淺談過零補償控制原理

金德武

(珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070)

淺談過零補償控制原理

金德武

(珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070)

討論家用空調的交流電機采用過零補償方式的控制技術，當發生過零信號丟失情況可以使交流電機繼續穩定工作，杜絕出現風機抖動現象。

過零；補償控制

為了保證空調的正常運轉，達到制冷和制熱能力的平衡，必須保證室內風機的轉速能夠滿足系統的要求，并保證轉速的穩定。空調的室內風機采用交流電機(例如：PG電機)。

目前針對空調的交流電機的控制過程為：通過過零檢測電路檢測出供電電源的過零點作為計時基準，檢測交流電機的實際轉速與目標轉速之間的差值，根據差值確定交流電機的驅動電路中可控器件（如固態繼電器和雙向可控硅）的導通時間，通過調整可控器件的導通時間改變交流電機的輸入電壓，從而將交流電機的實際轉速調整至與目標轉速一致。

但是，時常會出現當供電電源的電壓不穩或者干擾較大時，導致過零檢測電路不能正確地檢測到過零點，從而引起交流電機抖動和產生異響等問題。為解決此類問題，發明一種采用過零補償方式的交流電機控制技術。本文介紹過零補償的工作原理、過零檢測電路相關控制方法。

1 過零檢測電路介紹

過零檢測電路的一種結構如圖1所示，其工作過程為：供電電源經變壓器T1降壓后，先經過整流橋（由二極管D1、D2、D3、D4構成）、二極管D5和二極管D6進行整流，形成脈動直流波形，再經過電阻R1、R2和R3進行分壓，之后經過電容C1濾除高頻干擾成分。三極管Q2的集電極與控制裝置連接，當三極管Q2基極處的電壓大于0.7V時，三極管Q2導通，在三極管Q3的集電極形成低電平；當三極管Q2基極處的電壓小于0.7V時，三極管Q2截止，三極管Q2的集電極經過電阻R4上拉至高電平。根據供電交流電源的特性，可在三極管Q2的集電極得到供控制交流電機使用的過零點信號。

2 交流電機常規控制方式的弊端

現有的針對空調交流電機的控制方式具體為：交流電機的控制裝置與過零檢測電路連接，控制裝置獲取過零檢測電路輸出的信號，當控制裝置檢測到過零檢測電路輸出過零信號時，延時一段時間之后開啟交流電機，該延時的時間根據交流電機的實際轉速和目標轉速確定。

當供電電源穩定時，過零檢測電路產生整流后的電壓波形和過零信號的波形如圖2所示，當供電電源的電壓不穩或干擾較大時，過零檢測電路產生整流后的電壓波形和過零信號的波形如圖3所示。通過圖3可以看到，當供電電源的電壓不穩或干擾較大時，過零檢測電路會出現丟失過零信號的現象。

由于控制裝置將檢測到過零信號的時刻作為后續開啟交流電機的計時基準，因此當過零檢測電路丟失過零信號時，會導致在應該開啟交流電機的時刻未控制交流電機開啟，從而導致交流電機轉動不穩，出現抖動現象。

3 具有過零補償功能的交流電機控制方式及注意事項

3.1 控制方式

針對上述交流電機常規控制方式的弊端，可采取在常規控制方式中增加過零補償功能解決。具體方式為：

在檢測到過零信號后，延時一段時間（根據交流電機的實際轉速和目標轉速確定）之后開啟交流電機，同時還要判斷在此次檢測到過零信號后的預設時間內（當供電電源正常時，在該預設時間內可以再次檢測到過零信號）是否再次檢測到過零信號，當確定未檢測到過零信號時，在相應的時刻控制交流電機開啟。具有過零補償功能的控制方法流程圖參見圖4，該控制方法包括：

步驟S1：按照預設策略獲取交流電機的實際轉速，根據交流電機的實際轉速和目標轉速確定第一時間。

其中，第一時間為檢測到過零信號后控制交流電機開啟所等待的時間。通過調整交流電機在供電電源的過零點后的開啟時間可以調整交流電機的輸入電壓，從而調整交流電機的轉速。通過電機轉速檢測電路檢測交流電機的實際轉速，控制裝置與電機轉速檢測電路的輸出端連接，控制裝置按照預設策略從電機轉速檢測電路獲取交流電機的實際轉速。

步驟S2：獲取過零檢測電路輸出的信號。

過零檢測電路的輸出端與交流電機的控制裝置連接，控制裝置實時獲取過零檢測電路輸出的信號。以圖1所示過零檢測電路為例，三極管Q2的集電極與交流電機的控制裝置連接。

步驟S3：在檢測到過零檢測電路輸出的過零信號后，當延時時間達到最近一次確定的第一時間時，開啟交流電機。

當檢測到過零檢測電路輸出的過零信號后，將接收到過零信號的時刻作為計時基準，在延時時間達到最近一次確定的第一時間后，向交流電機的驅動電路的可控器件（如固態繼電器或雙向可控硅）發送控制信號，以控制可控器件導通，從而開啟交流電機。需要說明的是，在供電電源過零點的時刻，可控器件自動關斷，從而關閉交流電機。

步驟S4：判斷在檢測到過零檢測電路輸出的過零信號后的第二時間內，是否再次檢測到過零檢測電路輸出的過零信號，若否，執行步驟S5。

步驟S5：在距離最近一次檢測到過零檢測電路輸出的過零信號的時間達到第三時間時，開啟交流電機。

其中，第二時間大于第四時間，第三時間為第四時間和最近一次確定的第一時間的和。第四時間由空調的供電電源的頻率確定，當空調的供電電源為50Hz時，第四時間為10ms，當空調的供電電源為60Hz時，第四時間為8.3ms。作為優選方案，第二時間可以為9.1ms至10.8ms。

在檢測到過零檢測電路輸出的過零信號后的第二時間內，如果未再次檢測到過零檢測電路輸出的過零信號，說明過零檢測電路丟失了過零信號。此時，虛擬補償一個電機驅動信號，在理想狀態下，兩個過零信號之間的間隔為第四時間，因此在距離最近一次檢測到過零檢測電路輸出的過零信號的時間達到第三時間時，要控制交流電機開啟。

這里需要說明的是，在執行步驟S4后，如果確定在檢測到過零檢測電路輸出的過零信號后的第二時間內再次檢測到過零信號，也執行步驟S3。

3.2 具體說明

下面結合圖5進行具體說明：

在供電電源第一次過零時，過零檢測電路輸出一個過零信號，控制裝置在檢測到該過零信號后，開始計時，當計時值達到最近一次確定的第一時間T1后，向交流電機的驅動電路的可控器件發送控制信號，以控制可控器件導通，從而開啟交流電機。

同時，控制裝置判斷在檢測到該過零信號后的第二時間T2內是否再次檢測到過零信號。由于第二時間T2大于第四時間T4，因此如果在第二時間T2內沒有檢測到過零信號，說明過零檢測電路丟失了一個過零信號。之后，控制裝置在距離最近一次檢測到過零信號的時間達到第三時間T3時，向交流電機的驅動電路的可控器件發送控制信號，從而開啟交流電機。

圖1 過零檢測電路的一種結構

圖2 供電電源穩定時的波形圖

圖3 供電電源的電壓不穩或干擾較大時的波形圖

該第三時間T3是以最近一次檢測到過零信號的時刻為計時基準的。當供電電源穩定時，在距離最近一次檢測到過零信號的時間達到或近似達到第四時間T4時，過零檢測電路會輸出一個過零信號，控制裝置在距離檢測到該過零信號的時間達到第一時間T1時開啟交流電機。當控制裝置確定過零檢測電路丟失了一個過零信號時，要在距離理論上檢測到過零信號的時間達到第一時間T1時開啟交流電機，也就是在距離最近一次檢測到過零信號的時間達到第四時間T4和最近一次確定的第一時間T1的總和時開啟交流電機。

這樣在供電電源的電壓不穩或者干擾較大導致過零檢測電路丟失過零信號的情況下，可以在供電電源過零后的相應時間開啟交流電機，避免出現交流電機在應開啟的時刻未開啟的現象，從而保證交流電機可以穩定轉動。

實施中，可以按照多種策略獲取交流電機的實際轉速。例如：按照預設時間間隔獲取交流電機的實際轉速，或者在每次開啟交流電機后，獲取交流電機的實際轉速。

另外，根據交流電機的實際轉速和目標轉速確定第一時間的操作，可以采用以下方式：計算交流電機當前轉速和目標轉速之間的轉速差值；依據預設的轉速差值與交流電機運行時間之間的對應關系，確定與差值對應的運行時間作為第一時間。

3.3 注意事項

該補償方案僅針對偶爾丟失一個過零信號的情況進行補償，對于連續丟失兩個及以上過零信號情況則僅能補償首個丟失的過零信號。因為若是連續丟失兩個及以上過零信號，則已說明供電電源出現了嚴重異常，已不能再正常使用，需要進入相關保護措施。

4 結語

（1）在交流電機控制方式中增加過零補償方案，可杜絕因電源異常而出現的風機抖動現象；

（2）該控制方法僅通過軟件方案實現，無額外成本增加；

（3）該控制方法軟件設計方案模塊化獨立、可移植性強，易被其他同類設計移植借用。

The discussion of zero signal of electrical source compensation control technology theory

JIN Wude
(GREE Electric Appliances, Inc. of Zhuhai Zhuhai 519070)

As discussed as residential air conditioner AC motor was with zero signal of electrical source compensation control technology, when missing zero signal of electrical source, the AC motor will keep stable operate so as to avoid fan shaking.

Zero of electrical source; Compensate control

圖4 具有過零補償功能的控制方法流程圖

圖5 增加過零補償功能后的波形圖