作者：曹健安，張中煒，朱曉鋒，馮宇晟
無(wú)刷直流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、功率因數(shù)高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，低噪音等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的研究和應(yīng)用越來(lái)越受到人們的重視，隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排的重視。越來(lái)越多的空調(diào)廠商把無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用在變頻空調(diào)壓縮機(jī)中。在傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(hào)，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(jī)械裝置獲得。在空調(diào)壓縮機(jī)中，由于制冷劑的強(qiáng)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(wú)位置傳感器的控制方法，成為無(wú)刷直流電機(jī)控制器研究的熱點(diǎn)之一。文中采用ST公司近年來(lái)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(cè)方案，具有較高的性價(jià)比，實(shí)現(xiàn)了變頻空調(diào)控制器的設(shè)計(jì)。
1 意法半導(dǎo)體STM8S208RB單片機(jī)簡(jiǎn)介
STM8S208RB是意法半導(dǎo)體一種高性能內(nèi)核的單片機(jī)，具有增強(qiáng)的Harvard＆CISC架構(gòu)，運(yùn)行速度高，處理能力強(qiáng)，具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，便于使用和模塊化設(shè)計(jì)，被廣泛應(yīng)用于無(wú)刷直流電機(jī)的控制。該單片機(jī)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(jí)流水線結(jié)構(gòu)，在24 M晶振頻率工作時(shí)，可達(dá)20 MIPS。2)程序存儲(chǔ)器：最多128 K字節(jié)Flash；10 K次擦寫(xiě)后在55℃環(huán)境下數(shù)據(jù)可保存20年。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：多達(dá)2 K字節(jié)可擦寫(xiě)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)eeprom，可達(dá)30萬(wàn)次擦寫(xiě)；RAM：多大6 K字節(jié)；3)定時(shí)器：2個(gè)16位通用定時(shí)器，1個(gè)16位高級(jí)控制定時(shí)器，帶4個(gè)CAPCOM通道，3個(gè)互補(bǔ)輸出，死區(qū)插入和靈活的同步功能。4)可達(dá)16個(gè)通道的10位A／D轉(zhuǎn)換器，最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為2．33μs。
2 無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制技術(shù)
2．1 空調(diào)壓縮機(jī)及無(wú)刷直流電機(jī)的組成結(jié)構(gòu)
在使用無(wú)刷直流電機(jī)的空調(diào)壓縮機(jī)系統(tǒng)中，主要由壓縮機(jī)、電機(jī)和控制器3個(gè)部件分組成。無(wú)刷直流電機(jī)的電機(jī)本體類似于永磁同步電機(jī)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(wú)刷直流電機(jī)的重量、簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)、提高了性能，相比普通直流電機(jī)，它去掉了由換向器和電刷組成的機(jī)械接觸結(jié)構(gòu)，采用電子開(kāi)關(guān)換向裝置，使其可靠性得以提高。當(dāng)無(wú)刷直流電機(jī)定子繞組的某一相通以電流時(shí)，該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永久磁鋼產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)電路中的功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通次序產(chǎn)生的磁場(chǎng)是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，從而起到了機(jī)械換向器的換向作用。
2．2 無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型
無(wú)刷直流電機(jī)在理想情況下具有平頂寬度120°的梯形波反電動(dòng)勢(shì)，電機(jī)通過(guò)電子開(kāi)關(guān)輸出方波電壓或電流，并與電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。目前所使用的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)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(duì)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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。假設(shè)無(wú)刷直流電機(jī)三相繞組對(duì)稱，則三相電壓方程可以表示為：
式中Ua，Ub，Uc電機(jī)三相繞組對(duì)地電壓(端電壓)；ia，ib，ic電機(jī)三相繞組電流；Ea，Eb，Ec，電機(jī)三相繞組反電動(dòng)式；Ra，Rb，Rc電機(jī)三相繞組電阻；La，Lb，Lc電機(jī)三相繞組的自感；Un為中性點(diǎn)對(duì)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(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)技術(shù)
永磁無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)行需要檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)換相，在空調(diào)壓縮機(jī)系統(tǒng)中，通常使用無(wú)位置傳感器技術(shù)。無(wú)位置傳感器的方法有反電勢(shì)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(cè)方法均有各自的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)，需要根據(jù)具體情況綜合其優(yōu)缺點(diǎn)提出合理的方案。針對(duì)空調(diào)壓縮機(jī)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)對(duì)可靠性、穩(wěn)定性的要求較高、對(duì)精確性要求較低的特點(diǎn)，在本系統(tǒng)中使用檢測(cè)反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)方法進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置信息檢測(cè)。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(kāi)關(guān)管斬波，而另一導(dǎo)通相下橋臂開(kāi)關(guān)管常通。
設(shè)電機(jī)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(kāi)通時(shí)過(guò)零檢測(cè)法
在PWM“ON”狀態(tài)，T1、T4導(dǎo)通，如圖2所示，三相端電壓表達(dá)式如下：
根據(jù)以上公式，知道在PWM“ON”時(shí)只要檢測(cè)到C相端電壓等于Ud／2時(shí)，就是C相的過(guò)零點(diǎn)。
2)PWM關(guān)斷時(shí)過(guò)零檢測(cè)法
在PWM關(guān)斷狀態(tài)，T1關(guān)斷，T4導(dǎo)通，此時(shí)電流流過(guò)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(shí)中性點(diǎn)電壓Un=0；C相反電動(dòng)勢(shì)為Ec=Uc；根據(jù)以上公式，知道在PWM“OFF”時(shí)檢測(cè)到C相端電壓為0時(shí)，就是C相的過(guò)零點(diǎn)。圖4為PWM“OFF”和PWM“ON”情況下的端電壓和過(guò)零點(diǎn)實(shí)測(cè)圖。
2．4 快速退磁技術(shù)
為正確檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零信號(hào)，必須在檢測(cè)之前確保斷電相電流盡快衰減，即斷電相退磁。當(dāng)控制無(wú)刷直流電機(jī)換相時(shí)，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(wú)法進(jìn)行反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)。所以必須加速退磁過(guò)程，保證電機(jī)穩(wěn)定性。斷電相續(xù)流過(guò)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(shí)刻給關(guān)斷相施加反向電壓，則能加速退磁過(guò)程，具體過(guò)程可參考文獻(xiàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用加速退磁技術(shù)后大大縮短了退磁時(shí)間，提高了反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，增強(qiáng)了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。采用加速退磁技術(shù)前后的無(wú)刷直流電機(jī)三相端電壓和過(guò)零點(diǎn)實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示。
3 硬件設(shè)計(jì)
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(dòng)電路、過(guò)流差分放大電路、過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)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(dòng)電路
驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示，IR2101是IR公司生產(chǎn)的一款高性價(jià)比驅(qū)動(dòng)器，使用方法非常簡(jiǎn)單，性價(jià)比高，能輸出100-210 mA電流。IR2101驅(qū)動(dòng)器可驅(qū)動(dòng)一組功率管，整個(gè)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(guò)流反饋與過(guò)流保護(hù)電路
電流反饋與過(guò)流保護(hù)監(jiān)測(cè)電路如圖7所示。母線上的電流通過(guò)2毫歐，并通過(guò)1 mV358進(jìn)行差分放大，通過(guò)一階濾波后輸人給STM8S的片內(nèi)AD采樣輸入端；并同時(shí)將此電流信號(hào)連接到比較器Im2903，用于電機(jī)過(guò)流保護(hù)檢測(cè)，當(dāng)母線電流過(guò)大設(shè)定的過(guò)流保護(hù)閾值時(shí)，微處理器進(jìn)入過(guò)流保護(hù)狀態(tài)。
3．3 過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路
過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路如下圖所示，圖8為U相過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路，其中PHASE_U連接電機(jī)的U相，Z_MS_U為單片機(jī)的GPIO控制信號(hào)，ZDtet_U連接STM8S的AD口，三極管Q31起到對(duì)AD口過(guò)壓保護(hù)和射極跟隨的作用，提高輸入阻抗。R91和D20起到對(duì)三極管基極加速放電的作用，當(dāng)PWM“ON”時(shí)，Z_MS_U為低電平，R92，R93和R89構(gòu)成分壓電路，當(dāng)PWM“OFF”時(shí)，Z_MS_U為高阻抗，R89不起作用，電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)直接通過(guò)Q31進(jìn)入AD采樣端。
4 實(shí)驗(yàn)環(huán)境
一套完整的48 V空調(diào)壓縮機(jī)系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)如圖9所示；系統(tǒng)的供電電壓為48 V，無(wú)刷直流電機(jī)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(guò)采用H-PWM-L-ON調(diào)制方式，利用快速退磁技術(shù)完成了無(wú)刷直流電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和無(wú)失步換相的目標(biāo)。并通過(guò)三段式起動(dòng)方式，完成無(wú)刷直流電機(jī)靜態(tài)時(shí)的起動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了反電勢(shì)檢測(cè)法在無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所使用的過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)方法在壓縮機(jī)負(fù)載下能夠很好地工作。