电机变频调速系统在冰箱中的应用

毕业论文电机变频调速系统在冰箱中的应用学生姓名指导教师专业名称自动化所在学院信息工程学院2008年6月目录摘要ABSTRACT第一章引言111课题研究背景及意义112变频冰箱国内外发展现状113本课题的工作2第二章变频压缩机系统介绍321变频冰箱介绍322变频压缩机的优点和分类523变频压缩机的基本结构524无刷直流电动机介绍625无刷直流电动机的技术特点1126无刷直流电动机调速原理12第三章无刷直流电动机控制器1831控制方案1832系统硬件设计1933软件设计25第四章无刷直流电机在冰箱压缩机上的应用2941无刷直流电动机的设计2942设计要点31第五章结论33致谢34参考文献35摘要上个世纪,我国生产的电冰箱绝大多数是定转速式电冰箱，由于它处于全天工作，功耗及噪声问题严重。而近几年压缩机采用了变频技术，起动时运行平稳，可以彻底消除起动噪声，节能效果明显。随着电力电子技术的发展，无刷直流电动机控制技术逐步成熟，为其应用于变频冰箱压缩机系统打下了良好的基础。加之市场竞争对冰箱节能、低噪声提出的更高要求，使得无刷直流电动机应用于冰箱压缩机的技术成为可能。本文重点介绍这种变频冰箱压缩机的工作原理及无刷直流电动机的结构。关键词变频冰箱,压缩机,无刷直流电动机ABSTRACTLASTCENTURY,MOSTREFRIGERATORSPRODUCTEDINCHINAWEREFIXSPEED,BECAUSETHEYWORKDAYANDNIGHT,SOTHEPROBLEMSOFPOWERCONSUMPTIONANDNOISEARESERIOUSINRECENTYEARS,THETECHNOLOGYOFFREQUENCYVARIETYADOPTEDINCOMPRESSOR,WHICHMAKESTHESYSTEMOPERATESTABLY,ANDCANELIMINATETHENOISEWHENSTARTING,ANDCANSAVEMOREENERGYWITHTHEDEVELOPMENTOFPOWERELECTRONICSTECHNOLOGY,THEBRUSHLESSDCMOTORCONTROLTECHNOLOGYISMOREMATURE,ITBUILDSAGOODFOUNDATIONFORADOPTINGINTHEFREQUENCYREFRIGERATORCOMPRESSORSYSTEMINADDITION,COMPETITIONINTHEMARKETREQUIRESLOWCONSUMPTIONANDENERGY,ITMAKESBRUSHLESSDCMOTORSUSEDINREFRIGERATORCOMPRESSORSBECOMEPOSSIBLETHISARTICLEFOCUSESONTHEFREQUENCYOFTHEWORKINGPRINCIPLEOFREFRIGERATORCOMPRESSORSANDBRUSHLESSDCMOTORSSTRUCTUREKEYWORDSFREQUENCYVARIETYREFRIGERATOR,COMPRESSOR,BRUSHLESSDCMOTOR第一章引言11课题研究背景及意义近些年来，国内经济增长势头迅猛，人民生活水平不断提高。但是在经济发展的同时，能源紧张的问题也逐步暴露了出来。对于居民日常生活来说，耗电主要来自于电视、冰箱、空调、热水器、电脑等家用电器,空调和冰箱的高耗电在居民生活用电中显得尤为突出，而冰箱又是一个需要每时每刻通电的电器。正是在这样的背景之下，提倡节能环保的变频技术被引入中国，变频冰箱应运而生，这也是社会新时代的需求和新技术的完美结合。变频技术不但给冰箱带来功能的增加,性能的改善,而且具有明显的节能效果和降噪效果,同时使整机寿命较传统家电有明显提高。在大容量冰箱以及多功能冰箱上应用变频技术更能体现其优势，因为它是多功能的循环环境。优点主要有在节能水平和自主性方面。变频技术应用可以满足冰箱多功能的需求，通过变频系统控制驱动压缩机，可以使压缩机在宽范围内变化，可以使压缩机的功率随着冰箱能量的需求，也就是负荷的变化实现最大匹配。尤其是可以减少起动时所带来的损失，实现高效率运行，显著降低冰箱的发电量。在降低噪声方面，采用了变频技术可以使起动时更加平稳，降低起动噪声。保鲜方面，采用变频技术，可以有效降低冰箱内的温度，保持室温恒定，保持恒定的低温水平，有效降低水果蔬菜的呼吸环境。12变频冰箱国内外发展现状根据冰箱厂的研究，压缩机COP值的提高对冰箱节能有直接的正比关系，是冰箱降低耗电量的主要手段。目前，各冰箱压缩机厂家将主要的研究开发精力投入到压缩机节能化工作上。压缩机提高效率主要在电机、机械系统、气阀等方面改进提高。在提高电机效率方面，传统的方法主要为第一，采用电容运转单相电机；第二，在绕组、冲片上对电机进行优化设计，但这些方法对电机效率提高是有限的。近年来，随着电机技术的发展，国外先进压缩机制造商已将一些高性能电动机，如直流无刷电机、单相永磁同步电机运用在冰箱压缩机上。这些技术上的革新，带来的效率上的大幅度提高。尤其是由于电力电子技术的飞跃发展以及电子元件的成本日益降低，使得无刷直流电动机驱动的冰箱压缩机系统（又称“变频压缩机”）不仅高效，而且另外一个非常具有优势的特点是转速可调节。由于国内无刷直流电动机的研究起步较晚，国内压缩机厂在新技术的研究开发一直滞后于国际先进水平，加上各厂在电力电子技术方面的欠缺，国内压缩机制造商在变频压缩机的研究开发上只是近两年展开，它们依靠国内大学的研发能力以及一些电子产品生产商的支持开始相关产品的研究以及市场化的工作。13本课题的工作由于变频冰箱静音、节能、保鲜等优点，变频冰箱已经成为冰箱高端市场的风向标以及众多消费者选购的主流。本课题针对变频冰箱节能、降噪、保鲜等一系列优点，对变频冰箱压缩机进行了深入研究，介绍了无刷直流电动机的结构和特点以及在变频冰箱压缩机中的应用原理与方法。本课题可以分为三个部分第一部分论述了变频冰箱出现的背景及意义，国内外的发展状况，以及变频冰箱的原理等。第二部分是论文的重点和核心，主要介绍了无刷直流电动机的结构和原理，并对其在变频冰箱压缩机上的应用进行了分析和设计。第三部分为总结、致谢及参考文献。第2章变频压缩机系统介绍21变频冰箱介绍变频冰箱是将变频技术应用在压缩机上，通过压缩机转速的调节使冰箱在节能、保鲜、静音三大方面实现了质的飞跃。变频冰箱相对于普通冰箱的箱内温差小，因此对食品保鲜更加有利；其次，当变频冰箱内存放食品过多、温差大、环境温度高时，变频冰箱要比普通冰箱增大制冷能力50以上，而这样快速的冷冻不会产生大的冰晶，有效阻止了食品细胞膜被刺破，这样一来，解冻后食品的营养汁损失率就可有效减少50以上。同时，由于采用了变频技术，冰箱在开机、停机时转速可以平滑过渡，不会像普通冰箱那样瞬间实现。因而能够有效降低起停噪音。当机器处于正常运转时，噪音也能降低10以上。使人所能听到的噪音感觉降低50以上。211变频冰箱的特点1节能由于冰箱大部分时间是在较轻的负载下运行，采用变频调速技术能使压缩机输出功率下降，提高了压缩机的运行效率，改善了能效比，其耗电量比同容积的普通冰箱降低约百分之三十。2减少开停机次数由于采用变频调速技术，能有效地应付轻负载，因而可以减少压缩机的开停次数，减少制冷剂压力引起的损耗。3起动电流小由于变频调速技术能使压缩机在起动时，选择较低的电压及频率，有效地抑制了起动电流，降低了电网的冲击。4运行更安静变频冰箱的压缩机由于大部分时间在低速运行，噪声较低，故比普通冰箱的压缩机安静，稳定运行时噪声可达35DB以下；同时冰箱室内温度的波动也得到抑制，增加了舒适性。5保鲜性更好变频调速技术的应用使数字温控的优点得到充分发挥，能将食物贮藏温度精确的控制在最合理状态，使食物能更持久的保鲜。212变频冰箱的工作原理及工作过程变频技术实际包括两个方面，即变频压缩机技术及变频控制器技术。冰箱的主控板接到冷藏冷冻室反馈的温度、湿度等信息后将信号传给变频器，变频器对信息进行处理，其内部电路对电流进行交直流转换，再将转换后一定频率的电信号传递给压缩机，压缩机电机依据输入电频率高速或低速运转，如此调节转速，电动机转速变化就会引起压缩机排气量发生变化，从而导致制冷量发生变化，适应冰箱温度变化要求。变频冰箱主要是通过变频技术来调节压缩机的转速,它通过提取冰箱各间室温度与设定温度的差值,作为连续控制信号输入到变频器中,从而实现自动改变输出交流电频率的目的。这样,在维持冰箱于设定温度稳定运转过程中,压缩机基本维持着连续的低速运转,与传统依靠通断调节的定速机种相比,可明显延长压缩机的使用寿命,从而达到节能、省电的目的,使冰箱处于最佳效率状态下运行。变频冰箱的变频调速控制系统由冰箱控制部分和变频调速部分组成。其中控制部分以含有微处理器的电机控制器专用芯片为中心,由降压、整流、滤波、稳压、两室温度设定与显示、传感器等组成，变频调速部分由整流、储能元件、PWM驱动器、逆变器等组成。系统框图如图21所示压缩机压缩机整流器储能元件逆变器220交流电源降压、整流滤波、稳压电机控制器（彼机处理器）PWM驱动器显示器两室温度设定传感器冰箱工作室分为冷藏室和冷冻室。变频冰箱使用了变速压缩机，该种变速压缩机采用了可调速电机，通过改变电动机的转速来改变压缩机的制冷量。这种可调速电机是无刷直流电动机，其工作转速在1600R/MIN到4000R/MIN之间，使得压缩机的制冷能力有很大的可调范围（125）。变频冰箱的工作原理为在冰箱工作室的温度与设定温度之差T较大时，压缩机以高速运转，以获得快速制冷的效果。随着温度降低，T小到一定范围时，压缩机以低速运转。当T减小到一定程度时，压缩机停机。由于压缩机以较低的转速运转，所以压缩机的开停次数较普通压缩机少。另外,一个非常重要的因素，由于机械运转与流体力学规律，变频压缩机在低转速时的效率也很好。220V的交流电源一路经整流器和储能元件等整流滤波成280V左右的直流电压，为逆变器能正常工作而产生交变电压提供直流电源；另一路经降压、整流等电路后得到一稳定的直流工作电压，为电机控制提供直流工作电源。当刚开机或开门放入较多食物时，冰箱内温度较高，微处理器发出满负荷运转信号，生成相应的PWM脉冲并送往PWM驱动器使逆变器输出频率高、电压值大的交变电压，此时压缩机将以自身功率的近15倍工作，制冷器量最大，达到快速降温的目的；随着冰箱内温度的下降，所需的制冷量相应减少，微处理器产生相关的PWM脉冲，通过PWM驱动器使逆变器输出的交变电压的频率和电压值下降，压缩机消耗的功率也逐步减少；图21变频调速系统框图当冰箱内温度相对稳定时，压缩机将保持低频、低功率（约为自身功率的05倍）平稳运行。显示器用于显示温度及运行状态，化霜、报警由微处理器控制。22变频压缩机的优点和分类变频冰箱压缩机的优势主要在（1）速冻能力强。普通冰箱可能要23小时完成的速冻量,变频冰箱压缩机由于起动时可以最高以4000RPM（有的还可更高）的转速运转,约1小时就可以完成快速冷冻。（2）运转噪音低,但并不是一直都比普通压缩机噪声低,而是有特定环境的。一般晚间冰箱负荷稳定,变频压缩机可以在夜间维持低频（例如在30HZ下）转速,低转速必然噪声就低一些,显得更人性化而普通压缩机只能通过ONOFF调节温度,运转时噪声比变频要高很多。3温度波动小，由于电机转速可以根据冰箱主控板反馈的温度信息随时调节转速而改变制冷量,因此温度总是在设定值附近波动,变化敏感细微。正因为其有此特点,更能给储藏食品提供适宜的放置环境,所以变频冰箱的宣传点总少不了“保鲜”。4低能耗。这是因为直流无刷电动机的效率高于传统单相异步电动机，冰箱在低负荷时,输入功率很低,又由于减少了开停次数,起动过程的功耗大大减少。变频压缩机可分直流和交流变频技术两类,两者均靠电动机内部形成的磁力线和线圈中的电流间作用产生的磁力运转,但内部磁通的形成方式却不同。交流变频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,因此效率比交流电机高。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声,也具有比交流变频压缩机噪声低的特点。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1030,噪声低510DBA。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。23变频压缩机的基本结构变频压缩机系统由使用无刷直流电动机BLDCM的压缩机本体和电子控制器两部分组成。其中无刷直流电动机的系统结构示意，如图22。图22无刷直流电机结构示意位置检测分为有位置检测和无位置检测，由于在冰箱压缩机封闭式结构中，电机工作在高温、制冷剂及润滑油的环境中，如果使用有位置传感器，可靠性势必会降低，还有增加了系统的成本。随着无刷直流电动机控制技术的发展，无位置检测方法的提出使BLDCM运用于冰箱压缩机成为现实。本论文采用端电压检测法（反电动势过零点检测法）来进行转子位置的检测。功率驱动电路为三相全控桥，采用IRF620芯片，全控桥的前置驱动器采用IR2130芯片。24无刷直流电动机介绍目前,可调速电动机的主要类型有直流电动机、异步电动机和同步电动机3种。传统的直流电动机调速性能很好,但由于具有电刷和换向器,使用环境受到了限制,特别是限制了它向高转速高电压和大容量方向的发展。鼠笼式异步电动机结构简单、坚固耐用,转动惯量小,响应速度快,可以实现高电压、大容量和高转速运行。异步电动机和通用变频器可组成恒定电压频率比的开环调速系统,可以满足绝大部分中小生产机械的一般调速要求。但是,异步电动机需要从定子侧励磁,功率因数较低,使得调速系统所用变频器的容量较大。无刷直流电动机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点,又具备直流电动机的运行效率高、调速性能好、特别是无励磁损耗等特点。因此,在容量不是太大的变速驱动系统中功率在40KW以下,可以采用无刷直流电动机和变频器相结合,利用磁极位置检测信号和电流反馈信号组成闭环控制系统,即可以形成高效调速系统1。随着电力电子技术和永磁材料的不断发展,MOSFET、IGBT等大功率开关器件性能的提高和完善,无刷直流电动机控制技术的逐步进入商业化阶段,为直流无刷电动机用于可变频冰箱压缩机系统打下了良好的基础。加之市场竞争对冰箱节能、低噪声提出的更高要求,使得无刷直流电动机应用于冰箱压缩机的技术已经十分成熟。241无刷直流电动机的结构无刷直流电机（BLDCM）具有直流有刷电机的线形速度和力矩的特性，但它是由电子控制代替电刷。BLDCM具有三相多磁极结构，而不是普通的单相（或两相）鼠笼式异步电机。BLDCM转子装配有永久磁铁，而不是传统的铝条鼠笼式转子。图23、图24为两种电机的结构示意2。图23无刷直流电机图24单相异步鼠笼电机242无刷直流电机的基本工作原理无刷直流电机的结构原理如图25所示,主要由电机本体、位置传感器和电子开关电路3部分组成。图24中的电机本体为三相2极,三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件连接。图24中,A相、B相、C相绕组分别与功率开关管V1、V2、V3相连,位置传感器的跟踪转子与电机转轴相连。图25无刷直流电机系统结构当定子绕组的某一相通电时,该电流与转子磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩,驱动转子旋转再由位置传感器将转子磁极位置变换成电信号控制电子开关线路,从而使定子各相绕组以一定次序导通,定子相电流随转子位置的变化按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序与转子转角同步,从而起到机械换向器的换向作用。因此,就基本结构而言,可以认为无刷直流电机是由电子开关电路、电机本体以及转子位置传感器组成的电机系统,其原理如图26所示3。输出图26无刷直流电机原理243无刷直流电动机的数学模型无刷直流电动机为三相电动机,其转子采用永久磁铁制成,材料大多采用稀土永磁材料如钐钴合金和钕铁硼合金等。磁钢形状为瓦形,经过特殊磁路设计,可以获得梯形波的气隙磁场。因此,无刷直流电动机又称为方波永磁电动机。电机定子采用整距集中绕组,由逆变器供给方波电流。由于感应电动势为梯形波,含有较多的高次谐波,并且电动机的电感为非线性,所以DQ坐标变换理论已不适用,应根据转子位置分段表示感应电动势。由于稀土永磁材料的磁导率很小,转子的磁阻很大,故不考虑转子的影响。无刷直流电动机三相定子电压的平衡方程式可用式21表示。21CBACBCAABSSCBAEIIPLIIRU0式中为三相定子电压为三相定子电动势为三相定子电BA,CBAI,流为三相定子电感为三相定子间互感。由于在1对极矩内,AB,L转子的磁阻不随转子位置变化而变化,并且三相对称,所以MLCBABCACAB此时,状态方程可写为CBACBASSCBAEIIPLIIRU0直流电源开关电路电机转子位置传感器因为,所以,将上式进行整理得0IICBAACBMII22CBACBSSCBAEIIPMLLIRU00电磁转矩的表达式为23CBADIEIT运行时,无刷直流电动机的带电导体处于相同的磁场下,各相绕组的感应电动势为24NNPEMM60/式中为电动机转速为主磁通为极对数为总导体数。设无刷直流电动NM机采用三相联结电路,则电动机感应电动势ED由两相绕组经逆变器串联组成,故YNMMD30/2因此,电磁转矩表达式为25DDDINPIT/由此可以看出,电磁转矩与磁通和电流的幅值成正比,所以控制逆变器输出方波电流的幅值即可控制无刷直流电动机的电磁转矩。244无刷直流电动机调速运行时电流换相过程无刷直流电动机调速系统中逆变器输出的电压、电流波形为方波。在一个具有恒定磁通密度分布的磁极下,只有保证电枢绕组中流过的电流总量恒定,才可以产生恒定的电磁转矩,且转矩只与电枢电流的大小成正比。图27为无刷直流电动机电流换相工作原理图。边缘磁通密度宽度占30电角度,A,B,C三相绕组各占60电角度。当转子在图27A所示的位置时,B，C相通入幅值相等的直流电流,B,C相导体在气隙磁场中受电磁力的作用形成电磁转矩,转子按转矩方向转动。当转子在60电角度内转动时,即从图27A到图27B的情况,由于气隙磁场和电枢电流基本不变,故电磁转矩大小不变。当转子转到60电角度瞬间,电流需要换相,B相换为A相通电,如图27C所示。这样,每相通入120电角度的方波交流电,每60电角度进行轮流换相,使同一磁极下的电流始终保持方向一致且电流总量恒定,从而转矩恒定。正常运行时,调节定子电流的幅值,则可改变转矩的大小,从而改变电动机的转速,达到平滑调节转速的目的。图27无刷直流电动机电流换相原理图245无刷直流电动机的转动分析无刷直流电动机的旋转是通过6个功率管的开和关来完成的。而功率管的开关是根据转子的旋转位置来切换定子绕组的通电电流,始终保证转子N极对面的定子绕组导体内的电流流向为一个方向都为进或都为出,而S极对面的定子绕组导体内的电流流向为另一个方向。如果转子位置如图28所示,此时电流从A点流入,从C点流出,即A、C线圈中有电流,流向为AA、CC。我们把电机分成左上180和右下180两半来看。左上180部分,A、C导体的磁场叠加后根据右手法则在定子转子间产生一个水平向左的方向磁场,而A、C导体磁场叠加后产生一个垂直向上的磁场,二者叠加的磁场方向如图所示。这正好与转子磁场相互垂直,/DT1Z于是便会产生逆时针方向的电磁转距,推动转子向逆时针方向旋转。右下180的原理和左上180的原理一样4。图28直流无刷电机转动分析示意图当转子转过30后,功率模块将会切换电流的方向,使得B流入,C流出。这样可以保证始终有比较大电磁转距推动电机转动。这样功率模块切换12次位置,转子就能旋转一圈。从上面的分析中可以看出,由于右下180的原理和左上180的原理一样的,因此前半圈和后半圈的6次位置切换过程是一样的。所以功率模块切换一次,4级无刷直流电机能转过30度,而2级无刷直流电机可以转过60度。因此在同样的切换频率情况下,理论上2级的直流电机的转速是3级无刷直流电机转速的2倍。此外,由于四级无刷直流电机30度切换一次,使得电磁转距一直能保持在一个较高的值上TMTM而2级无刷直流电机60度切换一次,使得电磁转距在3TM05TM之间变化,显然4级无刷直流电机的效率要高,转动更平稳。25无刷直流电动机的技术特点直流无刷变频调速电动机实质是具有交流特性的永磁同步电动机，通过集成芯片程序来控制逆变器的频率从而达到控制电动机的运行速度，即通常我们所说的变频调速电动机。根据需要可对起动初始速度及运行速度进行调节。变频调速控制原理电源电压通过电源逆变器逆变，逆变后的电压再输送给电动机，电动机施转拖动负载运行。电子控制电路内拥有一种称为“电动逻辑”的计算方法，通过反电动势法测试及判定转子的位置来对电动机速度进行控制。251无刷直流电动机的起动特性在控制系统中将起动时间和起动电压范围进行设置，如将起动时间设置在210S，电压设置在160250V之间，在此规定范围内均可以保证电动机顺利起动，否则控制系统会自动进行过（欠）电压或过电流保护，立即停止起动过程。电动机起动电流小，对电网的波动影响小，起动机械特性好，具有直流电动机的“硬”机械特性，因此又称为软起动电动机。设计时还应避免电动机在起动过程中起动处于失步状态，起动过程一般有三个阶段（1）定位阶段，首先控制系统导通逆变器的两个功率器件给两相绕组导通一个较小的电流，使转子转到一个预知的位置；（2）加速阶段，由微电脑控制器产生一个频率很低的同步信号，然后逐步升高同步信号的频率，同时增加施加于电动机的电压，电动机在不失步的前提下逐渐提高转子转速；（3）切换阶段，电动机加速到足够高的转速时，用有效的转子位置信号代替同步信号就实现了同步电机运行切换到直流无刷电动机运行状态5。252运行转矩脉动电动机定子绕组工作状态是三相六状态120度导通角工作方式，定子绕组产生的磁场与转子永磁磁场之间的相互作用，加上工作过程中定子绕组三相间要进行换相，这会引起电磁转矩出现脉动现象，但电磁转矩脉动对电动机性能影响不大。253较宽速度范围内高效率运行由于直流无刷电动机具有直流电动机的“硬”机械特性特点，只要改变输出脉冲的占空比及脉冲出发顺序，就能对运行速度进行调节，而且在（20003800R/MIN）较宽速度范围内能保持高效率（84以上）运行，在额定工作点附近电动机运行效率在88以上。26无刷直流电动机调速原理前面已经介绍了无刷直流机的数学模型和调速原理，以及调速时电流换相过程。图29给出了无刷直流机调速系统原理图。系统由变频器，方波永磁同步电动机、位置、转速检测装置及控制系统组成，控制系统包括典型的速度、电流双闭环调节，PWM发生器及逻辑控制单元6。3微机系统图29无刷直流机调速系统原理图1主回路主回路仍是交直交电压型PWM变流器、电力电子器件可根据需要选用BJT，功率MOSFET或IGBT。主回路的任务是在PWM作用下产生需要的三相互差120电角度的方波电流。2PWM信号的产生无刷直流电动机的转矩只与方波电流的幅值成正比，电流的频率和相位由转子位置决定。因此，由它组成的高性能伺服系统的关键仍是控制电流大小。所以需要把电压型逆变器改造成为电流型逆变器，本系统要求的相电流为方波，控制的目标是电流幅值只需设置一个电流幅值调节器即可，作用相当于直流双环系统中的电流调节器。逆变器的控制采用三角波与直流信号相比较的PWM方法，即电流调节器输出的电压信号与截频三角波信号相比较，产生等幅、RUCU等宽、等距的PWM信号，控制逆变器中的各功率开关。如图210所示，PWM信号的宽度由控制，的幅值高，PWM波的占空比大，逆变器输出的电压幅值就高，流过定子绕组的电RUR流就大；反之则小。电流幅值闭环调节后，逆变器输出的电流幅值就能跟随给定电流变化，且稳态运行时无静差7。速度调节器电流调节器PWM发生器三角波发生器运行状态判别逻辑控制单元位置信号处理反馈电流单元速度反馈单元驱动电路A/D电流检测RHBLDCMBQBRTT00TU图210PWM信号产生原理这种PWM控制方法比较简单，且逆变器功率开关元件的开关频率只与三角波的频率有关，三角波频率确定之后，开关频率也就确定了。另外，此种PWM方法能使逆变器中的六个功率开关进行同步开关动作，不会造成三个桥臂之间的互相干扰。电流调节器控制着逆变器输出电流的幅值，因此，电流调节器中的电流反馈信号应与方波电流的幅值成正比。又因为无刷直流机的相电流为120通电型方波，故只需要检测三相电流中正半波值并进行叠加，即可生成与电动机电流幅值成比例的直流反馈量。3PWM信号的分配和系统四象限运行由无刷直流电动机的调速原理知道，无刷直流电动机的方波电流与转子位置有严格的对应关系，受转子磁极位置检测信号的控制。此系统采用磁敏式转子位置监测器，其输出为三个互差120电角度，宽180电角度的矩形波，如图211（A）所示，PA,PB,PC为三路位置信号，经位置信号处理单元后，就可以得到逆变器功率开关的使用（OE）信号，如图211（B）所示，例如正转电动时，等，由于电动机所处的运行状态不同，使能型号所对应BAT1C2的功率管也不同。因此，必须经过运行状态（正、反转，电、制动）判别后，再经过逻辑控制单元把使能信号与PWM信号分配给各个功率管，使能信号与PWM相“与”后，输出到驱动电路，控制相应功率管的导通与关断。图211（C）为正转电动时的电动机三相电流波形。PA0180360TPB0120300TPC060240420TV10120360TV30120240TV50240TV6V6060300TV2060180TV40180300TA转子位置检测器输出波形（B）逆变器功率开关的导通信号IA1803000120360TIB603000120240TIC60180240360T图211正转电动时系统有关的波形由无刷直流电动机的调速原理知道，只要改变同一磁极下电枢电流的方向，就可以改变电动机的转矩方向。因此，无刷直流电动机也可采用再生发电方式进行制动，机械动能消耗在直流环的耗能电阻上。当电动机从正向电动向正向制动转变时，由双环调速原理知，信号由HRRU正变到零，再变到负，它改变的是方波电流的幅值，即只是改变转矩的大小，而不能改变转矩的方向。改变转矩的方向要通过改变逆变器功率管的导通次序，进而改变电流方向来实现。产生正向制动转矩，只须把同一桥臂上下两个功率管的导通时刻互换即可，也就是说，正向电动时导通的时刻，由导通来代替，使电枢电流反向，同理，导通的时刻，由导通的时1V4V4V1V刻来代替，其他桥臂也要求同样互换，电动机就会产生正向制动转矩（注意，按交流机分析，正向制动时三相电流的相序并未改变，实际上只是相位提前180电角度）。无刷直流电动机反向电动运行时，使能信号的产生与分配并不是与正向制动时相同。由于电机本身仍属于交流机性质，只需要改变一下三相方波的相序即可。但是需要注意的是，电动机反转时，转子位置控制器的三个位置信号的相序也发生了变化，这一点要特别注意，否则电动机将不会反转。无刷直流电动机双环调速系统运行原理和普通直流电动机逻辑无环流双环调速系统非常相似，只要把方波永磁同步电动机、方波电流型PWM逆变器、转子位置检测器及其信号处理单元看成“直流电动机”就行了。这里的逻辑控制单元主要负责系统四象限运行时的转矩方向，而电流调节器将保证力矩的大小满足调速的要求，速度调节器的输出为电流转矩的给定。控制系统可由模拟元件和集成电路组成模拟控制系统，也可以由单片机等组成全数字控制系统或数模混合控制系统。由于转子位置信号、速度信号、逻辑单元及PWM控制更适合于计算机控制，因此目前的无刷直流伺服系统大多数采用全数字方案或数模混合控制方案8。由以上的分析可以评价出无刷直流电动机及其调速系统的特点（C）三相电流波形（1）、稀土永磁方波同步电动机通入逆变器供给的、与电动势同相的120方波电流，就组成了无刷直流电动机。它比正弦波电机出力大，且理论上无电磁转矩脉动现象。（2）、无刷直流电动机调速原理和直流机相同，组成的调速系统类似，并且可以借鉴传统的直流伺服系统的设计经验。因此，容易被人们接受和普及，更适合我国的国情。（3）、无刷直流电动机比正弦波永磁同步电动机控制简单，逆变器产生方波比正弦波容易，转子只需要带有A、B、C三个敏感元件的磁极位置检测器即可，因此会大大降低其控制系统的成本。（4）、实验证明，由无刷直流电动机组成的伺服系统，具有转矩平滑、响应快、控制精度高的特点，可适用于数控机床及机器人的伺服驱动，以及对动、静态性能要求较高的电力拖动领域。第三章无刷直流电动机控制器由永磁无刷直流电动机用电子换向替代了电刷和换向器,可以实现高性能、高可靠性、长寿命、免维护等目的。永磁无刷直流电动机是集交流电动机和直流电动机优点于一体的机电一体化产品。永磁无刷直流电动机具有优越的调速性能,主要表现在调速方便可无级调速、调速范围宽、低速性能好启动转矩大、启动电流小、运行平衡、噪音低、效率高等优点。许多小型无刷直流电动机,在应用时往往需要精确的速度控制,尤其在高速运行场合,对信号反馈控制灵敏度的要求更为严格。而传统的微处理器如51系列在实现控制时,由于本身指令功能不强,乘除法所用周期过多,外围电路数据转换速度慢,使无刷直流电动机的性能得不到充分的发挥。由于变频冰箱的控制通常采用转速负反馈控制技术，通过检测转子位置，由获得电机转速9。/DT用该转速与设定转速相比较，控制输出电压，使实际转速趋近设定转速。本文设计的直流无刷电机驱动控制器中，采用TI公司的TMS320LF2407芯片作为控制器，利用反电动势法来获得转子位置信号。以下为无位置传感器无刷直流电动机的控制器设计的几个要点31控制方案无刷直流电动机控制系统如图31所示。TMS320LF2407DSP控制器首先通过位置检测电路获得转子的位置信号，并根据转子的位置发出相应的控制字来改变PWM信号的当前值，从而改变直流电动机驱动电路中功率管的导通顺序，实现对电动机转速和转动方向的控制。安装在电机转子上的编码器得到的电机转子位置信号A，B通过DSP控制器的CAP1、CAP2端口进行捕捉。捕捉到的数据存放到寄存器中，通过比较捕捉到的A、B两相脉冲序列中哪个序列领先，测出电机的正反转，计算脉冲编码器产生的脉冲数可以得出当前转子的位置和转速。将检测到的各相电流转换成电压信号降压后输入到DSP的AD转换器，其值与经速度调节后产生电流参考值比较，形成PWM占空比的控制量。R电压/电流保护整流器功率开关模型PWM控制电流控制电流检测反电势检测速度控制电流控制位置控制电流控制速度检测位置控制电流控制无刷电动机编码器系统的控制由3环即位置环、速度环、电流环组成。最内环为电流环，它用来调节定子磁场的大小，控制定子线圈的电流就可控制定子磁场的大小，从而到达调速的目的；第2个环为速度环，将给定的速度信号与经过位置检测器后估计的速度信号之差作为速度环的输入，这样可以做到速度的实时反馈和调整；最外环为位置环，位置环主要完成的任务是位置随动控制，即系统能够准确跟踪给定位置变换10。32系统硬件设计以TMS320LF2407为核心的硬件控制系统结构如图2所示。主要由以下几部分构成DSP控制电路、功率驱动电路、信号反馈电路和保护电路。图31无刷直流电动机控制系统结构原理图DSP控制器转子位置检测电路无刷直流电动机PWM信号驱动器驱动保护电路直流电机驱动电路码盘测速电路图32无刷直流电动机控制系统结构框图321功率驱动电路驱动电路如图33所示。功率驱动电路为三相全控桥，采用INTERNATIONALRECTIFIER公司的IRF620，全控桥的前置驱动器采用IR2130芯片。IR2130是一种高电压、高速度的功率MOSFET和IGBT驱动器,工作电压为1OV一2OV,分别有3个独立的高端和低端输出通道。逻辑输入与CMOS或TTL输出兼容，最小可以达到25V逻辑电压。其可输出的最大正向峰值驱动电流为250MA，而反向峰值驱动电流为500MA。它内部设计有过流、过压及欠压保护、封锁，使用户可方便的用来保护被驱动的MOS门功率管。IR2130芯片可同时控制6个大功率管的导通和关断顺序，通过输出HO1,2,3分别控制三相全桥驱动电路的上半桥Q1、Q3、Q5的导通和关断，而IR2130的输出LO1,2,3分别控制三相全桥驱动电路的下半桥Q4、Q6、Q2的导通关断，从而达到控制电动机转速和正反转的目的11。D7D8D9R1R2R3R5R415VIR2130VCCHIN1HIN2LIN1LIN2LIN3FAULTITRIPCAOCA_VSSVSOLO312345HIN3678GND91011121314PWM1PWM2PWM3PWM4PWM5PWM6VR1HO1VS1NCVB2HO2VS2NCVB3HO3VS3NCLO1LO2D1D3D5D2D4D6Q1Q4Q3Q6Q5Q2C1C2C3282726252423222120181917161515VA相B相C相图33无刷直流电动机驱动电路322位置检测由于变频压缩机的结构特殊性,使得其内部无法安装位置传感器,因此如何正确检测电机的转子位置是目前面临的一个难题。无传感器无刷直流电机一般采用检测电机绕组产生的反电势过零点来获得转子位置信息。由于反电势信号中混有PWM驱动信号噪声,因而检测反电势的问题也就是滤除反电势中的强干扰脉冲问题。一般是采用滤波的办法获取反电势,但此法会产生较大的相移和延时,而且在低速时会造成对反电势的过度衰减,而使电机换相失步,因此可行性差。对于反电势的检测,可以在PWMON期间直接检测悬空相绕组的端电压,通过单片机软件运算将其和直流母线电压的一半比较,获得反电势过零点,这样做的好处是硬件结构简单、成本低。本文通过硬件的方法实现转子位置的检测,而且增加了调理电路,使得检测更加准确12。1）反电动势过零点检测原理和实现对于120导通、六状态相的三相无刷直流电机,同一时间只有两相绕组处于工作状态,悬空相包含了电机转子的位置信息,可以用来检测转子位置。对于永磁直流电机而言,其感应电势近似等于反电势,而反电势的过零点就发生在该相绕组悬空期间。此时通过检测该相的端电压可以间接地检测到该相反电势的过零点。类似的可以检测其他两相的过零点,从而确定换向时序。对于斩波调速,PWM使待检测感应电势信号与开关脉冲混杂在一起,使待检测的信号包含有大量的电磁噪声。传统的方法是通过滤波和衰减。衰减可以使待检测的信号保持在检测电路所允许的范围内,但滤波会带来相位滞后,使信噪比变差,容易造成位置检测不准确,尤其是在起动阶段,使电机的起动特性变差,运行范围变窄,影响电机运行效率及稳定性。本文采用专用单片机对悬空绕组在其它绕组能通电的情况下进行反电势信号采样,并进行分析,准确地识别出过零点。图34是电机三相绕组的电气模型示意图。图中为相电感,为相电阻,为,为反电LRXEABC势,为三相绕组星型连接中点对地电压,为,为端电压。从图A、B相可以NVXVABC得到31BNDTI32ADCELR由式（31）和式（32）得到332BADCNV在三相平衡系统中,若只考虑基波频率,那么340CBAE把式34代入式33可得到352CDNV这样得到端电压363DCNCE图34PWMON时的绕组状态36式说明,在PWM导通期间,悬空绕组的端电压等于反电势与1/2电源电压的叠加,故可以通过将该绕组的端电压与1/2电源电压进行比较获取反电势过零点。在PWM导通期间,悬空绕组的反电势叠加在1/2电源电压之上,其波形正确反映在绕组端口上,因而可以在每一次PWM导通期间采样该端口的电压,判断过零点13。2）实现方法对于过零点的检测,可以通过单片机的A/D口直接将反电势信号由模拟量转换成数字量,然后通过软件的方法和1/2的直流母线电压比较,得到电机转子过零点。这样做的好处是系统简单,过零延时较小,但是对于系统硬件的抗干扰设计要求高,加大了软、硬件设计的难度,而且在一些干扰比较强的场合难以应用。考虑到上述原因,设计了无传感器电机转子位置的测量电路,如图35见附录所示。此电路兼有反电势检测和调理功能。从X/Y/Z电机接线端子上获取反电势信号,需要首先将高压信号衰减到合适的可以测量的范围。图中X相的端电压经过R18、R19、R20和R5、R10分压后产生X相反电势的分压信号X_DIV。同样,母线电压VDC也需要经过电阻R27、R28、R29、R8和R13分压后调整到合适的范围,产生U_DIV信号。X相分压信号X_DIV经过R14和C4组成的滤波电路滤波后接入到模拟电压比较器IC06LM339的同向输入端,而直流母线分压信号U_DIV经电容C7、C8滤波后,并经电阻R16接入到比较器的反相输入端。比较器输出经过R3上拉电阻后产生过零信号输出X_INT,接入到MCU相应的外部引脚。对于电感量较小的电机,产生的反电势信号较小,造成检测到的反电势信号过零点滞后于实际反电势过零点,滞后太多将造成换相的不准确。由于本系统采用PWM_ON调制方式,可以在电路中引入电阻R30、R31和R32注意连接的方式解决这个问题。以X相为例,在检测上升沿过零点时,考察X相反电势信号比较器的反相端电压。如图35所示,此时电流由Z相端子流向Y相端子,并且在这个60扇区内,Y相端子与直流母线负端常通,因此Y_DIV的电平为地。通过电阻R33与电阻R32的分压,使得X相比较器的反相端电压比参考电压U_DIV低,因此可以适当提前比较器输出的上升沿过零点时间。同样,在检测X相下降沿过零点时,由于在这个60扇区内,电流由Y相端子流向Z相端子,并且Y相端子与直流母线的正端常通,Y_DIV为2倍U_DIV电压。通过电阻R32可提升比较器的反相端输入电压,从而也可适当提前比较器检测到过零点的时机。调整阻值大小可以在一定范围内调整过零点时间,必要时候可以配合软件对换相时间进行适当补偿。分压电阻网络的电阻值的选定需要根据实际情况而定,主要根据其母线最高电压、模拟比较器工作电压范围、分压电阻的功率等因素而定。另外,母线电压的分压比是相的端电压分压比的一半,电阻精度应选择至少1精度。滤波电容X/YZ、主要用于消除分压信号受毛刺的影响。该电容与分压电阻网络构成一个阻容滤波电路,同4C9时对输入信号引入了一定的相移。可以很容易地计算出检测电路产生的相移。以相为例,其中X为反电势频率,。按基波计算则有相移为FR10520,R19837C4FARCTG因为反电势的频率同电机转子的电频率成正比,所以相移同电机的转速也成正比。由于过零信号中夹杂着PWM载波信号,斩波信号会严重干扰反电势波形,使得过零点不明确,尤其是在PWM占空比较低的时候。为了滤除PWM载波信号,在一些应用中选用低通滤波器进行深度滤波,但这会带来一些负面影响。这些影响包括使得位还需要在软件中实行软件补偿,如图36所示。需要置检测不准确,调速范围小电容老化引起的容值的变化,造成相位偏移等。因此在本论文中在软件中提前角换相,否则会造成电机失步。预计过零点实际过零点3）初始定位和开环起动对于无位置传感器无刷直流电机,在起动时需要知道转子的确切位置,因此在初始启动时需要预先定位。为了可靠定位,本文采用二次定位的方法,先给电机的两相绕组通电,当转子到达预定位置后,再给三相绕组通电,这样保证转子能够转到预定的位置。转子定位结束后,按照预先给定的换向顺序,在开环状态下起动,使电机由静止逐渐加速,直至转速足够大,绕组感应电势能够被准确检测,最后切换到位置闭环方式运行。检测到过零点后,通过定时器设定好本次切换时刻,过30电角度换相,为了避开功率管开关瞬间形成的强干扰,在采样时需要通过延时,软件滤波等方式去除干扰,并由软件进行误差补偿,使换相时间更加准确。在开环运行时检测到反电势不能立即切换到闭环,因为这时候电机还没有完全进入稳定运行状态,因此,在程序中需要设置一个计数器,当检测到的反电势数目达到预定数值,表示系统已经达到前稳定,此时切换到闭环运行14。图36系统软件延时补偿323电流检测电流检测采用价格便宜的分流电阻R6来实现。R6安装在功率驱动桥的下端与功放板地线之间，这样通过电动机的电流最终是经过电阻接地，因此只有测出分流电阻两端的电压就可以得到各相的电流，即。检测电路如图37所示。检测到的分流电阻压降，经RC滤波6/RUI电路，放大电路后送入DSP的ADC模块作为电流反馈量。图37电流检测电路图37为一相的电流检测电路，对于三相星形连接的电机，电流满足各相的电流之和为零，所以只要在两相绕组上安装电流检测电路就可以得到三相的电流。324转速检测在本设计中用光电编码器来检测转子的转速。光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械集合位移量转换成脉冲或数字量的传感器。它不仅可以检测电动机转速，还可以测定电机的转向及转子的相对于定子的位置。光电编码器随着转子的转动而产生正交编码脉冲A和B时，通过检测两个序列中的领先序列，测出电机的正反转。并据此对捕获的信号进行加减计数，从而得到电机的角位移和转向。电机的转速可以通过脉冲的频率测出，因此转速的测量转换为脉冲频率的测量15。33软件设计直流无刷电动机控制系统软件设计要求根据检测到的转子位置信号和反馈电流信号对电机进行换相，实现PWM脉宽调制，达到对电机速度控制的目的。整个控制系统软件由主程序和中断服务子程序组成。331主程序主程序用来完成系统的初始化、电机起动程序、对给定速度的A/D转换及循环调用中断服务子程序。主程序流程图如图38所示。NYN图38主程序框图332中断服务子程序中断服务子程序包括捕获中断服务程序和ADC中断子程序等。下面对2种中断服务子程序分别加以介绍1）捕获中断服务程序在前面介绍中，转子位置检测用反电势过零法，检测电路比较器的输出电平波形与霍尔传感器输出波形一致，电平发生跳变的时刻即为反电势过零点。当DSP的I/0口捕获到相应的跳变时，即产生一个捕获中断，该中断程序的任务是完成反电势过零点事件的捕获。在捕获中断程序的入口首先进行重要寄存器和累加器等的现场保护，读取2次捕获间隔时间，从而计算30度电角度对应的时间。其程序框图如图39所示。系统初始化起动子程序启动A/D转换读取A/D结果等待换相换相结束A/D转换完成Y图39捕获中断程序框图2）ADC中断服务子程序ADC中断子程序的框图见图310。在电机运行过程中,由ADC中断服务子程序对转子的位置、转速与电流进行采样和控制。A/D转换设置成通过事件管理器EVA的T1计数器周期匹配中断来起动，这种方式使得A/D转换始终在功率开关器件导通周期采样电流，从而提高了电流采样的精度。捕获中断保护现场读取捕获时间计算30度时间计算实际转速获得转向控制字恢复现场退出图310ADC中断程序框图保护现场读取ADC中断向量偏移地址位置调节速度调节电流调节根据调节结果改变占空比