摘要：介紹了無刷直流電動機(jī)的基本工作原理，設(shè)計(jì)了一種基于STM8S208RB的48V空調(diào)壓縮機(jī)控制器，采用上橋臂開關(guān)管斬渡，另一相下橋臂開關(guān)管常通的PWM調(diào)制方式，通過單片機(jī)內(nèi)部AD對電機(jī)的不通電相的反電動勢采樣，獲得了兩種PWM情況下反電動勢的過零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了空調(diào)用無刷直流電機(jī)的無位置傳感器控制技術(shù)，然后對其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，給出了實(shí)驗(yàn)波形，結(jié)果表明該控制器能有效地實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)和啟動失敗造成的堵轉(zhuǎn)過流保護(hù)，其低成本、高可靠性很好地滿足了空調(diào)壓縮機(jī)的控制要求。

　　無刷直流電機(jī)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(diǎn)。近年來，永磁無刷直流電動機(jī)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(jī)應(yīng)用在變頻空調(diào)壓縮機(jī)中。在傳統(tǒng)的無刷直流電機(jī)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(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，低成本的無位置傳感器的控制方法，成為無刷直流電機(jī)控制器研究的熱點(diǎn)之一。文中采用ST公司近年來推出的低成本、高性能的STM8S208RB微處理器作為控制，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(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級流水線結(jié)構(gòu)，在24 M晶振頻率工作時，可達(dá)20 MIPS.2）程序存儲器：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(dá)2 K字節(jié)可擦寫數(shù)據(jù)存儲區(qū)eeprom,可達(dá)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位控制定時器，帶4個CAPCOM通道，3個互補(bǔ)輸出，死區(qū)插入和靈活的同步功能。4）可達(dá)16個通道的10位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間為2.33μs.

　　2 無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)

　　2.1 空調(diào)壓縮機(jī)及無刷直流電機(jī)的組成結(jié)構(gòu)

　　在使用無刷直流電機(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個部件分組成。無刷直流電機(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，大大減小了無刷直流電機(jī)的重量、簡化了結(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)，采用電子開關(guān)換向裝置，使其可靠性得以提高。當(dāng)無刷直流電機(jī)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(jī)械換向器的換向作用。

　　2.2 無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

　　無刷直流電機(jī)在理想情況下具有平頂寬度120°的梯形波反電動勢，電機(jī)通過電子開關(guān)輸出方波電壓或電流，并與電機(jī)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。目前所使用的無刷直流電動機(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。

圖1 三相逆變橋電路

　　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(jī)。假設(shè)無刷直流電機(jī)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(jī)三相繞組對地電壓（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(jī)的運(yùn)行需要檢測轉(zhuǎn)子位置信號來實(shí)現(xiàn)換相，在空調(diào)壓縮機(jī)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(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。針對空調(diào)壓縮機(jī)對無刷直流電機(jī)對可靠性、穩(wěn)定性的要求較高、對性要求較低的特點(diǎn)，在本系統(tǒng)中使用檢測反電勢過零點(diǎn)方法進(jìn)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(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。

圖2 上橋臂PWM"ON"時過零點(diǎn)采樣時刻

圖3 上橋臂PWM"OFF"時過零點(diǎn)采樣時刻

　　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(dá)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(diǎn)。

　　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        （9）

　　此時中性點(diǎn)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(diǎn)。圖4為PWM"OFF"和PWM"ON"情況下的端電壓和過零點(diǎn)實(shí)測圖。

圖4 PWM"OFF"和PWM"ON"過零點(diǎn)實(shí)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(jī)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(jìn)行反電動勢過零檢測。所以必須加速退磁過程，保證電機(jī)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(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間，提高了反電動勢過零信號檢測的準(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)前后的無刷直流電機(jī)三相端電壓和過零點(diǎn)實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示。

圖5 加速退磁三相端電壓和過零點(diǎn)實(shí)驗(yàn)波形

　　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)動電路、過流差分放大電路、過零點(diǎn)檢測電路等（限于篇幅省略STM8S208RB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。

圖6 驅(qū)動電路

　　3.2 過流反饋與過流保護(hù)電路

　　電流反饋與過流保護(hù)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(jìn)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(jī)過流保護(hù)檢測，當(dāng)母線電流過大設(shè)定的過流保護(hù)閾值時，微處理器進(jìn)入過流保護(hù)狀態(tài)。

圖7 電流反饋與過流保護(hù)監(jiān)測電路

　　3.3 過零點(diǎn)檢測電路

　　過零點(diǎn)檢測電路如下圖所示，圖8為U相過零點(diǎn)檢測電路，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，ZDtet_U連接STM8S的AD口，三極管Q31起到對AD口過壓保護(hù)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(jī)反電動勢信號直接通過Q31進(jìn)入AD采樣端。

圖8 過零點(diǎn)檢測電路

　　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(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°）。

圖9 實(shí)驗(yàn)測試平臺

表1 實(shí)驗(yàn)壓縮機(jī)電機(jī)參數(shù)

　　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(jī)的穩(wěn)定運(yùn)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(jī)靜態(tài)時的起動，實(shí)現(xiàn)了反電勢檢測法在無位置傳感器無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所使用的過零點(diǎn)檢測方法在壓縮機(jī)負(fù)載下能夠很好地工作。

參考文獻(xiàn):

[1]. IR2101 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/IR2101_406905.html.
[2]. D20 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/D20_1092219.html.