軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院 衛(wèi)生裝備研究所,天津 300161
無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)在車載冰箱壓縮機(jī)中的應(yīng)用研究
宋振興,吳太虎,孫建軍,鄭捷文,王海濤,盧恒志
軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院 衛(wèi)生裝備研究所,天津 300161
目的本研究根據(jù)車載低溫冰箱的勤務(wù)功能和使用要求,對(duì)壓縮機(jī)選用的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)符合戰(zhàn)技指標(biāo)要求,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制系統(tǒng)。方法通過(guò)詳細(xì)分析“反電勢(shì)法”無(wú)刷直流電機(jī)控制原理,設(shè)計(jì)基于反電動(dòng)勢(shì)法的無(wú)位置傳感無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。電路各組成部分均采用軟硬件抗干擾措施。結(jié)果車載低溫冰箱制冷采用了無(wú)刷直流電機(jī)壓縮機(jī),它體積小、制冷效率高,且克服了傳統(tǒng)壓縮機(jī)防震性能較差的缺陷,可滿足血液冷藏和成分血轉(zhuǎn)運(yùn)的要求,是制冷技術(shù)發(fā)展的新方向。結(jié)論采用無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)制冷技術(shù)研制的車載低溫冰箱可適應(yīng)各種惡劣且復(fù)雜的條件,具有較高的理論意義和實(shí)用價(jià)值??蔀檐婈?duì)?wèi)?zhàn)時(shí)和平時(shí)低溫物品的供應(yīng)提供有力的裝備和物質(zhì)保障。
冰箱壓縮機(jī);無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī);無(wú)位置傳感器;反電勢(shì)法;車載冰箱
近年來(lái),軍隊(duì)醫(yī)療機(jī)構(gòu)在災(zāi)害救援、反恐、維和等非戰(zhàn)爭(zhēng)軍事任務(wù)衛(wèi)勤保障中,對(duì)野外低溫冷鏈儲(chǔ)運(yùn)裝備有迫切的需求。大量的急救藥品、生物制劑、血液等醫(yī)用物資需要低溫儲(chǔ)運(yùn);特別是血液的現(xiàn)場(chǎng)采集冷凍,全血分離出的各血液成分儲(chǔ)運(yùn)時(shí)對(duì)溫度的要求各不相同,如濃縮紅細(xì)胞(CRC)適宜溫度是(4±2)℃、血小板儲(chǔ)存運(yùn)輸溫度為(22±2)℃,且需不停地振蕩;而新鮮冰凍血漿(FFP)需在-20℃以下進(jìn)行保存[1]。這就對(duì)軍隊(duì)的野外低溫冷鏈儲(chǔ)運(yùn)裝備提出了較高要求。目前,軍隊(duì)裝備中的車載冰箱主要有兩種:壓縮機(jī)冰箱和電子制冷冰箱。采用半導(dǎo)體帕爾貼效應(yīng)制冷原理而研制的電子制冷冰箱,具有噪音低、體積小的優(yōu)點(diǎn),但缺點(diǎn)是不能深度制冷、效率太低,冰箱壓縮機(jī)性能系數(shù)(Coefficient of Performance,COP)很低,基本上實(shí)現(xiàn)不了冰箱功能。壓縮機(jī)冰箱在制冷效果上較電子制冷冰箱具有明顯優(yōu)勢(shì),因此車載冰箱的發(fā)展趨勢(shì)主要傾向于壓縮機(jī)冰箱。對(duì)于野外現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援能耗要求高的場(chǎng)合來(lái)說(shuō),研制具有電源適應(yīng)性強(qiáng)、制冷效率高、儲(chǔ)運(yùn)快捷、堅(jiān)固耐用的車載式智能低溫儲(chǔ)運(yùn)箱,對(duì)部隊(duì)野外低溫冷鏈儲(chǔ)運(yùn)保障十分必要。
本文所研究的車載冰箱適用于戰(zhàn)爭(zhēng)或?yàn)?zāi)害救援、反恐、維和等非戰(zhàn)爭(zhēng)軍事任務(wù)衛(wèi)勤保障中醫(yī)用物資的野外低溫儲(chǔ)運(yùn)。車載低溫儲(chǔ)運(yùn)箱具有2~6℃的低溫冷藏和-10℃以下低溫冷凍儲(chǔ)運(yùn)溫控設(shè)計(jì),具備38℃以上環(huán)境溫差制冷性能,完全滿足野外低溫冷鏈儲(chǔ)運(yùn)裝備需要。車載冰箱的基本結(jié)構(gòu)圖,見(jiàn)圖1。它的結(jié)構(gòu)與工作原理與普通應(yīng)用場(chǎng)合中的冰箱是相同的,分為箱體與制冷模塊兩部分。其中制冷模塊由壓縮機(jī)、毛細(xì)管(節(jié)流閥)、干燥閥、蒸發(fā)器、冷凝器等組成。
圖1 車載冰箱的結(jié)構(gòu)組成
車載冰箱的基本原理是通過(guò)控制壓縮機(jī)電機(jī)工作頻率,實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)容量的連續(xù)控制[2]。工作時(shí),車載冰箱根據(jù)箱內(nèi)對(duì)溫度調(diào)節(jié)的需要,自動(dòng)控制器輸出頻率,從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到快速制冷的目的;當(dāng)設(shè)定溫度與箱內(nèi)的實(shí)際溫度相差不大時(shí),壓縮機(jī)以較低速度運(yùn)轉(zhuǎn),相應(yīng)的制冷量較小。因此,直流壓縮機(jī)冰箱具有制冷量連續(xù)調(diào)節(jié)的特點(diǎn),使得箱內(nèi)的溫度波動(dòng)較小。車載冰箱的能效比在很大程度上取決于壓縮機(jī)的運(yùn)行效率[3],即制冷組件的運(yùn)行效率。制冷工作原理:壓縮機(jī)對(duì)蒸發(fā)器返回的氣態(tài)制冷劑進(jìn)行壓縮并排往冷凝器,在蒸發(fā)器中形成低壓低溫環(huán)境,在冷凝器中形成高壓高溫環(huán)境。在冷凝器中散發(fā)制冷劑在制冷回路中吸收熱量,氣態(tài)制冷劑在冷凝器中把熱量散發(fā)到大氣中,而形成液態(tài);液態(tài)制冷劑經(jīng)過(guò)干燥過(guò)濾器,以濾除系統(tǒng)中可能存在的雜質(zhì)或水分;然后進(jìn)入節(jié)流裝置(毛細(xì)管或膨脹閥),該裝置在冷凝器與蒸發(fā)器之間形成巨大的壓差,起到對(duì)制冷劑流造成阻力的效果,制冷劑在通過(guò)節(jié)流裝置時(shí)還是液態(tài),然后進(jìn)入低壓環(huán)境(蒸發(fā)器);在蒸發(fā)器中制冷劑遭遇低壓即轉(zhuǎn)化為氣態(tài),并吸收制冷系統(tǒng)中的熱量,實(shí)現(xiàn)制冷效果,最后返回壓縮機(jī)。
車載冰箱的核心是壓縮機(jī),而壓縮機(jī)的動(dòng)力是驅(qū)動(dòng)電機(jī),因此壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇和控制對(duì)整個(gè)車載冰箱系統(tǒng)性能具有決定性影響。目前主要采用交流異步電動(dòng)機(jī)和無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為變頻冰箱壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。交流異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、成本低,國(guó)內(nèi)大部分民用冰箱都選用交流異步電機(jī)。無(wú)刷直流電機(jī)具有起動(dòng)力矩大、起動(dòng)電流小、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍寬等特點(diǎn)[4]。以上2種電機(jī)各有其優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)車載的需求,車載冰箱要求功耗低、制冷速度快。車載在運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)具有超強(qiáng)的耐振性,在汽車顛簸、振動(dòng)、傾斜的條件下,能良好地保持正常工作狀態(tài)。為此,本研究選擇直流無(wú)刷電機(jī)作為車載冰箱壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。車載冰箱壓縮機(jī)技術(shù)參數(shù),見(jiàn)表1。
表1 車載冰箱壓縮機(jī)技術(shù)參數(shù)
3.1 反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)方法研究
對(duì)于平穩(wěn)運(yùn)行的電機(jī)來(lái)說(shuō),反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)方法是目前應(yīng)用最為廣泛、也是最成熟的方法之一[5]。無(wú)刷直流電機(jī)的定子電樞繞組采用整距集中式繞組,從而可以獲得梯形波反電動(dòng)勢(shì)。其原理是:在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),會(huì)在定子繞組上產(chǎn)生感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì),該反電動(dòng)勢(shì)的相位可以反映電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào),如果忽略電機(jī)電樞反應(yīng),通過(guò)檢測(cè)不導(dǎo)通相反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)就可以獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)。對(duì)于通過(guò)兩兩通電三相6狀態(tài)驅(qū)動(dòng)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō),在任意時(shí)刻三相繞組總有一相處于斷開(kāi)狀態(tài),任一相的反電動(dòng)勢(shì)都在1個(gè)360o電周期內(nèi)有2個(gè)過(guò)零點(diǎn),電樞繞組的下一個(gè)換相點(diǎn)僅落后于每個(gè)過(guò)零點(diǎn)30°電角度,只要能夠檢測(cè)到不導(dǎo)通相的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn),就可以確定繞組的下一個(gè)換相時(shí)刻和電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置,從而可以控制定子繞組的換相,實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。但是,無(wú)刷直流電機(jī)的反電勢(shì)無(wú)法直接被檢測(cè)到,通常通過(guò)檢測(cè)端電壓信號(hào)來(lái)間接檢測(cè)反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)。在利用端電壓檢測(cè)反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的方法中,為了消除高頻信號(hào)帶來(lái)的干擾,通常采用低通濾波器濾除端電壓中的高頻干擾信號(hào)。雖然電壓比較器和三相低通濾波器所組成的電子電路能夠取代傳統(tǒng)的機(jī)械式位置傳感器,但也由此帶來(lái)了位置信號(hào)相移的麻煩。另外,無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在靜止時(shí)不會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì),因此電機(jī)如何順利啟動(dòng)是需要解決的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō),需要采用適當(dāng)?shù)钠饎?dòng)方法是使無(wú)刷電機(jī)先低速運(yùn)行,當(dāng)電機(jī)達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速后再切換到反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)[6]。
本壓縮機(jī)控制器省去了位置傳感器,取而代之以反電勢(shì)檢測(cè),來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)刷壓縮機(jī)電機(jī)的換相控制。通過(guò)單片機(jī)控制6路脈寬調(diào)制(PWM)輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)繞組的電流換相,換相時(shí)刻根據(jù)檢測(cè)到的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻,由專用算法來(lái)確定。采用模數(shù)轉(zhuǎn)化器檢測(cè)反電勢(shì)變化,當(dāng)兩個(gè)繞組通電的情況下,第三個(gè)繞組的電壓經(jīng)歷從變大到繞組直流電壓峰值、再減小到最小值的過(guò)程,形成梯形波。當(dāng)電壓為繞組峰值電壓和最小值的中心值時(shí),表示反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn),此時(shí)控制脈寬調(diào)制輸出換相。這樣周而復(fù)始的換相工作,實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的無(wú)傳感器控制。
3.2 控制系統(tǒng)硬件電路總體方案設(shè)計(jì)
本研究涉及的車載冰箱用壓縮機(jī)的控制沒(méi)有動(dòng)態(tài)特性的要求,而且控制精度要求不高,主要任務(wù)是完成壓縮機(jī)的啟/停、運(yùn)行、調(diào)速等功能。所以采用了較為成熟的反電動(dòng)勢(shì)法來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)刷壓縮機(jī)電機(jī)的換相控制。
無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流壓縮機(jī)控制系統(tǒng)主要由電源、微處理器控制電路、逆變開(kāi)關(guān)電路、開(kāi)關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng)放大電路、檢測(cè)電路和保護(hù)電路等組成??刂葡到y(tǒng)硬件電路總體方案結(jié)構(gòu)框圖,見(jiàn)圖2。
圖2 控制系統(tǒng)硬件電路總體方案結(jié)構(gòu)框圖
控制電路是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的核心,主要完成人機(jī)交互、電機(jī)控制以及對(duì)系統(tǒng)的各種保護(hù)。通過(guò)對(duì)各種單片機(jī)的功能和價(jià)格比較,系統(tǒng)控制電路采用美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的ADMC328 DSP作為主控芯片。該芯片具有結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便、功能強(qiáng)的特點(diǎn)。
從圖2可以看出,車載冰箱控制器采用電流和速度反饋控制技術(shù),在速度反饋中,通過(guò)相電壓檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置,獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速。對(duì)設(shè)定溫度與測(cè)得的溫度進(jìn)行比較,偏差通過(guò)速度調(diào)節(jié)器形成參考電流;在電流反饋中,參考電流與檢測(cè)到的相電流進(jìn)行比較計(jì)算,由電流調(diào)節(jié)器產(chǎn)生不同占空比的PWM波,最后送到逆變開(kāi)關(guān)電路驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī),控制轉(zhuǎn)速、實(shí)現(xiàn)設(shè)定溫度范圍。
根據(jù)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)要求,進(jìn)行了車載冰箱無(wú)刷直流壓縮機(jī)控制系統(tǒng)相應(yīng)軟件部分的設(shè)計(jì)。控制系統(tǒng)的軟件分為主程序、中斷服務(wù)子程序、以及功能服務(wù)子程序等。主要實(shí)現(xiàn)以下功能:① 車載冰箱無(wú)刷直流壓縮機(jī)的起動(dòng)與停機(jī);② 車載冰箱壓縮機(jī)無(wú)刷直流轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)及換相控制;③ 車載冰箱無(wú)刷直流壓縮機(jī)調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)控制;④ 車載冰箱人機(jī)交互操作與顯示等控制。
本文只對(duì)控制系統(tǒng)主程序進(jìn)行分析,其主要任務(wù)有:系統(tǒng)初始化、保護(hù)檢測(cè)、查詢按鍵狀態(tài)進(jìn)入啟/停電機(jī)子程序;在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行電流、反電勢(shì)檢測(cè),換相確定及PWM波形生成管理。主程序流程圖,見(jiàn)圖 3。
控制系統(tǒng)上電后,首先進(jìn)行DSP芯片寄存器和存儲(chǔ)單元的初始化,之后等待壓縮機(jī)電機(jī)起動(dòng)指令的輸入,如果電壓正常并有起動(dòng)信號(hào)輸入,則調(diào)用起動(dòng)子程序, 壓縮機(jī)起動(dòng)完成后,進(jìn)入閉環(huán)調(diào)速環(huán)節(jié)。閉環(huán)調(diào)速部分主要完成電機(jī)無(wú)傳感器運(yùn)行,DSP芯片隨時(shí)讀取冰箱內(nèi)溫度參數(shù),并與設(shè)置參數(shù)進(jìn)行對(duì)比,與設(shè)置值相差較大時(shí),調(diào)用壓縮機(jī)高速運(yùn)行程序,使壓縮機(jī)快速制冷。當(dāng)達(dá)到設(shè)定值后,調(diào)用壓縮機(jī)低速運(yùn)行程序,使壓縮機(jī)低速制冷。冰箱壓縮機(jī)不停機(jī),避免頻繁啟停機(jī)造成能量損耗,實(shí)現(xiàn)了車載冰箱的高效節(jié)能。
5.1 空箱冷凍降溫性能試驗(yàn)
試驗(yàn)方法:將設(shè)備打開(kāi),選擇冷凍模式,每隔5 min采集一次溫度,并記錄。獲取的數(shù)據(jù),見(jiàn)圖4。
圖4 測(cè)試的空箱冷凍性能溫度曲線
由圖4可知,在環(huán)境溫度27℃時(shí),1 h降溫達(dá)27℃,4 h后降溫達(dá)到39℃(此時(shí)室溫19℃),由圖可見(jiàn),研制的車載冰箱及壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的降溫冷凍性能優(yōu)異。
5.2 壓縮機(jī)負(fù)載工作過(guò)程溫度性能試驗(yàn)
采用200 mL的水袋10個(gè),共計(jì)2000 mL水作為模擬負(fù)載,以測(cè)試冰箱中心的上部和下部?jī)山M數(shù)據(jù)(每隔5 min采集1次溫度),見(jiàn)圖5。
圖5 壓縮機(jī)負(fù)載工作和保溫性能溫度趨勢(shì)圖
由圖5(A)、(B)數(shù)據(jù)可看出,車載冰箱在負(fù)載保溫狀態(tài)溫度穩(wěn)定性非常好,溫度幾乎沒(méi)有什么波動(dòng),穩(wěn)定在5℃附近(負(fù)載位5℃冷藏水),化霜期間僅有些微波動(dòng),波動(dòng)范圍≤1℃;另外在壓縮機(jī)關(guān)閉以后箱體的保性能良好,從5℃上升到8℃用了5.5 h,上升到10℃可達(dá)8 h,依據(jù)專業(yè)知識(shí),10℃以下均為有效冷藏范圍,因此1/2滿載儲(chǔ)藏的保溫時(shí)間可達(dá)8 h??傮w效果非常好。
本文研制的車載冰箱樣機(jī)進(jìn)行了各項(xiàng)性能試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明:采用無(wú)傳感器無(wú)刷微型直流壓縮機(jī)制冷,體積緊湊、電機(jī)運(yùn)行溫度高、功耗低、制冷速度快、抗震強(qiáng)、效率高、噪音低、可靠性好。非常適合車載部隊(duì)的使用要求。本研究采用的控制技術(shù)與設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn),希望能夠在車載血液冷鏈裝備中得到廣泛應(yīng)用,保障血液在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的溫度安全,更好地完成戰(zhàn)爭(zhēng)與災(zāi)害醫(yī)學(xué)救援血液保障任務(wù)。
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Study on Applications of Brushless DC Motor with None-Position Sensor in Vehicle Refrigerator Compressor
SONG Zhen-xing, WU Tai-hu, SUN Jian-jun, ZHENG Jie-wen, WANG Hai-tao, LU Heng-zhi
Institute of Medical Equipment, Academy of Military Medical Science, Tianjin 300161, China
ObjectiveBased on the service requirements of vehicle low-temperature refrigerator, this paper puts forward the tactical & technical indexes and control system for the brushless DC motor (BLDCM).MethodsBy detailing the control principle of “back-emf” BLDCM, the control system for back-emf-method-based BLDCM without position sensor is designed, and components of the circuit and the anti-jam measures for software and hardware are introduced.ResultsThe vehicle low-temperature refrigerator with brushless DC compressor is gifted with small volume, high refrigeration efficiency and anti-knock performance, and thus can be used for blood refrigeration and blood components transportation, which means the trend for the development of refrigeration technology.ConclusionThe vehicle low-temperature refrigerator, using BLDCM without position sensor, can adapt itself to the harsh and complicated environment, which is theoretically and practically signifcant for military lowtemperature issue supply at wartime and peacetime.
refrigerator compressor; brushless DC motor; none-position sensor; back emf method; vehicle refrigerator
TM925.21
A
10.3969/j.issn.1674-1633.2013.05.009
1674-1633(2013)05-0028-04
2012-12-17
作者郵箱:song9705@163.com