维普资讯 http://www.cqvip.com 自动化与仪器仪表 ＺＩＤＯＮＧＨＵＡ ＹＵ ＹＩＱＩ ＹＩＢＩＡＯ 文章编号：１００１—９２２７（２００５）０５—００５８—０３ ２００５年第５期（总第１２１期） 变频空调中的无传感器无刷直流电机控制系统 牛百齐 （济宁职业技术学院 山东济宁，２７２０３７） 摘要：介绍了变频空调采用无传感器无刷直流电机作为压缩机的优越性，反电势检测的基本原理 以及起动方法，变频空调中压缩机控制部分软、硬件的结构和实现方法。 关键词：无刷直流电机；变频空调；反电势法 ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｕｓｉｎｇ ｓｅｎｓｏｒ—ｌｅｓｓ ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ ｍｏｔｏｒ ｉｎ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎ— ｖｅｒｓｉｎｇ ａｉｒ—ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｂａｃｋ ＥＭＦ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔａｒｔ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｎｄ ｓａｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ｃｏｎ— ｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ａｒｅ ａｌｏ ｐｒｓｅｓｅｎｔｅｄ ｐａｒｔｉｃｕｌｒｌａｙ． ＫＥ’ ＲＤＳ：Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ ｍｏｔｏｒ；Ｆｕｚｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｇｎ ａｉｒ—ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ；Ｂａｃｋ ＥＭＦ ｍｅｔｈｏｄ 中图分类号： Ｉ’Ｍ３３ 文献标识码：Ｂ 方法要求绕组有中心线引出。 １．３“三段式”起动技术 由于永磁无刷直流电动机在静止或低速时反电势 为零或很小，无法用来判断转子位置，因此“反电势法” 需要采用特殊的起动技术。通常是按他控式同步电动 机的运行状态从静止开始加速，直至转速足够大，再切 换至无刷直流电动机运行方式：这个过程称为“三段 式”起动技术，包括“转子定位”、“加速”和“切换”三个 阶段。 ２变频空调中无刷直流电机控制系统 ２．１ 系统框图及硬件组成 ０引 言 无刷直流电机既有交流电机的结构简单、运行可 靠、维护方便的优点，又具有直流电机的运行效率高， 无励磁损耗，调速性能好的特点，所以在仪器仪表、化 工、轻纺、医疗仪器和家用电器等领域广泛应用。 目前很多空调生产厂家都已经采用直流无刷电机 作为压缩机驱动电机，它克服了采用异步电机作为压 缩机驱动电机效率与功率因数较低，噪声较大的缺点， 且不受电源频率限制，压缩机的额定转速可以设计得 较高，既可优化压缩机的运行功率．又可减小压缩机的 体积。 ｌ技术特点 １．１无位置传感器 传统的无刷直流电机中有附加的位置传感器，用 以向逆变桥提供必要的换向信号。由于压缩机电机往 往是密封的，连线众多的位置传感器会降低电机运行 的可靠性，并且在空调压缩机中，由于制冷剂的强腐蚀 性，常规的位置传感器很难正常工作。因此，当无刷直 流电动机作为压缩机电机时，采用无位置传感器的控 无位置传感器无刷直流电机控制系统由Ｍｏｔｏｒｏｌａ ＭＣ６８ＨＣ９０８ＭＲ３２单片机控制器、功率和驱动变换电 路、反电势检测电路、保护与检测电路和串行通讯接口 组成，其系统框图如图ｌ所示。 圻接口 ＭＣ６８ＨＣ９０８ＭＲ３２ 【 功牢和 ＰＷＭ模块 【 驱动ｌＵ 【 ｒ 譬矗二ｔ ｌ 电压检蠢ｌ【 喜它检按Ｌ 电流检澳 【 Ｉ １ ｒ’ ｒ １ ｒ ｒ ： ● 制方法具有很多优越性。 各 显示 过零信号 ｌ厕 ｕ １＇ ｌ １．２反电势法检测转子位置 所谓反电势法，简单地说就是测出各相绕组反电 图１系统框图 势的过零时刻并作适当延时，确定永磁无刷直流电动 ｏｒｏｌａ ＭＣ６８ＨＣ９０８ＭＲ３２芯片简介 机的换流时序，保证电机运行在自同步方式。通过检 ２．２ Ｍｏｔ在空调室外机系统的设计中．选用Ｍｏｔｏｒｏｌａ公司的 测绕组的相电压检测反电势的过零点，检测相电压的 Ｍｃ６８Ｈｃ９０８ＭＲ３２芯片。该芯片具有以下主要特征： ３２Ｋ字节的内部程序ＦＬＡＳＨ；７６８字节ＲＡＭ；６通道ｌ２ 收稿日期：２００５一ｏ３—２５ ｌ匕ｒＩ １Ｉ～” …５８ 维普资讯 http://www.cqvip.com 位的ＰＷＭ电机控制模块，可作为３路互补ＰＷＭ信号 输出，或作为６路独立ＰＷＭ信号输出，ＰＷＭ波极性控 制，ＰＷＭ输入软件控制和可编程故障保护，作为互补 输出时可以插入死区时间；ＳＰＩ和ＳＣＩ接口各１个；６通 道ｌ６位的定时器模块，可以分别定义成输入捕捉、输 出比较和ＰＷＭ三种功能，在作为输入捕捉功能时。可 以捕捉上升沿脉冲、下降沿脉冲或两者同时捕捉，此功 能为检测反电势过零点提供了便利；１０通道ｌＯ位ＡＤ 转换器。 ２．３功率和驱动电路 ＩＲＧ４ＢＣ３０ＵＤ自带快恢复续流二极管，在硬开关的状 态下，可以在开关频率８—４０ｋ之间工作。开通时，集 电极和发射极之间的典型压降为１．９５Ｖ；器件表面温度 不超过１００￣Ｃ时，可以１２Ａ的电流连续工作。 驱动电器采用ＩＲ公司的高压浮动栅极驱动电路 ＩＲ２１３５。ＩＲ２１３５为三相桥式驱动电路，输出管脚的最 大输出电流达２００ｍＡ，最大注入电流达４２０ｍＡ；开关时 间为７００ｎｓ，死区时为２００ｎｓ。ＩＲ２１３５既可以三相组合 使用也可以单相单独使用，具有低电压和过电流闭锁 功能，同时具有输入失调保护。ＩＲ２１３５还带有一个运 功率器件采用ＩＲ公司的ＩＧＢＴ—ＩＲＧ４ＢＣ３０ＵＤ。 算放大器。 图２驱动和功率电路 ２．４反电势过零检测部分 电压通过分压、隔直和滤波，与基准电压相比较，得到 无位置传感器无刷直流电机控制系统中，检测转 三相绕组的反电势过零点信号。将过零点信号输入到 子位置的方法主要有：①通过测量得到电机的电流、电 单片机控制器，由软件对此信息进行修正和处理，判断 压，根据电机的基本方程，通过运算得出结果；②构造 转子的位置和速度，决定换相时刻和相应的导通电枢 观测器，估测转子位置，观测器种类有卡尔曼滤波器、 绕组。 非线性观测器、降阶观测器和滑模观测器等；③利用反 ＋１５Ｖ 电势检测的方法。反电势法又可分为端电压法、３次谐 波法、续流二极管电流法和反电势积分法等。在以上 的转子位置检测方法中，反电势法中的端电压法由于 简单可行，目前应用十分广泛。 端电压法的基本思想是检测非导通相绕组的反电 势，并从中得到过零点。因为难以直接测得绕组的反 电势，对于没有中点引出线的Ｙ形连接的无刷直流电 机。从非导通相取得导通相在中点的电压和非导通相 图３低通滤波过零检测电路 反电势叠加电压。在取得的叠加电压中，存在高次谐 波。需通过低通滤波器对其进行滤波。图３为文中采 用的低通滤波和过零点检测电路。 ３电机的起动 图３的低通滤波器包括三部分：①Ｒ０、Ｒ１、Ｃ１组 ３．１ 电机的起动 成分压和阻容滤波电路；②Ｒ２、Ｃ２组成隔直滤波电路； 无位置传感器无刷直流电机的起动是该控制系统 Ｒ３、ｃ３组成阻容滤波电路。基准电压Ｖｒｌｆ为隔直后的 中的难点之一。电机在静止或转速较低时，由于反电 信号经由对称星形连接的电阻网络的中心点电平。端 势为零或较小，无法通过检测反电势的过零点来判定 转子的位置，故需采用一定的起动方法使电机能够运 ５９ 维普资讯 http://www.cqvip.com 转到可以稳定获得反电势过零点的速度 ． 起动方法主要有：①通过机械或其他方法，使电机 从可知的位置起动或在特定的位置停止；②对于凸极 电机，可以采用对特定绕组施加电压，并观测其电流的 （３） 切换：即将电机从外同步方式切换到自同步 方式，当电机的转速达到可以稳定检测反电势过零点 时，就可以按照控制策略切换到自同步状态。 ３．２切换 询问法；③采用如卡尔曼滤波器的方法，通过电流检测 转子位置；④开环起动技术。 开环起动技术现在通常被称为”三段式”起动技 术，即首先对转子进行定位，然后采用外同步的方式， 使电机逐步加速至预定速度，当可以稳定得到反电势 过零点信号时，切换到自同步方式进行。其过程为： （１） 定位：导通预定绕组，并控制电流，使转子转 动到预定位置； （２）加速：按适当的顺序导通绕组，控制电压和 换相时间，使电机转速逐步上升； 毫 ＼ ， 在外同步方式运行时，若施加的电源电压不同，即 使转速保持恒定，反电势也会发生变化，其滤波后的波 形也不同。检出的过零点的位置，会因为这种差异而 偏移，如果偏移过大，会导致外同步向内同步切换失 败。图４ ａ、ｂ和Ｃ分别表示电压较低、适中、较高时经 过上述滤波电路滤波后反电势的波形（转速６００ ｒ／ ｍｉｎ）。图４ ｂ的信号经与基准信号ＶｒＧｆ比较后产生过 零信号，其相位滞后基本与理论值８１．９。相符，图４ ａ与 图４ Ｃ的信号则会产生较大的偏差。 童 巴 薰 ， 工 砉 云】 一ｒ‘ｒ‘ｒ一＇‘ Ｉｒ—ｒＩ一｝一｛－ 囊 ＝＝＝ ＼ ～ 毒 婪一．ＩＬ－ Ｉ．· ‘ＬＩ ·．▲Ｉ 一．．ＪＩ茧Ｉ ．—－ＪＩ 一．－Ｊ一Ｉ ．一－｜－。 ＬＩ—．－●ＩＬＪ － 茎 娄 ＿ ＿ ● ＿ ｌ Ｉ Ｉ Ｉ 时问ｔ／（１Ｏｒｅｓ／格） （ａ）电雎较低 时间ｔ／（１０ｍｓ／格） （ｂ）电上Ｊ三迂ｔＩ１ 图４起动时的反电势波形 时问ｔ／（１Ｏｒｅｓ／格） （ｃ）电压较高 从波形可以看出，电压较低时，反电势波动较大， 在系统调试中也表明，电机的运行很不平稳。起动时， 应该施加稍高的电压；当到达切换速度时，应调整电 压，使经滤波产生的过零信号的相位滞后与理论值差 值最小，避免切换失败。 ３．３软件编制 控制软件中主要部分是电机的调速部分，需控制 电机完成起动和正常运行，当切换完成后，电机的运行 与有位置传感器无刷直流电机相似。切换时，通过软 件调整运行电压，使切换时刻最佳。控制无刷直流电 机起动的软件流程图如图５所示。 ４结语 运用无刷直流电机作为变频空调的压缩机，一般 来讲：效率比常规交流电动机高１０％左右、而且运行平 稳，效率较高，调速方便快捷．调速范围宽广；从人体的 舒适度来说，噪声低，调温迅速，温度变化均匀。 采用本系统控制的无刷直流电机，额定输出功率 为６５０Ｗ，４极，额定转速为３６００ｒ／ｍｉｎ，运行转速范围为 ６００—５７００ｒ／ｍｉｎ。经测试，采用文中的系统硬件、控制 软件和控制方法，可以对该电机实现平滑起动和调速 运行控制，在确保功率器件良好的散热条件下，系统运 行达到预期目标。 ６０ 图５起动软件流程图 参考文献 ｌ 叶金虎．无刷直流电动机［Ｍ］．北京：科学出版社，１９８２ ２沈建新．无传感器无刷直流电机三段式起动技术的深入分析 ［Ｊ］．微特电机，１９９８（５） ３李天阳．无位置传感器无刷直流电动机起动过程研究［Ｊ］．电 力电子技术，１９９８（２）