摘要：針對直流變頻空調(diào)壓縮機的控制需求，設(shè)計了以dsPIc30F4011為核心的室外壓縮機因無刷直流電動機控制器，給出了硬件設(shè)計框圖，重點介紹了反電勢積分法和升頻升壓法在壓縮機電機控制中的應(yīng)用。實驗結(jié)果表明，控制器設(shè)計合理，能夠滿足實用要求。
關(guān)鍵詞：dsPIc30F4011；反電勢積分；升頻升壓；壓縮機；無刷直流電動機
0 引 言
在空調(diào)制冷行業(yè)，基于無刷直流電機(BLD-cM)技術(shù)的直流變頻空調(diào)器的節(jié)能效果十分突出，工作效率比交流變頻空調(diào)器高10％～30％，運行噪聲低5 dB一10flB。因此，直流變頻空調(diào)器已成為未來空調(diào)器的主要發(fā)展趨勢，具有廣闊的市場前景。空調(diào)器的核心是壓縮機，而壓縮機的動力是驅(qū)動電機，因此壓縮機電機的運行狀態(tài)、效率、噪聲等對整個空調(diào)器的性能具有決定性影響。
本文以永磁BLDcM為被控對象，以dsPIc30F4011芯片為核心微處理器、采用反電勢積分法的無位置傳感器控制方案和升頻升壓法起動技術(shù)，設(shè)計了一套用于變頻壓縮機的電控系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，壓縮機電機的運行狀態(tài)良好，可滿足空調(diào)器的使用要求。
1控制器硬件設(shè)計
變頻壓縮機用的無位置傳感器無刷直流電機實質(zhì)上是一臺由永磁同步電機、電子開關(guān)電路及轉(zhuǎn)子位置檢測器組成的控制系統(tǒng)。
而壓縮機采用無刷直流電機結(jié)構(gòu)時，要求采用無位置傳感器方式工作，以滿足使用環(huán)境的要求。
無位置傳感器控制技術(shù)的核心是間接獲得可靠的轉(zhuǎn)子位置信號，控制功率器件的開通與關(guān)斷，實現(xiàn)無刷直流電機的換相控制。近年來，國內(nèi)外出現(xiàn)了很多轉(zhuǎn)子位置檢測方法。其中反電勢積分法降低了檢測電路對開關(guān)噪聲的敏感性，能夠方便地實現(xiàn)電流超前換相控制，使逆變器換相時間能夠跟隨轉(zhuǎn)速變化，進行自動調(diào)整。本文采用反電勢積分法實現(xiàn)壓縮機電機的無位置傳感器控制。
專用嵌入式DsP控制器運用于壓縮機的控制時，能夠?qū)崿F(xiàn)電控系統(tǒng)體積緊湊、成本低、實時性能好、工程化應(yīng)用效果好等諸多優(yōu)點。本文控制系統(tǒng)以dsPIc30F401 1為核心微處理器。該處理器是16位電機控制專用定點數(shù)字信號控制芯片，具有抗電磁干擾能力強、外設(shè)多和存儲器容量大等優(yōu)點。dspPIc30F401l具有以下特點：集成了高速DSP運算單元，****工作速度可達30 MIPS；48 k的ROM／FLASH，2 k字節(jié)的RAM和l k字節(jié)的EEPROM；集成多個16位定時器，并可組合成32位定時器工作；集成了SPI接口、12C總線接口和可尋址通用串行總線收發(fā)器；集成了光電編碼器接口和9通道lO位A／D轉(zhuǎn)換器、電機控制PWM模塊，滿足不同種類電機的控制需求。
圖l是變頻壓縮機控制系統(tǒng)原理框圖。交流電源經(jīng)過整流濾波后產(chǎn)生300 V直流電源作為系統(tǒng)電源。dsPIC3017401 產(chǎn)生的PwM調(diào)制信號經(jīng)驅(qū)動放大電路輸入到逆變器，控制各個功率管的開關(guān)狀態(tài)，實現(xiàn)對電機繞組的換相控制。dspic30F401l根據(jù)反電勢檢測電路對轉(zhuǎn)子的位置檢測信息，作為壓縮機換相控制依據(jù)，實現(xiàn)換相控制。電壓檢測電路實時監(jiān)測直流母線電壓，當(dāng)電網(wǎng)電壓過低或過高時，關(guān)閉PWM輸出，防止損壞控制器和壓縮機，并防止壓縮機在起動過程中出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)。電流傳感器檢測系統(tǒng)工作電流，不僅起到過流保護作用，還能實現(xiàn)系統(tǒng)的電流閉環(huán)控制。串行通訊電路用來實現(xiàn)dsPIc30F401l與Pc機之間的通信，方便系統(tǒng)調(diào)試，并可擴展實現(xiàn)與空調(diào)室內(nèi)機控制器的信息傳遞。
2控制器關(guān)鍵技術(shù)
2．1轉(zhuǎn)子位置檢測
本文采用反電勢積分法檢測轉(zhuǎn)子位置信號。
圖2為反電勢積分過零比較電路的原理圖。Uaubuc是直流電機的三相繞組反電勢輸入電壓。
R1與R2、R3與R4、R5與R6分別構(gòu)成了繞組反電勢信號的分壓電路，C1、c2和c3并聯(lián)在分壓電阻的兩端，起到一定的濾波作用。以A相反電勢信號為例，經(jīng)過分壓后通過由運算放大器和R7、R8、R9以及c4構(gòu)成的積分器實現(xiàn)相位90°電角度延遲功能。積分器輸出信號再與零電壓進行比較，其輸出信號就代表了轉(zhuǎn)子的位置換相信息。設(shè)置比較器工作在滯回比較方式，利用滯回電壓差來消除過零點附近的干擾信號所可能誘發(fā)的錯誤輸出信號。
由于電容在不同輸入頻率下表現(xiàn)出的阻抗不同，因此對于同等幅值、不同頻率的繞組反電勢信號，會產(chǎn)生不同程度的相位偏移。為此，需要求出圖2所示電路的相頻特性，獲得不同轉(zhuǎn)速下反電勢檢測電路的相位偏移角，作成一張表格存放在微控制器的存儲器中。微控制器依據(jù)計算轉(zhuǎn)速查找表格，實現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速的相位補償。
2．2外同步開環(huán)起動
當(dāng)壓縮機靜止或者轉(zhuǎn)速較低時，繞組的反電勢信號幅度較低，無法準確可靠地進行檢測，必須采用其它方法。升頻升壓法能在一定速度范圍內(nèi)使無刷直流電機實現(xiàn)空載、半載以及帶一定負載慣量情況下可靠起動，無反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，能夠滿足大多數(shù)場合的應(yīng)用要求。本文采用升頻升壓起動技術(shù)。圖3為升頻升壓法轉(zhuǎn)速變化示意圖。
起動時，首先給壓縮機提供一個確定的通電狀態(tài)并維持一定的時間，定子繞組產(chǎn)生的合成磁勢吸引轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到與之垂直的位置，從而能夠獲得一個準確的轉(zhuǎn)子位置。這就是轉(zhuǎn)子的預(yù)定位，如 圖3中的曲線l所示。之后，依據(jù)旋轉(zhuǎn)方向的要求，依次改變功率管的觸發(fā)導(dǎo)通順序，使逆變器的換相頻率逐漸增加，與此同時逐步提高PwM驅(qū)動信號的占空比，使無刷直流電機的定子電壓逐步升高，從而使電機逐漸加速。當(dāng)壓縮機的轉(zhuǎn)速升高到某一定值后，繞組反電勢檢測電路能夠獲得比較可靠穩(wěn)定的輸出，升速過程結(jié)束，如圖3中的曲線2所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速達到某一設(shè)定值后，開始檢測外同步信號與反電勢檢測信號之間的相位差，當(dāng)該相位差6連續(xù)多次小于等于某一閾值△時，由軟件完成切換工作。切換過程示意圖如圖4所示。
在切換過程中，需要多次連續(xù)檢測相位差ζ均小于閾值，才能切換。如果切換時誤差6過大，會導(dǎo)致切換失敗，電機失步停轉(zhuǎn)甚至損壞。外同步信號與自動步信號切換的閾值相位差△的大小，取決于電機電壓、負載和電流等因素，需要根據(jù)系統(tǒng)進行綜合考慮。
3實驗結(jié)果
壓縮機電機樣機參數(shù)如下：極對數(shù)為2，額定轉(zhuǎn)速8 000 r／min工作電壓300 V，繞組相電阻21．35 n，繞組相電感0．56 mH。JsPLC30F401l采集到反電勢檢測電路的輸出后，根據(jù)計算轉(zhuǎn)速進行相位補償，由補償后的信號控制電機換相。換相信號與PwM驅(qū)動信號、繞組工作相電流之間的測試曲線如圖5所示，可見補償后的信號能夠使壓縮機電機在無位置傳感器條件下正常工作。
當(dāng)壓縮機轉(zhuǎn)速很低時，無法使用反電勢積分法實現(xiàn)可靠換相，因此必須采用其它方法使之順利起動并加速。本文采用了升頻升壓法實現(xiàn)這一功能。壓縮機起動過程測試曲線如圖6所示。初始起動轉(zhuǎn)速為120 r／min，經(jīng)不斷地測試，壓縮機轉(zhuǎn)速達到300 r／min時已經(jīng)能夠順利實現(xiàn)狀態(tài)切換。
而一般壓縮機的****轉(zhuǎn)速為800 r／min，拓寬了轉(zhuǎn)速范圍。圖中外同步開環(huán)加速階段電機的工作電流較大，電機發(fā)熱現(xiàn)象嚴重，這是因為定子／轉(zhuǎn)子磁場沒有相互配合造成的。
實驗結(jié)果顯示，本文所討論的壓縮機控制器實現(xiàn)簡單，成本低，可控性好，可靠性高，直流變頻壓縮機的轉(zhuǎn)速控制范圍為300 r／min一10 000 r／min，能夠滿足空調(diào)器的工作要求，可以應(yīng)用于直流變頻空調(diào)產(chǎn)品的開發(fā)，具有較好的產(chǎn)業(yè)化前景。
參考文獻
[1]黃躍進，徐鳴，沈希，等基于直流變頻技術(shù)的壓縮機控制器設(shè)計[J]．壓縮機技術(shù)，2005，(5)：20-23．[2]宋海龍，楊明，范宇，等無刷直流電機的無位置傳感器控制[J]．電機與控制學(xué)報，2002，6(3)：208_212．[3]汪輝．嵌入式芯片DsP在直流變頻空調(diào)中的應(yīng)用[J]．集成電路應(yīng)用，2004，8：3203．[4]吳筱輝，程小化，劉杰．反電勢法檢測轉(zhuǎn)子位置的無刷直流電機起動方法[J]微電機，2005，38(4)：79-81作者簡介：孫民(1971一)，男，歧山人，博士研究生，從事制冷系統(tǒng)設(shè)計及控制技術(shù)研究。
李聲晉(1964一)，男，教授，博導(dǎo)，研究方向為伺服系統(tǒng)設(shè)計及數(shù)字控制技術(shù)、運動載體電氣傳動研究。
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