作者：曹健安，張中煒,，朱曉鋒,，馮宇晟

無刷直流電機具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高,、功率因數(shù)高,、轉(zhuǎn)動慣量小，低噪音等優(yōu)點,。近年來,，永磁無刷直流電動機的研究和應(yīng)用越來越受到人們的重視，隨著國家對節(jié)能減排的重視,。越來越多的空調(diào)廠商把無刷直流電動機應(yīng)用在變頻空調(diào)壓縮機中,。在傳統(tǒng)的無刷直流電機驅(qū)動控制系統(tǒng)中，都需要轉(zhuǎn)子位置和速度信息作為反饋信號,，而轉(zhuǎn)子位置,、速度的取得幾乎都是利用光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等精密的機械裝置獲得,。在空調(diào)壓縮機中，由于制冷劑的強腐蝕性,，常規(guī)的位置傳感器很難正常工作,，因此,，研究一種可靠的，低成本的無位置傳感器的控制方法,，成為無刷直流電機控制器研究的熱點之一,。文中采用ST公司近年來推出的低成本、高性能的STM8S208RB微處理器作為控制核心,，采用片內(nèi)AD直接采樣非導(dǎo)通相的端電壓作為檢測方案,，具有較高的性價比，實現(xiàn)了變頻空調(diào)控制器的設(shè)計,。

1 意法半導(dǎo)體STM8S208RB單片機簡介
   
STM8S208RB是意法半導(dǎo)體一種高性能內(nèi)核的單片機,，具有增強的Harvard＆CISC架構(gòu)，運行速度高,，處理能力強,，具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，便于使用和模塊化設(shè)計,，被廣泛應(yīng)用于無刷直流電機的控制,。該單片機具體性能指標(biāo)如下：1)內(nèi)核：2．95～5．5 V的寬工作電壓，-40～+125℃工作環(huán)境溫度,，具有3級流水線結(jié)構(gòu),，在24 M晶振頻率工作時，可達20 MIPS,。2)程序存儲器：最多128 K字節(jié)Flash,；10 K次擦寫后在55℃環(huán)境下數(shù)據(jù)可保存20年。數(shù)據(jù)存儲器：多達2 K字節(jié)可擦寫數(shù)據(jù)存儲區(qū)eeprom,，可達30萬次擦寫,；RAM：多大6 K字節(jié)；3)定時器：2個16位通用定時器,，1個16位高級控制定時器,，帶4個CAPCOM通道，3個互補輸出,，死區(qū)插入和靈活的同步功能,。4)可達16個通道的10位A／D轉(zhuǎn)換器，最小轉(zhuǎn)換時間為2．33μs,。

2 無刷直流電機無位置傳感器控制技術(shù)

2．1 空調(diào)壓縮機及無刷直流電機的組成結(jié)構(gòu)
   
在使用無刷直流電機的空調(diào)壓縮機系統(tǒng)中,，主要由壓縮機、電機和控制器3個部件分組成,。無刷直流電機的電機本體類似于永磁同步電機結(jié)構(gòu),，其定子是電樞，轉(zhuǎn)子是永磁體,，稀土永磁材料的使用,，大大減小了無刷直流電機的重量,、簡化了結(jié)構(gòu)、提高了性能,，相比普通直流電機,，它去掉了由換向器和電刷組成的機械接觸結(jié)構(gòu)，采用電子開關(guān)換向裝置,，使其可靠性得以提高,。當(dāng)無刷直流電機定子繞組的某一相通以電流時，該電流產(chǎn)生的磁場與轉(zhuǎn)子永久磁鋼產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),。驅(qū)動電路中的功率開關(guān)器件的導(dǎo)通次序產(chǎn)生的磁場是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，從而起到了機械換向器的換向作用,。

2．2 無刷直流電機的數(shù)學(xué)模型
   

無刷直流電機在理想情況下具有平頂寬度120°的梯形波反電動勢,，電機通過電子開關(guān)輸出方波電壓或電流，并與電機反電動勢保持適當(dāng)?shù)南辔魂P(guān)系,，從而產(chǎn)生有效電磁轉(zhuǎn)矩,，使電機運轉(zhuǎn)。目前所使用的無刷直流電動機多采用三相星型繞組,，工作在兩兩導(dǎo)通,、三相六狀態(tài)方式下，如圖1所示,。



對于采用繞組Y型聯(lián)結(jié),，三相六狀態(tài)120°兩兩通電方式的永磁無刷直流電動機。假設(shè)無刷直流電機三相繞組對稱,，則三相電壓方程可以表示為：
   
   
式中Ua,，Ub，Uc電機三相繞組對地電壓(端電壓),；ia,，ib，ic電機三相繞組電流,；Ea,，Eb，Ec,，電機三相繞組反電動式,；Ra，Rb,，Rc電機三相繞組電阻,；La，Lb，Lc電機三相繞組的自感,；Un為中性點對地的電壓,；Mab為A相繞組和B相繞組的互感，其他同理,。由假定可知，Ra= Rb=Rc=R,；La=Lb=Lc=Ls,；Mab=Mac=Mba=Mbc=Mca=Mcb=M；ia+ib+ic=0,；如果令L=Ls-M,，代入公式，整理得：
   

2．3 反電動勢過零檢測技術(shù)
   
永磁無刷直流電機的運行需要檢測轉(zhuǎn)子位置信號來實現(xiàn)換相,，在空調(diào)壓縮機系統(tǒng)中,，通常使用無位置傳感器技術(shù)。無位置傳感器的方法有反電勢法,、磁阻法,、磁通鏈變化法、電感法,；上述各種轉(zhuǎn)子位置信息檢測方法均有各自的優(yōu)點及缺點,，需要根據(jù)具體情況綜合其優(yōu)缺點提出合理的方案。針對空調(diào)壓縮機對無刷直流電機對可靠性,、穩(wěn)定性的要求較高,、對精確性要求較低的特點，在本系統(tǒng)中使用檢測反電勢過零點方法進行轉(zhuǎn)子位置信息檢測,。系統(tǒng)采用二二導(dǎo)通,、三相六狀態(tài)導(dǎo)通方式、調(diào)制方式為H-PWM-L-ON即上橋臂開關(guān)管斬波,，而另一導(dǎo)通相下橋臂開關(guān)管常通,。
   
設(shè)電機處于120°導(dǎo)通狀態(tài)：在PWM“ON”狀態(tài)，T1,、T4導(dǎo)通,，如圖2所示；在PWM“OFF”狀態(tài),，T6導(dǎo)通,，T1關(guān)斷，如圖3所示,。




    1)PWM開通時過零檢測法
    在PWM“ON”狀態(tài),，T1、T4導(dǎo)通，如圖2所示,，三相端電壓表達式如下：
   
 根據(jù)以上公式,，知道在PWM“ON”時只要檢測到C相端電壓等于Ud／2時，就是C相的過零點,。
   
2)PWM關(guān)斷時過零檢測法
   
在PWM關(guān)斷狀態(tài),，T1關(guān)斷，T4導(dǎo)通,，此時電流流過T2內(nèi)部的體二極管如圖3所示,，由圖可得
    AB相端電壓Ua=Ub=0       (8)
    C相端電壓Uc=Ec丘        (9)

此時中性點電壓Un=0；C相反電動勢為Ec=Uc,；根據(jù)以上公式,，知道在PWM“OFF”時檢測到C相端電壓為0時，就是C相的過零點,。圖4為PWM“OFF”和PWM“ON”情況下的端電壓和過零點實測圖,。



2．4 快速退磁技術(shù)
   
為正確檢測到反電動勢過零信號，必須在檢測之前確保斷電相電流盡快衰減,，即斷電相退磁,。當(dāng)控制無刷直流電機換相時，由于繞組線圈電感的作用,，斷電相繞組的電流不能馬上衰減到零,，由于反并聯(lián)二極管的續(xù)流作用，該相端電壓被箝位至0 V或者高壓,，因此在退磁期間無法進行反電動勢過零檢測,。所以必須加速退磁過程，保證電機穩(wěn)定性,。斷電相續(xù)流過程可以等效成該相電感與電壓源并聯(lián)并為之充電,，因此如果在換相時刻給關(guān)斷相施加反向電壓，則能加速退磁過程,，具體過程可參考文獻,。實驗發(fā)現(xiàn)，采用加速退磁技術(shù)后大大縮短了退磁時間,，提高了反電動勢過零信號檢測的準確性,，增強了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。采用加速退磁技術(shù)前后的無刷直流電機三相端電壓和過零點實驗波形如圖5所示,。



3 硬件設(shè)計
   
搭建了基于STM8S208RB的變頻空調(diào)控制器的電路,，主要包括電源電路、功率驅(qū)動電路,、過流差分放大電路,、過零點檢測電路等(限于篇幅省略STM8S208RB最小系統(tǒng)圖和電源部分),。

3．1 驅(qū)動電路
   
驅(qū)動電路如圖6所示，IR2101是IR公司生產(chǎn)的一款高性價比驅(qū)動器,，使用方法非常簡單,，性價比高，能輸出100-210 mA電流,。IR2101驅(qū)動器可驅(qū)動一組功率管,，整個功率電路只需3片即可，這樣不但節(jié)約制造成本,，而且還提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,。



3．2 過流反饋與過流保護電路

電流反饋與過流保護監(jiān)測電路如圖7所示。母線上的電流通過2毫歐,，并通過1 mV358進行差分放大，通過一階濾波后輸人給STM8S的片內(nèi)AD采樣輸入端,；并同時將此電流信號連接到比較器Im2903,，用于電機過流保護檢測，當(dāng)母線電流過大設(shè)定的過流保護閾值時,，微處理器進入過流保護狀態(tài),。



3．3 過零點檢測電路

    過零點檢測電路如下圖所示，圖8為U相過零點檢測電路,，其中PHASE_U連接電機的U相,，Z_MS_U為單片機的GPIO控制信號，ZDtet_U連接STM8S的AD口,，三極管Q31起到對AD口過壓保護和射極跟隨的作用,，提高輸入阻抗。R91和D20起到對三極管基極加速放電的作用,，當(dāng)PWM“ON”時,，Z_MS_U為低電平，R92,，R93和R89構(gòu)成分壓電路,，當(dāng)PWM“OFF”時，Z_MS_U為高阻抗,，R89不起作用,，電機反電動勢信號直接通過Q31進入AD采樣端。



4 實驗環(huán)境

    一套完整的48 V空調(diào)壓縮機系統(tǒng)測試平臺如圖9所示,；系統(tǒng)的供電電壓為48 V,，無刷直流電機的額定功率為600 W，額定轉(zhuǎn)速3600轉(zhuǎn)／分鐘,。功率器件采用IR公司的IRFB4310,。VDSS=100 V,，Rds(on)=5．6 mΩ，Id=140 A(Tc=25°),，Id=97 A(Tc=100°),。





5 結(jié)論
   
本系統(tǒng)通過采用H-PWM-L-ON調(diào)制方式，利用快速退磁技術(shù)完成了無刷直流電機的穩(wěn)定運行和無失步換相的目標(biāo),。并通過三段式起動方式,，完成無刷直流電機靜態(tài)時的起動，實現(xiàn)了反電勢檢測法在無位置傳感器無刷直流電動機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用,。實驗結(jié)果表明,，所使用的過零點檢測方法在壓縮機負載下能夠很好地工作。