曹健安，張中煒，朱曉鋒，馮宇晟

（1.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620；2.上海輝度智能系統(tǒng)有限公司 上海 201620）

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[1]，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°C 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°C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[2]為 2.33 μs。

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[3]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[4]。

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。

圖1 三相逆變橋電路Fig.1 Three phase inverter with UVW connected load

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[4]，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[4-5]；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[6]。

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。

圖2 上橋臂PWM“ON”時過零點采樣時刻Fig.2 Sampling time of zero crossing point during PWM“ON”

圖3 上橋臂PWM“OFF”時過零點采樣時刻Fig.3 Sampling time of zero crossing point during PWM “OFF”

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

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。

圖4 PWM“ON”和 PWM“OFF”過零點實測圖Fig.4 Zero crossing point waveform for PWM“ON”and“OFF”

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[7]。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(zhǔn)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）。

圖5 快速退磁三相端電壓波形和過零點信號Fig.5 Three phase voltage and zero crossing point for Fast demagnetization

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[8]。

圖6 驅(qū)動電路Fig.6 Driver circuit of IR2010S

3.2 過流反饋與過流保護電路

電流反饋與過流保護監(jiān)測電路如圖所示。母線上的電流通過2毫歐，并通過l mV358進行差分放大，通過一階濾波后輸入給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lm2903，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

圖7 電流反饋和過流保護電路Fig.7 Current feedback and protection circuit

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。

圖8 過零點檢測電路Fig.8 Zero crossing point detection circuit

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°）。

圖9 實驗測試平臺Fig.9 Air-conditioner compressor experiment platform

表1 實驗壓縮機電機參數(shù)Tab.1 Air-conditioner compressor BLDCM parameters

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。

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