各种系统元件的状态也可由微处理器65中直接硬件化的状态输入线来确定。
在实施本发明时，可以使用下列数值来作为上面所述的电路元件的值标号 数值F1 0.5A，250VMOV1 V140LA5D1 1N4735D2 1N4004D3 1N4148C1 1μF，250VC2 220μF，10VC3 0.1μF
C4 0.1μFY1 8Mhz陶瓷振荡器U1 ST6210微控制器(2K存储器，A/D转换器，定时器)R1 1M欧姆R3 1M欧姆R4 390欧姆R5 390欧姆R6 390欧姆R7 390欧姆R8 10K欧姆R9 10K欧姆R10 10K欧姆R11 5欧姆，10瓦R12 负温度系数热敏电阻R13 10K欧姆 电位器R14 负温度系数 热敏电阻TR1 MAC15TR2 MAC228TR3 MAC15TR4 2N6075虽然已经以设计举例的形式描述了本发明，但是，在这种公开的范围内和不违背本发明精神的情况下，可以对本发明做进一步的修改。例如，本发明电路所产生的信号可以采取多种形式，如电压值，逻辑值，极性，电流值等。因此，本申请旨在函盖使用本发明一般原理的任何变化，用途或修改。另外，本申请旨在函盖本发明涉及的、在本专业中已知的或者通常实践的范围内偏离本公开的内容。
权利要求
1.一种具有主绕组和辅助绕组的电动机的控制电路，其特征在于所述控制电路包括将线电压有选择地连接到主绕组和辅助绕组的连接装置；与所述连接装置耦合的微处理器装置，所述微处理器装置包括有选择地向主绕组和辅助绕组通入励磁电流的装置，所述微处理器装置包括利用线电压的过零点和主绕组与辅助绕组之间电压的过零点，来确定线电压与主绕组和辅助绕组电压之间的相位差的装置，所述微处理器装置包括当所述相位差表示电动机出现故障时，去掉电动机励磁电流的装置。
2.根据权利要求1的控制电路，其特点在于所述连接装置包括多个固态开关。
3.根据权利要求1的控制电路，其特点在于在所述微处理器检测到线电压的过零点之后经过预定的时间间隔，所述微处理器装置通过检测主绕组和辅助绕组之间电压的逻辑状态来确定相位差。
4.根据权利要求3的控制电路，其特点在于所述预定的时间间隔大约为0.75毫秒。
5.根据权利要求1的控制电路，其特点在于所述微处理器装置通过测量线电压的过零点与主绕组和辅助绕组之间的电压在所述线电压过零点之后的第一过零点之间的时间延迟来确定所述相位差。
6.一种装置包括具有主绕组和辅助绕组的电动机，其特征在于具有上述权利要求中任何一项权利要求的控制电路。
7.根据权利要求6的装置，其特点在于所述电动机是具有定子的单相交流感应电动机，以及所述定子上所述主绕组和所述辅助绕组是这样配置的，使得它们在电气上具有不同相位。
8.用于将冷藏室冷却的致冷系统包括设置成与所述冷藏室热接触的温度自动调节器；带有主绕组和辅助绕组电动机的压缩机，其特征在于该系统具有上述权利要求1-5中任一项权利要求的控制电路。
9.根据权利要求8的致冷系统，其特征在于还包括安装所述电动机的机壳；设置成与所述机壳热接触的第二温度自动调节器；所述微处理器装置还连接到所述第二温度自动调节器；所述微处理器装置还包括当所述第二温度自动调节器指示温度超过预定的限度时，防止所述电动机启动并去掉所述电动机中励磁电流的装置。
10.根据权利要求8的致冷系统，其特征在于还包括用户手动设定设备；所述微处理器装置还与所述用户手动设定设备相连接，所述微处理器装置还包括根据所述温度自动调节器检测到的温度和所述用户设定设备调整的温度来向所述电动机通入励磁电流或去掉励磁电流的装置。
全文摘要
一种定子上装有主绕组和辅助绕组的电动机的控制系统,其中微处理器确定线电压与主绕组和辅助绕组之间电压的相位差,以确定转子的转动状态。转子转动时,存在可测的相位差。通过监视各个电压的过零点可以测量这种相位差。本发明的控制系统特别适合于定子上装配有电相位不同的主绕组和辅助绕组的单相交流电动机。本发明的控制系统也适用于与具有机壳温度检测器的致冷系统有关的压缩机和电器设备。
文档编号H02H7/093GK1169619SQ9711361
公开日1998年1月7日 申请日期1997年6月10日 优先权日1996年6月10日
发明者D·A·内林 申请人:特库姆塞制品公司