（机械电子工程专业论文）直流变频制冷压缩机驱动系统的研究与实现.pdf

d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oz h e j i a n g u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r r es e a r c ha n d r e a l i z a t i o no ft h ed l u v e s y s t e mo fd ci n v e r t e rr e f r i g e r a t i n g c o m p r e s s o r c a n d i d a t e ：h a i b i n gw a n g a d v i s o r ：p r o f x is h e n c o l l e g eo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g z h e j i a n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y m a y 2 0 1 0 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名： 导师签名： 上易 1 日期：年月日 日期：矽f 睥6 月f 日 浙江工业大学硕士学位论文 直流变频制冷压缩机驱动系统的研究与实现 摘要 直流变频制冷压缩机采用无传感器无刷直流电动机，具有出色的节能性能，拥有广阔 的市场前景。直流变频制冷压缩机驱动系统的设计要求低成本，高可靠性和运行效率。本 文对其控制技术的不足之处进行改进，设计出一个高性价比的驱动系统。 本文以a t m e g a 8 作为直流变频制冷压缩机驱动系统的控制处理器，采用“反电势过零 点 检测法，深入研究控制策略，使得驱动系统可靠而高效。 论文首先分析了直流变频制冷压缩机电机的控制原理和数学模型，在此基础上，进一 步详细地分析了“反电势过零点”检测法。针对“反电势过零点 检测法所引起的相移和 启动问题，本文在分析其原理之后使用了新的修正方法，使之更加简单实用。 在转速控制方面，本文采用了模糊控制和f u z z y p i d 控制相结合的智能控制算法。在 运行效率方面，从p w m 调制频率和相切换提前电角度两个方面着手，研究对直流变频制 冷压缩机的制冷循环性能系数( c o p ) 的影响。同时，采用连续导通模式( c c m ) 对直流 变频制冷压缩机驱动器进行了有源功率因数校正。 在理论分析的基础上，设计了驱动系统的硬件电路和相应的p c b ，构建了控制软件的 总体框架。 最后搭建了两个实验平台，用来调试和测试驱动系统功能和制冷性能。实验证明：系 统具有较快的响应性能、较高的控制精度，制冷压缩机的c o p 值和驱动器的功率因数得到 了提高，达到了预期的效果。 关键词：直流变频压缩机，无刷直流电动机，反电势，功率因数校正，制冷性能，c o p 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no ft h ed r i v e s y s t e mo fd ci n v e r t e rr e f r i g e r 上t i n g c o m p r e s s o r a b s t r a c t t h ed ci n v e r t e rr e f r i g e r a t i n gc o m p r e s s o rh a ss p l e n d i d p e r f o r m a n c ea n db r o a dm a r k e t p r o s p e c t ，w h i c ha d o p t ss e n s o r l e s sa n db r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) t h ed e s i g no ft h ed i r v e s y s t e mr e q u i r e sl o wc o s t ，h i i g hr e l i a b i l i t ya n dh i g ho p e r a t i n ge f f i c i e n c y t h et h e s i si m p r o v e st h e c o n t r o lt e c h n o l o g yt od e s i g nad r i v es y s t e mw h i c hh a sh i g hc o s tp e r f o r m a n c e t h et h e s i su s e sa t m e g a 8a st h ec o n t r o lp r o c e s s o ro ft h ed r i v es y s t e mo fd ci n v e r t e r r e f r i g e r a t i n gc o m p r e s s o r i ta d o p t st h eb a c k e m fz e r o c r o s s i n gm e t h o da n dm a k e sd e e pr e s e a r c h o nc o n t r o ls t r a t e g y ，m a k i n gt h ed r i v es y s t e mr e l i a b l ea n de f f i c i e n t c o n t r o lp r i n c i p l ea n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fb l d c ma r ef i r s t a n a l y z e d a f t e rt h a t ， b a c k e m fz e r o c r o s s i n gm e t h o di sg i v e ni nd e t a i l an e wa n ds i m p l em e t h o di sp r e s e n t e dt o o v e r c o m et h em a t t e ro fs t a r t u pa n dc o m m u n i c a t i o nw h i c hc a u s e db yb a c k e m fz e r o c r o s s i n g m e t h o d a ni n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rb a s e do nf u z z yc o n t r o la n df u z z y p i dc o n t r o li st a k e nt oc o n t r o l t h es p e e do fc o m p r e s s o r i n f l u e n c eo fr e f r i g e r a t i n gc o m p r e s s o r sc o pi ss t u d i e df r o mt w o a s p e c t sw h i c ha r ep w mm o d u l a t i o nf r e q u e n c ya n dl e a d i n ge l e c t r i c a la n g l eo fc o m m u n i c a t i o n p o w e rf a c t o ro fd ci n v e r t e rr e f r i g e r a t i n gc o m p r e s s o rd r i v e ri sc o r r e c t e d 、析t hc c mm o d e a f t e rt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，c i r c u i ts c h e m a t i cd i a g r a ma n dp c bo ft h ed r i v es y s t e ma r e d e s i g n e d ；m o r eo v e r , g e n e r a lf r a m e w o r ko fc o n t r o ls o f t w a r ei sa l s ob u i l t f i n a l l y ，t w oe x p e r i m e n t a lp l a t f o r m sh a v eb e e nb u i l ti no r d e rt od e b u ga n dt e s tt h es y s t e m f u n c t i o na n dr e f r i g e r a t i o np e r f o r m a n c e t h ee x p e r i m e n tr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h i ss y s t e mh a s9 0 0 d r e s p o n s ep e r f o r m a n c ea n dc o n t r o lp r e c i s i o n ，t h a tr e f r i g e r a t i n gc o m p r e s s o r sc o p a n dd r i v e rp f c a r ei m p r o v e d t h u s ，i ta c h i e v e st h ea n t i c i p a t e de f f e c t k e yw o r d s ：d cc o n v e r t e r c o m p r e s s o r ，r e f r i g e r a t i n gc o m p r e s s o r , b a c k e m f ， i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，p f c ，c o p i i 1 3 1 4 第二章 2 1 2 3 2 4 第三章 3 1 3 2 3 3 第四章 i i i 1 1 1 2 ：； 3 3 4 本课题研究的意义及研究内容。4 本章小结5 直流变频制冷压缩机的数学模型和控制原理6 无刷直流电动机的工作原理一6 2 1 1 无刷直流电动机的转动原理6 2 1 2 无刷直流电动机的位置切换和调速原理7 无刷直流电动机的数学模型1 0 2 2 1 电压方程和状态方程1 0 2 2 2 无刷直流电动机转矩方程及运动特性分析1 2 2 2 3 传递函数1 3 反电势检测法14 2 3 1 反电势检测法原理1 4 2 3 2 反电动势检测法的相移分析1 5 2 3 3 反电势检测法的启动分析1 9 本章小结2 2 直流变频制冷压缩机的控制策略和运行效率研究2 3 直流变频制冷压缩机的控制策略2 3 3 1 1 模糊控制器的设计2 3 3 1 2 f u z z y - p i d 控制器的设计2 6 直流变频制冷压缩机的运行效率研究2 9 3 2 1p w m 调制频率3 0 3 2 2 最佳换相时间3 l 本章小结3 3 变频制冷压缩机驱动系统的设计3 4 i l l 浙江工业大学硕士学位论文 4 1 功率因数校正3 4 4 1 1 有源功率因数校正原理和模式选择3 4 4 1 2 有源功率因数校正的实现3 5 4 2 驱动器硬件的设计3 8 4 2 1 电源的设计3 8 4 2 2 微处理器的选择3 9 4 2 3 驱动电路的设计4 l 4 2 4 保护电路的设计4 2 4 2 5 反电势过零点检测电路的设计4 3 4 2 6 抗干扰措施4 4 4 - 3 驱动器软件的设计4 5 4 3 1 系统软件总体结构j 4 5 4 3 2 控制系统启动过程4 6 4 3 3 p w 调制频率和速度检测4 7 4 3 4 转速控制算法实现5 l 4 4 本章小结5 2 第五章实验设计和分析5 3 5 1 基本运行测试平台5 3 5 1 1 电气控制测试系统5 4 5 1 2 小型制冷系统5 5 5 1 3 测试项目5 6 5 2 压缩机制冷性能测试台5 6 5 3 实验结果分析5 7 5 3 1 驱动波形分析5 7 5 3 2 速度算法分析5 8 5 3 3 功率因数校正分析6 0 5 3 4 c o p 值分析6 2 5 4 本章总结6 4 第六章总结和展望6 5 6 1 总结6 5 6 2 展望后续工作的思路及方向6 5 参考文献6 7 致谢7 1 攻读硕士学位期间发表的论文7 2 i v 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1无刷直流电动机的发展历程及研究现状 1 1 1 无刷直流电动机的发展历程 目前，无刷直流电动机( b r u s h l e s sd cm o t o r , b l d c m ) 的定义可以分为两种：一种是 无刷直流电动机特指梯形波方波无刷直流电动机，而正弦无刷电机被称为永磁同步电机 ( p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r , p m s m ) i l 】；另一种认为梯形波方波和正弦波电动 机统称为无刷直流电动机【2 l 。迄今为止，还没有一个统一的公认的标准定义无刷直流电动 机。本文采用第一种定义方法。 在无刷直流电动机出现之前，有刷直流电动机在自动控制系统中得到广泛运用，但其 电刷和换相器采用机械式的的换向方式，使得电动机存在很多缺点：寿命短，噪声和火花 等。无刷直流电动机采用电子开关元件来取代机械式开关，早在2 0 世纪3 0 年代，就有人研 制采用电子换向的无刷直流电动机，但是由于当时找不到大功率电子器件，所以只停留在 实验室阶段。直n 1 9 5 5 年，美国d h a r r i s o n 和r y e 首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直 流电动机机械电刷的专利，出现了无刷直流电动机的雏形。但由于该电动机尚无起动转矩 及晶体管功耗较大等问题，不能得到产品化。经过人们的反复实践和探索，借助霍尔元件 来实现换向的永磁无刷直流电动机终于在1 9 6 2 年问世，开创了永磁无刷直流电动机的产品 化的新纪元p j 。 标志着无刷直流电动机真正进入实用阶段是从1 9 7 8 年开始的，原西德的m a n n e s m a n n 公司的i n d r a m a t 分部在汉诺威贸易展览会上正式推出m a c 经典无刷直流电动机 及其驱动器。之后，在国际上对无刷直流电动机开展了深入的研究，先后研制成梯形波和 正弦波无刷电动机。无刷直流电动机得到了较充分的发展。并有人预测无刷直流电动机将 逐步取代其它类型的电动机成为传动领域的主导电动机。此外，由于7 0 年代以来，随着永 磁材料、微电子技术、电力电子技术的飞速的发展，许多新型的高性能半导体开关器件， 如g t q ，m o s f e t ，i g b t 等的相继出现，以及高性能的永磁材料钐钴、钴铁硼等的问世，无 刷直流电动机正朝着智能化、高频化和集成化方向发展【4 1 。 2 0 世纪9 0 年代以后，计算机技术和控制技术尤其是控制理论发展十分迅猛，单片机、 数字信号处理( d s p ) 、复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 、现场可编程门阵列( f p g a ) 等 1 浙江工业大学硕士学位论文 微处理器也得到了空前的发展，指令速度和存储空间都有了质的飞跃。一些先进的控制策 略和方法，例如，p i d 控制、神经网络控制、模糊控制、自抗扰控制和自适应控制等引入 无刷直流电动机驱动器【5 刁l ，由微处理器芯片为核心的全数字电路取代原来的模拟电路，简 化了系统的复杂性，使整个无刷直流电动机控制系统的性能大大提高，为其更好地满足新 世纪数字化时代发展的需要开辟了道路。 无刷直流电动机控制技术日趋成熟，使得在许多行业有了广泛应用。在汽车行业，无 刷直流电动机出现在汽车核心驱动、汽车空调、电动车门、安全气囊等驱动上【8 - 9 1 ；在航空 航天领域，用电机驱动设备代替气动和液压传动已成为一种趋势，无刷直流电动机的特特 结构特点和控制方式，使其在航空航天将有更广泛的应用；在家用电器中也广泛被采用， 如节能空调和冰箱采用无刷直流电动机的变频压缩机，v c d 、d v d 、c d 机等主轴驱动电 机；在自动化办公领域，硬盘驱动器、计算机冷却风扇、激光打印机；在工业应用领域， 如机器人驱动、数控车床、数控铣床等驱动上无刷直流电动机都得到了应用【l l 】。 1 1 2 无刷直流电动机的研究现状 当前无刷直流电动机的研究热点主要集中在以下两个方面： 1无位置传感器控制技术 传统的无刷直流电动机带有位置传感器，检测电动机转子的位置，以控制定子绕组的 通电时间长短及顺序，从而实现电动机的同步运行，称为直接位置检测法。位置传感器增 加了系统的成本，同时传感器与电动机的机械连接及传感器和驱动器的电气连接使系统的 可靠性降低。而无位置传感器控制法则利用电动机的某些参数( 如电压或电流) 随转子位 置的变化而变化的关系来获得转子位置信息的方法，也称为转子位置间接检测法。无位置 检测技术的精度比直接位置检测技术略低，但存在一定的技术难度。近年来，国内外均出 现了很多的转子位置信号检测方法。在1 9 8 9 年，l i n 等人利用相电流与定子磁链相位相同的 原理，提出了用相电流来检测转子位置的方法【1 2 】。又如e n u g r u l 等人提出的定子磁链估算法， 通过检查相电压和线电流来计算绕组各相的磁链，在根据磁链来得知转子的位置f 1 3 】。这 个方法虽然误差小，但是计算比较复杂。近年来，还有一些新方法出现，但还是需要增加 一些电流检测元件【14 1 ，目前较为成熟而简单的方法是由i i z u k a 等人提出的反电势法【15 1 。 无位置传感器控制方法还有一个热点和难点是启动方法，目前较为成熟的方法为“三 段式启动 ，分为子定位、加速和切换三个阶段。 2 转矩波动的抑制研究 2 浙江工业大学硕士学位论文 由于齿槽效应、涡流效应、电子换相时绕组电感的存在，会引起转矩波动，因此，抑 制转矩波动是无刷直流电动机研究领域的一项重要内容。针对不同转矩波动的产生原因， 许多学者提出了不同的抑制方法。通过优化电机设计和制造工艺可以有效抑制齿槽效应引 起的转矩波动。通过采用重叠换相的方法、直接转矩法、改变换相时刻、控制母线电流等 方法，可以抑制换相转矩波动【幡1 刀。但这些改善和补偿的方法，并没有从根本上消除转矩 波动。 1 2 制冷压缩机 1 2 1 制冷压缩机的发展 制冷压缩机，又称为制冷剂压缩机，是决定蒸气压缩式制冷( 热泵) 系统能力大小的 关键部件。压缩机在制冷系统中的作用可以描述为：抽吸来自蒸发器的制冷剂蒸气，并提 高其温度和压力后，将它排向冷凝器。在冷凝器中，高压制冷剂过热蒸气在冷凝温度下放 热冷凝。接着通过节流元件，降压后的气液混合物流向蒸发器，在那里制冷剂液体在蒸发 温度下吸热沸腾，变为蒸气以后进入压缩机，从而实现了制冷系统中制冷剂的不断循环流 动。由此可见，压缩机相当于系统中的“心脏，是电力消耗的主要部件，能耗占冰箱空 调总能耗的8 0 - - 8 5 1 1 8 9 1 。 最早的压缩机出现在上世纪7 0 、8 0 年代，采用交流的定速电动机，虽然压缩机机构也 得到改进，但是定速压缩机无法对速度进行调节，频繁的启停降低了时间的运行效率和舒 适性。于是，在8 0 年代末期，日本首先推出了能调速的交流变频压缩机，接着是性能更为 优良的直流变频压缩机口0 1 。 从性能上来说，交流变频压缩机内的异步电机的内部磁通是由外部进入的电流形成 的，而电流流动必定会因电阻等产生损耗；直流变频压缩机内的直流无刷电动机是由永久 磁铁生成内部磁通，不需要外部能量供给，不会产生这一部分的损耗，因此效率比异步电 机高。此外，由于直流变频压缩机不存在定子旋转磁场对转子的电磁感应作用，克服了交 流变频压缩机的电磁噪音，具有比交流变频压缩机噪音低的特点。根据理论和实验证明， 直流变频压缩机效率比交流变频压缩机高1 0 3 0 ，噪音低5 分贝1 0 分贝。但是，直流变 频压缩机的成本要高于交流变频压缩机，控制的难度也高于后者【2 l 】。 1 2 2 直流变频制冷压缩机的控制要求 采用直流变频压缩机的冰箱( 空调) 能够根据温度差值调节压缩机的转速，实现快速 3 浙江工业大学硕士学位论文 制冷和对温度的平稳控制，避免压缩机频繁启停。此外，直流变频压缩机采用低频低压启 动，启动电流较小，减轻了对电网的启动冲击，同时也大大提高了压缩机的寿命1 2 2 1 。 冰箱( 空调) 控制系统的控制对象是温度，而温度的变化是一个相对缓慢的变化过程， 所以对压缩机电机的控制指标要求并不像伺服控制系统那样高，特别是电动机的转速精度 要求比较低，一般在1 h z 范围内波动，也基于此，本文的变频制冷压缩机采用了方波梯 形波驱动的无刷直流电动机，而不是适用于高性能场合的p m s m 。 由于直流变频制冷压缩机是一个封闭体，其内充满了高温高压的制冷剂，无法在压缩 机壳体里面安装位置传感器来检测转子的位置，所以对压缩机电机转子的检测需要使用无 位置传感器技术。 1 2 3 压缩机c o p 值的研究现状 c o p ( c o e f f i c i e n to f p e r f o r m a n c e ) 指的是在一定工况下制冷压缩机的制冷量与所消耗功 率之比【2 3 】。用来评价制冷循环的能耗指标或压缩机的单位功率制冷量。目前研究c o p 值集 中在两方面：一方面是压缩机的结构，包括压缩机的机械结构和压缩机电机两个方面，在 压缩机电机方面，传统的措施有：1 、采用电容运转单相电机；2 、在绕组、冲片上对电机 进行优化设计，或者更换压缩机电机类型，如从早期的交流的定速电动机发展到现在的直 流变频压缩机；另一方面是制冷循环工况，比如研究气阀效率、制冷介质、吸气压力、排 气压力、吸气温度和排气温度等对压缩机的c o p 值会产生什么影响【2 佗引。 1 3 本课题研究的意义及研究内容 随着世界范围内能源危机的到来，特别是由于全球变暖而带来的环境问题已给全人类 敲响了警钟。但作为每个家庭的主要设备，冰箱和空调的使用量仍在逐年增加。为了减小 c 0 2 的排放量，及由此带来的温室效应，国际上先后对家用电器行业实施节能限制法规。 在我国，继2 0 0 3 年后，有关部门又在2 0 0 8 年推出新的家用电冰箱耗电量限定值及能源效 率等级法规，执行新的冰箱能耗标准。根据冰箱厂的研究，压缩机c o p ( c o e f f i c i e n to f p e r f o r m a n c e ) 值的提高对冰箱的节能有直接的正比关系，是冰箱降低耗电量的主要手段。 因此，压缩机的发展方向就是追求更高的c o p 值。直流变频制冷压缩机可以使冰箱整体上 更加的节能，但是对直流变频制冷压缩机驱动器和c o p 值之间的研究却很少。另外，现有 的直流变频制冷压缩机驱动器的功率因数较低，能量利用率低，对电网损害大【2 9 】。因此， 4 浙江工业大学硕士学位论文 需要进一步的完善，研究这个课题有着十分重要的意义。 本文的研究对象是以3 相4 极( 2 对极) 的无刷直流电动机为核心的压缩机，研究的目的是 对直流变频制冷压缩机实现“反电势 无位置传感器的控制，实现功率因数校正，提高驱 动器的效率。因此，本文在以下几个方面作了一些探讨： ( 1 ) 研究分析了无刷直流电动机的本体结构、数学模型及其工作原理，明确各个参 数的物理意义。 ( 2 ) 从理论上研究和分析了无刷直流电动机转子位置的“反电势过零点 检测法， 并分析了反电势的信号的相移，采用了新的相位补偿方法。该法对位置检测电路的无源滤 波的器件进行选择，使得由于滤波电路造成的相位滞后可以忽略，从而省去了软件相位补 偿，提高了系统的稳定性和可靠性。 ( 3 ) 针对目前直流变频压缩机驱动器功率因数低下的情况，采用连续导通模式( c c m ) 对驱动器的功率因数进行了校正。同时，基于“反电势过零点检测法，从控制方法上， 对压缩机的c o p 值进行了研究和提高。 ( 4 ) 最后，建立了试验平台，分别检测驱动系统的功能、功率因数和制冷性能系数。 1 4 本章小结 本章首先概括性地介绍了无刷直流电动机的分类、发展过程及其研究的现状，包括无 位置传感器控制技术和抑制转矩脉动技术。接着介绍7 n 冷压缩机的发展过程、直流变频 制冷压缩机的控制要求及对压缩机的c o p 值的研究现状。最后点明了本文研究的背景和意 义，提出了主要研究内容。 浙江工业大学硕士学位论文 第二章直流变频制冷压缩机的数学模型和控制原理 本文研究的直流变频制冷压缩机电机是3 相4 极( 2 对极) 的无传感器无刷直流电动机，所 以本文阐述的原理和建立的数学模型都采用了无刷直流电动机的特性来分析。 2 1无刷直流电动机的工作原理 2 1 1无刷直流电动机的转动原理 传统的直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要的作用是在电动机气隙中产生磁 场，电枢绕组通电后产生感应磁场。由于电刷的作用，使得这两个磁场的方向在直流电动 机运行的过程中始终保持相互垂直，这样产生的最大转矩去驱动电动机不停地转动。无刷 直流电动机为了实现无刷换向，首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永 久磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电动机的结构刚好相反【3 0 】。为了便于说明其工作原 理，选取了3 相2 极( 单对极) 的无刷直流电动机，如图2 1 所示。 a 图2 - 1 无刷直流电动机原理示意图 b 图2 1 一a 是电动机本体结构，外圈是带电枢绕组定子，最内的方形条块是单极永久磁钢。 6 浙江工业大学硕士学位论文 图2 1 b 是定子y 形绕组和电流导通顺序。y 形绕组方式每次只有两相电流导通，第三相悬 空。电流从u 端流向v 端，w 端悬空，定子产生的磁场使转子固定在图2 1 a 所示位置，定 子的磁场方向和转子磁场方向的夹角为0 。当电流导通方向由状态1 v ) 切换到状态 6 ( u - w ) 时，定子磁场发生逆时针旋转6 0 。，转子也跟着逆时针旋转6 0 。，这样当定子的 电流导通方向按照设定的顺序切换时，对应的状态标号切换为：1 - 6 5 4 3 - 2 - 1 ， 电动机就转动起来。事实上，电动机实际运行时，定子的磁场方向和转子磁场方向的夹角 范围为1 2 0 。- - - 6 0 。，当夹角为9 0 。时，产生最大转矩。 图2 2 最大转矩转子位置图 如图2 2 所示，电动机正常转动，此时u 、v 两相正好导通，转子位置处于最大受力处， 即有最大转矩，转子的转动范围为所标识的6 0 。 2 1 2 无刷直流电动机的位置切换和调速原理 无刷直流电动机的关键是检测转子的位置，然后给相应的定子绕组通电。换相装置由 位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关( 逆变器) 共同构成。无传感器无刷直流电动机 的换相装置则省去了位置传感器。 三相绕组无刷直流电动机主回路有三种基本类型：三相半控电路，三相y 联接全控电 路，三相联接全控电路【3 0 】。本文采用较为常见的y 联接全控电路。三相全控电路运行方 式转矩脉动小，绕组利用率高，因此得到广泛应用。在y 联接全控电路中，采用较简单的 两两导通方式( 也称为1 2 0 。导通方式) 。图2 3 是一种三相全控电路示意图，电动机的定 7 浙江工业大学硕士学位论文 子绕组采用y 形联接。 图2 3 三相全控位置切换示意图 v t l v t 6 为6 只功率管( i g b t ) ，v t l 、3 、5 为共阳极，v t 4 、6 、2 为共阴极。在任 意时刻，上下桥臂各有一个功率管导通，每隔1 6 周期( 6 0 。电角度) 换相一次，每次换相 一个功率管，每个功率管导通1 2 0 。电角度。各功率管的导通顺序依次为v t l v t 6 ，v t l v t 2 ， v t 3 v t 2 ，v t 3 v t 4 ，v t 5 v t 4 ，v t 5 v t 6 ，v t lv t 6 ，对应的状态为1 - 6 - 5 一 4 - 3 - 2 l ， 如图2 4 所示，图中a 部分为理论上的u v w = 相通电波形，b 部分为p w m 调制后的u v w _ 三 相通电波形，c 部分为位置切换状况。 从图2 4 a 中可以看出，当转子位置在6 0 。一9 0 。电角度( 位置) 之间时，处于状态6 ， 功率管从v t l 和v 佗导通时，电流从v t l 管流入u 相绕组，再从w 相绕组流出，经v t 2 管回 到电源，v 相悬空。实际中为了控制电动机的转速，一般采用等宽p w m 脉冲调制方式。脉 冲可以是由单相( u 相或v 相) 产生，也可以由两相( u 相和v 相) 同时产生。但考虑到功率管的 开关寿命等因素，本文采用了单相产生脉冲的方式，即u 相为周期相同占空比相同的矩形 波，矩形波的幅值为母线电压，而w 相接地，如图2 4 b 所示，每一相有l 3 电周期处于 脉冲产生方式。 观察图2 4 b ，当转子从6 0 。电角度( 位置) 转过3 0 。电角度时，第三相( v 相) 的反电 势就会过零，即v 相电压的矩形波幅值到达2 ( 母线电压的一半) ，根据这一原理就可以 判断转子的位置为9 0 。电角度( 位置) 。然后再延时3 0 。电角度，转到1 2 0 。电角度( 位置) 时 功率管换成v 亿v t 3 导通，进入状态5 ，所谓的“反电势过零点 检测法就是基于此原理【3 l j ， 具体将会在下面章节中讲到。 8 实际的 因此转子的 管按顺序依 转子转过一 电角度等于 是实际转速 管导通顺序 圈都需要经 浙江工业大学硕士学位论文 无刷直流电动机调速的基本原理可由公式2 1 来说明： 6 0 f 刀= 二一 p 式中：刀转速( r m i n ) ；厂通电频率( h z ) ；p 极对数； ( 2 1 ) 改变通电频率厂，即改变通电周期t ( 厂和t 成反比例关系) ，就可以实现平滑地无 极调速【3 2 】。 事实上，在负载不变的情况下，转速和输入电动机电压成正向关系，而改变脉冲占空 比就可以改变电动机输入电压。所以只要改变输入脉冲的占空比，转速就会跟着变化，即 改变输入电压的同时改变通电周期去切换6 个功率管的状态，这就是调速的基本原理。 2 2 无刷直流电动机的数学模型 2 2 1 电压方程和状态方程 无刷直流电动机的特征是气隙磁场为非正弦分布，反电势为梯形波。因此，无刷直流 电动机的三相方程不适宜变换为d 、q 方程。若直接利用电动机原有的相变量来建立数学 模型却比较方便，又能获得较准确的结果。在之前假设【3 3 】： ( 1 ) 定子绕组为6 0 。相带整距集中绕组，y 形联接。 ( 2 ) 忽略齿槽效用，绕组均匀分布于光滑定子的内表面。 ( 3 ) 忽略磁路饱和，不计涡流和磁滞损耗。 ( 4 ) 不考虑电枢反应，气隙磁场分布近似为矩形波，平顶宽度为1 2 0 度电角度。 ( 5 ) 转子上没有阻尼绕组，永磁体不起阻尼作用。 则三相绕组的电压平衡方程可以表示为 啦乏斟恻摊 亿2 ， 式中：u 。、u v 、”，三相定子相电压，“。为三相中心点电压； r 。、r ，、r 。三相定子相电阻； i 。、i pf 。三相定子相电流； 。、。、三。三相定子绕组自感； l o o r 0 心o 0 l | i 1j 以纨如 浙江工业大学硕士学位论文 三。、三州、三。、。、。、三。三相定子绕组问互感； e 。、e pp 。三相定子反电势电压； 甜。中性点电压； 尸微分算子，尸：_ d ； a t 对于凸装式转子结构，可以忽略凸极效用，因此定子相绕组的自感为常数，三相绕组 间的互感也为常数，两者都与转子的位置无关。因此有： k = l ，= 三。- - l 三。2 三。2 三。= 三。= 。= l 。= m 三i = 喜三量 兰 + i 夕三三蔓 ， 兰 + 三 + 耋 f 毛 u ( 0 图2 5 等效电路图 由式( 2 5 ) 可得电动机的状态方程为： ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 浙江工业大学硕士学位论文 p 兰 = 1 g 主m v q ；m ，v 。三兰m ) 圣 一 喜昙量 兰 一 兰 一 三i c 2 6 ， 2 2 2 无刷直流电动机转矩方程及运动特性分析 电动机的电磁转矩方程可写为： t ：墨生! 叠丛丛! ( 2 - 7 ) 1 2 一 ， c c ，p 又有各绕组反电势为： e ，= 只n o r a ， ( 2 - 8 ) 式中：只电机极对数；主磁通；国。、q 电机的电角速度和机械角速 度；每相绕组的导体数。 相应的运动方程可写为： t 一无= j 等+ 甄 ( 2 - 9 ) 式中： 电机机械角速度，疋三相绕组产生的合成电磁转矩， 瓦电机负载转矩，电动机转动惯量，b 阻尼系数。 由上式可知，无刷直流电动机的电磁转矩与普通直流电动机相似，大小与磁通和电流 成正比，所以控制全控电路功率管输出的电流即可达到控制电动机转矩的目的。要产生恒 定的转矩，要求电流波形为方波，反电势为梯形波，而且两者要严格的同步。 下面分析无刷直流电动机的运行特性。先定义以下系数： 反电势系数： k 。：旦 ( 2 1 0 ) 倒m 转矩系数： k r = 芋 ( 2 式中：j 矩形波电流的平均值，e 反电势有效值。 对于某个具体的无刷直流电动机，其反电势系数和转矩系数为常数，其大小同电动机 的结构特性、 假设各相 将反电势 式中：u 从以上公 流成正比。无 全一致。只不 想因素的影响 易地改变输出 2 2 3 传递函 为了更清 运行性能，还 两导通方式， 将式( 2 9 ) 根据上述 浙江工业大学硕士学位论文 瓦( j ) 图2 - 6 无刷直流电动机动态结构图 由于电动机在运行过程中，绕组的自感l 、互感m ，阻尼系数b 和转动惯量j 等电机参 数是随着系统环境和负载情况的变化而变化的，所以用常规的p i d 控制器很难达到很好的 控制效梨3 6 1 。对于一个参数可能发生较大变化的被控对象，只有具有参数自适应、能根据 被控对象输出的变化时刻调整参数的控制器，可能取得很好的控制效果。本文后续章节将 讨论采用模糊控n 加f u z y y p i d 控制算法对压缩机电机进行闭环控制。 2 3 反电势检测法 2 3 1反电势检测法原理 无位置传感器控制技术是目前无刷直流电动机研究的热点之一，近年来提出了多种 转子位置检测法。反电动势过零点检测法是目前技术最成熟，实现最简单，应用最广泛的 转子位置检测方法。本论文采用的就是这种方法，其原理为：电动机的三相绕组为y 联接 全控电路，采用两两导通的方式，在无刷直流电动机稳态运行时，忽略电机电枢反应的前 提下，通过检测第三相反电动势的过零点来获得永磁转子的关键位置信号，从而可以控制 绕组电流的切换，实现了电动机的转动。这种方法用三相低通滤波器和电压比较器所组成 的电子电路取代了传统的机械位置传感器，实现了转子位置信息的获得。 这种方法的缺点是在静止或低速时由于反电势为零或很小，难以检测到有效的转子位 置信号，所以很难形成闭环控制，系统低速性能比较差。此外，为消除p w m 调制引起的高 额干扰信号而对反电动势信号进行深度滤波的同时带来了与速度有关的相移。为保证正确 的电流换相，需要对此相移进行补偿【3 7 1 。 从图2 4 中可以看出，在1 个通电周期内每相都有2 个过零点，把每个过零点延时3 0 。电 角度，即通电周期的1 1 2 ，就是相电流切换时刻。所以检测到过零点，就意味着检测到了 转子的位置，知道了换相时刻。 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 式( 2 6 ) 为电动机三相端电压平衡方程，即： u 。= r 屯+ 乜一m ) 百d i + e + 玑 ( 2 1 9 ) 玑= 尺_ + q m ) 鲁+ e + u ( 2 2 0 ) u w = r i w + ( l m ) 等域川 ( 2 - 2 1 ) 由于采用两两导通的方式，故同一时刻只有两相绕组通电，剩余的另一相中电流为0 。 假设此时只有u ，v 两相绕组中通电，w 相中则无电流，即i 。= 0 ；因而( 2 - 2 1 ) 式可改写 为 u 。= 瓦+ u ( 2 - 2 2 ) 玩= u ，一乩 ( 2 2 3 ) 根据基尔霍夫定理，可知i 。+ i ，+ f 。= 0 ；因为i 。= 0 ，可得屯= - i 、，；又因各相绕组相 等和对称性，可得e = 一e ，；再将式( 2 1 9 ) 、( 2 2 0 ) 两式相加，求解可得中心点e g 压, u 。 卟半 ( 2 - 2 4 ) 将式( 2 - 2 4 ) 代入式( 2 - 2 3 ) 5 b ，可得w 相反电势为 耻卟半 ( 2 2 5 ) 式( 2 2 5 ) 说明只需检测w