空调器及微型压缩机的控制系统和PFC电路的控制方法与流程

本发明涉及压缩机技术领域，特别涉及一种微型压缩机的控制系统、一种微型压缩机的PFC(Power Factor Correction，功率因数校正)电路的控制方法以及一种空调器。

背景技术：

微型压缩机具有体积小、重量轻、工作安静、几乎无振动、能耗低，可由电池、太阳能和车载电源等供电的优点，被广泛应用于空调器、水冷装置以及迷你冷藏系统等场合，具有较好的发展前景。

由于应用场合及条件的限制，目前微型压缩机的控制器一般采用低压直流电的供电方式，省去了由工频交流电到直流电的转换环节，大大减小了控制器的体积和重量，同时也降低了成本。但是输入侧的功率因数并不高，并且可接受的输入电压的范围较小，易受电源波动影响，容易出现欠压等故障情况。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种微型压缩机的控制系统，该系统在欠压情况下控制PFC电路工作，不仅可以提高输入侧功率因数，而且显著增强了微型压缩机低压运行时的抗欠压能力，并拓展了输入电压的范围。

本发明的第二个目的在于提出一种空调器。

本发明的第三个目的在于提出一种微型压缩机的PFC电路的控制方法。

为实现上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种微型压缩机的控制系统，包括：可控开关，所述可控开关的第一端与直流电源的一端相连；PFC电路，所述PFC电路包括电感、二极管和开关管，所述PFC电路的第一输入端与所述可控开关的第二端相连，所述PFC电路的第二输入端与所述直流电源的另一端相连；逆变电路，所述逆变电路的第一输入端与所述PFC电路的第一输出端和所述可控开关的第三端分别相连，所述逆变电路的第二输入端与所述PFC电路的第二输出端相连；电压检测单元，用于检测所述微型压缩机的直流母线电压；控制单元，所述控制单元分别与所述可控开关、所述开关管和所述逆变电路相连，用于在所述直流母线电压小于预设电压阈值时控制所述可控开关的第一端和所述可控开关的第二端相连通，并输出PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号至所述开关管以通过所述PFC电路将所述直流电源的电压升高至第一电压，以及通过控制所述逆变电路将所述第一电压转换为三相电压，以给所述微型压缩机供电。

根据本发明实施例的微型压缩机的控制系统，在直流母线电压小于预设电压阈值时，控制单元控制可控开关的第一端和可控开关的第二端相连通，并输出PWM信号至开关管以通过PFC电路将直流电源的电压升高至第一电压，以及通过控制逆变电路将第一电压转换为三相电压，以给微型压缩机供电。该系统在欠压情况下控制PFC电路工作，不仅可以提高输入侧功率因数，而且显著增强了微型压缩机低压运行时的抗欠压能力，并拓展了输入电压的范围。

根据本发明的一个实施例，所述控制单元还用于在所述直流母线电压大于等于所述预设电压阈值时控制所述可控开关的第一端和所述可控开关的第三端相连通，并停止输出所述PWM信号至所述开关管，以及通过控制所述逆变电路直接将所述直流电源的电压转换为所述三相电压。

根据本发明的一个实施例，上述的微型压缩机的控制系统，还包括：滤波电路，所述滤波电路为电解电容，所述电解电容并联在所述逆变电路的输入端之间。

根据本发明的一个实施例，所述直流电源的电压为12V、24V或者48V。

为实现上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种空调器，其包括上述的微型压缩机的控制系统。

本发明实施例的空调器，通过上述的微型压缩机的控制系统，在欠压情况下控制PFC电路工作，不仅可以提高输入侧功率因数，而且显著增强了微型压缩机低压运行时的抗欠压能力，并拓展了输入电压的范围，提高了微型压缩机运行的可靠性，进而提升了空调器的可靠性。

为实现上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种微型压缩机的PFC电路的控制方法，所述PFC电路包括电感、二极管和开关管，所述PFC电路的输入端通过可控开关与直流电源相连，所述PFC电路的输出端与逆变电路的输入端相连，所述逆变电路的输出端与所述微型压缩机相连，所述方法包括以下步骤：检测所述微型压缩机的直流母线电压，并判断所述直流母线电压是否小于预设电压阈值；如果所述直流母线电压小于所述预设电压阈值，则通过控制所述可控开关以使所述PFC电路与所述直流电源相连通，并输出PWM信号至所述开关管以通过所述PFC电路将所述直流电源的电压升高至第一电压，以及通过控制所述逆变电路将所述第一电压转换为三相电压，以给所述微型压缩机供电。

根据本发明实施例的微型压缩机的PFC电路的控制方法，当直流母线电压小于预设电压阈值时，通过控制可控开关以使PFC电路与直流电源相连通，并输出PWM信号至开关管以通过PFC电路将直流电源的电压升高至第一电压，以及通过控制逆变电路将第一电压转换为三相电压，以给微型压缩机供电。该方法在欠压情况下控制PFC电路工作，不仅可以提高输入侧功率因数，而且显著增强了微型压缩机低压运行时的抗欠压能力，并拓展了输入电压的范围。

根据本发明的一个实施例，如果所述直流母线电压大于等于所述预设电压阈值，则通过控制所述可控开关以使所述PFC电路短路，并停止输出所述PWM信号至所述开关管，以及通过控制所述逆变电路直接将所述直流电源的电压逆变为所述三相电压。

根据本发明的一个实施例，上述的微型压缩机的PFC电路的控制方法，还包括：判断所述微型压缩机是否处于运行阶段；如果所述微型压缩机处于所述运行阶段，则在判断所述直流母线电压小于所述预设电压阈值时，先控制所述微型压缩机停机，再通过控制所述可控开关以使所述PFC电路与所述直流电源相连通。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的微型压缩机的控制系统的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的微型压缩机的PFC电路的控制方法的流程图；

图3是根据本发明一个实施例的微型压缩机启动过程中PFC电路的控制方法；以及

图4是根据本发明一个实施例的微型压缩机处于运行阶段时PFC电路的控制方法。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图来描述本发明实施例的微型压缩机的控制系统、微型压缩机的PFC电路的控制方法以及空调器。

图1是根据本发明一个实施例的微型压缩机的控制系统的结构示意图。如图1所示，该微型压缩机的控制系统包括：可控开关10、PFC电路20、逆变电路30、电压检测单元(图中未具体示出)和控制单元40。

其中，可控开关10的第一端与直流电源VCC的一端相连。PFC电路20包括电感L、二极管D和开关管Q，PFC电路20的第一输入端与可控开关10的第二端相连，PFC电路20的第二输入端与直流电源VCC的另一端相连。逆变电路30的第一输入端与PFC电路20的第一输出端和可控开关10的第三端分别相连，逆变电路30的第二输入端与PFC电路20的第二输出端相连。

在本发明的实施例中，直流电源VCC的电压可以为12V、24V或者48V，直流电源VCC可以无需设置整流环节。

电压检测单元用于检测微型压缩机的直流母线电压。例如，可以采用电阻分压法检测直流母线电压。控制单元40分别与可控开关10、开关管Q和逆变电路30相连，用于在直流母线电压小于预设电压阈值时控制可控开关10的第一端和可控开关10的第二端相连通，并输出PWM信号至开关管Q以通过PFC电路20将直流电源VCC的电压升高至第一电压，以及通过控制逆变电路30将第一电压转换为三相电压，以给微型压缩机供电。其中，预设电压阈值可根据实际情况进行标定。

具体地，当PFC电路20中的开关管Q导通时，直流电源VCC对电感L进行充电储能，逆变电路30的输入电压将维持在直流母线电压；当开关管Q关断时，由直流电源VCC和电感L共同为逆变电路30供电，继而实现对输入电压的提升，具体升压的多少，由施加在开关管Q上的触发脉冲的占空比决定。因此，当检测的直流母线电压小于预设电压阈值(例如，可以为标准输入的80％)时，控制单元40控制可控开关10的第一端和可控开关10的第二端相连通，以使PFC电路20与直流电源VCC相连通，同时控制单元40输出PWM信号至PFC电路20的开关管Q，通过对开关管Q的合理通断将直流母线电压提升至预设电压阈值以上，此时控制单元40可控制逆变电路30正常工作以输出三相电压给微型压缩机进行供电，使得微型压缩机可以继续正常工作。

因此，本发明实施例的微型压缩机的控制系统，在直流母线电压低于预设电压阈值时，控制可控开关切向PFC电路，并启动PFC电路工作，不仅可以提高输入侧功率因数，而且通过对PFC电路中开关管的合理通断可以将直流母线电压提升至正常范围，显著增强了微型压缩机低压运行时的抗欠压能力，并拓展了输入电压的范围，从而有效避免了在欠压情况下，直接通过切断电源来避免微型压缩机和元器件损坏而导致的微型压缩机无法继续正常工作的情况。

根据本发明的一个实施例，控制单元40还用于在直流母线电压大于等于预设电压阈值时控制可控开关10的第一端和可控开关10的第三端相连通，并停止输出PWM信号至开关管Q，以及通过控制逆变电路30直接将直流电源VCC的电压转换为三相电压。

具体而言，当检测的直流母线电压大于等于预设电压阈值时，直流电源VCC无需经过PFC电路进行升压，而是直接输入至逆变电路30，进入正常工作状态，此时可将PFC电路20进行短路，即控制单元40控制可控开关10的第一端和可控开关10的第三端相连通，同时禁止输出PWM信号至开关管Q。

根据本发明的一个实施例，如图1所示，上述的微型压缩机的控制系统还包括：滤波电路，滤波电路为电解电容EC，电解电容EC并联在逆变电路30的输入端之间。

具体地，当直流母线电压低于预设电压阈值时，控制单元40控制可控开关10切向PFC电路20，并启动PFC电路20开始工作，直流电源VCC先经过PFC电路升压后，再通过电解电容EC滤除高次谐波以得到稳定的直流电，然后再输入至逆变电路30，整个电路进入欠压保护工作状态；当直流母线电压高于预设电压阈值时，控制单元40控制可控开关10将PFC电路20短路，同时禁止输出PWM信号至开关管Q，直流电源无需经过PFC电路进行升压，而是直接输入至逆变电路30。

另外，在本发明的实施例中，控制单元40采用矢量控制方式对微型压缩机进行控制。在控制过程中，通过单电阻电流采样微型压缩机的相电流，并根据采样的相电流重构微型压缩机的三相电流，然后控制单元40对三相电流进行坐标变换和PI(Proportional Integral，比例积分)调节等，以得到参考电压矢量幅值及相位，最后基于SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉冲宽度调制)基本原理得到矢量落在不同扇区内时逆变电路30中6个开关管的导通占空比，继而实现对微型压缩机的控制。由于控制单元同时对逆变电路和PFC电路的开关管进行控制，显著减小了PCB(Printed Circuit Board，印制电路板)的空间，因而可以有效减小PCB的尺寸和降低成本。而且，由于采用单电阻电流采样方式重构微型压缩机的三相电流，不仅摒弃了传统的传感器电流采样，而且省去了至少一个采样电阻，有效节省了元器件的成本，增加了控制单元的市场竞争力。

综上所述，根据本发明实施例的微型压缩机的控制系统，在直流母线电压小于预设电压阈值时，控制单元控制可控开关的第一端和可控开关的第二端相连通，并输出PWM信号至开关管以通过PFC电路将直流电源的电压升高至第一电压，以及通过控制逆变电路将第一电压转换为三相电压，以给微型压缩机供电。该系统在欠压情况下控制PFC电路工作，不仅可以提高输入侧功率因数，而且显著增强了微型压缩机低压运行时的抗欠压能力，并拓展了输入电压的范围。而且采用单芯片控制，并采用单电阻电流采样方式重构微型压缩机的三相电流，有效减少了元器件的使用数量，减小了PCB的尺寸，降低了成本，增加了价格优势。

图2是根据本发明一个实施例的微型压缩机的PFC电路的控制方法的流程图。

在本发明的实施例中，PFC电路包括电感、二极管和开关管，PFC电路的输入端通过可控开关与直流电源相连，PFC电路的输出端与逆变电路的输入端相连，逆变电路的输出端与微型压缩机相连。具体电路可以参考图1所示，这里不再详述。

如图2所示，该微型压缩机的PFC电路的控制方法包括以下步骤：

S1，检测微型压缩机的直流母线电压，并判断直流母线电压是否小于预设电压阈值。

具体地，可以采用电阻采样法检测直流母线电压。

S2，如果直流母线电压小于预设电压阈值，则通过控制可控开关以使PFC电路与直流电源相连通，并输出PWM信号至开关管以通过PFC电路将直流电源的电压升高至第一电压，以及通过控制逆变电路将第一电压转换为三相电压，以给微型压缩机供电。

具体地，如图1所示，当PFC电路中的开关管导通时，直流电源对电感进行充电储能，逆变电路的输入电压将维持在直流母线电压；当开关管关断时，由直流电源和电感共同为逆变电路供电，继而实现对输入电压的提升，具体升压的多少，由施加在开关管上的触发脉冲的占空比决定。因此，当检测的直流母线电压小于预设电压阈值(例如，可以为标准输入的80％)时，通过控制可控开关以使PFC电路与直流电源相连通，同时输出PWM信号至PFC电路的开关管，通过对开关管的合理通断将直流母线电压提升至预设电压阈值以上，此时可控制逆变电路正常工作以输出三相电压给微型压缩机进行供电，使得微型压缩机可以继续正常工作。

因此，本发明实施例的微型压缩机的PFC电路的控制方法，在直流母线电压低于预设电压阈值时，控制可控开关切向PFC电路，并启动PFC电路工作，不仅可以提高输入侧功率因数，而且通过对PFC电路中开关管的合理通断可以将直流母线电压提升至正常范围，显著增强了微型压缩机低压运行时的抗欠压能力，并拓展了输入电压的范围，从而有效避免了在欠压情况下，直接通过切断电源来避免微型压缩机和元器件损坏而导致的微型压缩机无法继续正常工作的情况。

根据本发明的一个实施例，如果直流母线电压大于等于预设电压阈值，则通过控制可控开关以使PFC电路短路，并停止输出PWM信号至开关管，以及通过控制逆变电路直接将直流电源的电压逆变为三相电压。

具体而言，当检测的直流母线电压大于等于预设电压阈值时，直流电源无需经过PFC电路进行升压，而是直接输入至逆变电路，进入正常工作状态，此时可将PFC电路进行短路，同时禁止输出PWM信号至开关管。

图3是根据本发明一个实施例的微型压缩机启动过程中PFC电路的控制方法。如图3所示，该控制方法包括以下步骤：

S301，用户上电，PFC电路禁止。

S302，判断直流母线电压V_DC＜预设电压阈值V_L是否成立。如果是，执行步骤S303；如果否，执行步骤S306。

S303，切向PFC电路，并控制PFC电路工作。

S304，判断是否有其他故障。如果是，执行步骤S305；如果否，执行步骤S306。

S305，故障诊断并处理。

S306，同时满足直流母线电压V_DC≥预设电压阈值V_L且无其他故障时，执行步骤S307。

S307，微型压缩机启动。

S308，微型压缩机正常运转。

具体而言，以微型压缩机应用于空调器中为例。用户先对空调器进行上电，然后根据自身需求，通过人机界面、外置按键或者遥控器等设定空调器的运行参数。空调器在接收到用户设定的运行参数后，给定微型压缩机的目标频率，并通过电阻采样法检测微型压缩机的直流母线电压，然后通过信号调理电路等将检测的直流母线电压输入至主控制器的模数转换模块，通过模数转换模块将模拟信号转换为数字信号，以便进行数据处理。

主控制器判断检测的直流母线电压是否小于预设电压阈值，在无其他故障的条件下，如果直流母线电压小于预设电压阈值，则控制可控开关切向PFC电路，并给PFC电路的开关管施加触发脉冲，其中，触发脉冲的占空比根据检测的直流母线电压与预设电压阈值之间的差值以及直流电源的电压大小计算获得；否则，无需启动PFC电路。

在启动PFC电路后，将再次检测直流母线电压并对其进行判断。如果直流母线电压大于等于预设电压阈值，则达到微型压缩机的启动要求，此时可以通过控制逆变电路启动微型压缩机，微型压缩机将经历定位、开环以及闭环等环节后进入正常运行阶段，并稳定在目标频率处。否则，说明微型压缩机达不到启动要求，此时需要根据实际情况适当增大触发脉冲的占空比，直流母线电压将在之前的基础上进一步提升，再次对直流母线电压进行判断，依次循环，直至直流母线电压高于预设电压阈值，并启动微型压缩机为止。

从提高直流母线电压利用率，降低谐波含量的角度考虑，在实际控制过程中，采用矢量控制方法对微型压缩机进行控制，通过判断参考电压矢量所在扇区，可用该扇区相差60°的两个基本矢量和零矢量来等效合成参考矢量，并采用对称七段式SVPWM输出6路互补的PWM信号作为触发脉冲，来控制逆变电路中6个开关管的导通和关断，以使微型压缩机获得圆形旋转磁链。

根据本发明的一个实施例，上述的微型压缩机的PFC电路的控制方法还包括：判断微型压缩机是否处于运行阶段；如果微型压缩机处于运行阶段，则在判断直流母线电压小于预设电压阈值时，先控制微型压缩机停机，再通过控制可控开关以使PFC电路与直流电源相连通。

具体地，如图4所示，微型压缩机处于运行阶段时PFC电路的控制方法包括以下步骤：

S401，微型压缩机处于运行阶段。

S402，判断直流母线电压V_DC＜预设电压阈值V_L是否成立。如果是，执行步骤S403；如果否，执行步骤S407。

S403，微型压缩机短时停机。

S404，切向PFC电路，并控制PFC电路工作。

S405，判断是否有其他故障。如果是，执行步骤S406；如果否，执行步骤S407。

S406，故障诊断并处理。

S407，同时满足直流母线电压V_DC≥预设电压阈值V_L且无其他故障时，执行步骤S408。

S408，微型压缩机重新启动。

也就是说，微型压缩机的欠压运行和欠压启动相类似，不同的是，在微型压缩机运行过程中，如果直流母线电压小于预设电压阈值，则需要先控制微型压缩机停机，平衡微型压缩机的吸气和排气压力差，并切向PFC电路，启动PFC电路工作，之后的处理过程与图3所示流程相同，在不出现其他故障的情况下，短时间间隔后，重新启动微型压缩机，依次实现微型压缩机的正常启动和运行。

根据本发明实施例的微型压缩机的PFC电路的控制方法，当直流母线电压小于预设电压阈值时，通过控制可控开关以使PFC电路与直流电源相连通，并输出PWM信号至开关管以通过PFC电路将直流电源的电压升高至第一电压，以及通过控制逆变电路将第一电压转换为三相电压，以给微型压缩机供电。该方法在欠压情况下控制PFC电路工作，不仅可以提高输入侧功率因数，而且显著增强了微型压缩机低压运行时的抗欠压能力，并拓展了输入电压的范围。

此外，本发明的实施例还提出了一种空调器，其包括上述的微型压缩机的控制系统。

本发明实施例的空调器，通过上述的微型压缩机的控制系统，在欠压情况下控制PFC电路工作，不仅可以提高输入侧功率因数，而且显著增强了微型压缩机低压运行时的抗欠压能力，并拓展了输入电压的范围，提高了微型压缩机运行的可靠性，进而提升了空调器的可靠性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。