空調(diào)用無刷直流電機(jī)的控制方式

甘峰

摘要：目前很多空調(diào)生產(chǎn)廠家都已經(jīng)采用直流無刷電機(jī)作為壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，它克服了采用異步電機(jī)作為壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率與功率因數(shù)較低，噪聲較大的缺點(diǎn)，且不受電源頻率限制，壓縮機(jī)的額定轉(zhuǎn)速可以設(shè)計(jì)得較高，既可優(yōu)化壓縮機(jī)的運(yùn)行功率.又可減小壓縮機(jī)的體積。鑒于此，本文主要分析空調(diào)用無刷直流電機(jī)的控制方式。

關(guān)鍵詞：空調(diào)；無刷直流電機(jī)；控制

中圖分類號(hào)：TU756 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1、無刷直流電機(jī)的特點(diǎn)

核檢修設(shè)備一般都是在對(duì)內(nèi)部的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行檢修時(shí)使用，由于輻射環(huán)境的影響，其一旦發(fā)生故障會(huì)對(duì)設(shè)施產(chǎn)生損傷，并會(huì)給設(shè)備使用及維護(hù)人員增加額外的輻照劑量。從保護(hù)和人員安全的角度出發(fā)，核檢修設(shè)備的可靠性和可維修性一直都是體現(xiàn)核安全的重要特性之一。核檢修設(shè)備的驅(qū)動(dòng)方式一般分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)。其中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用最為普遍。因此，選擇核檢修設(shè)備的驅(qū)動(dòng)電機(jī)就顯得尤為重要。交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，易于維護(hù)，但相對(duì)效率和可調(diào)節(jié)性都不高；有刷直流電機(jī)由于電刷換向時(shí)的物理接觸，會(huì)產(chǎn)生噪聲和電磁干擾，而核檢修設(shè)備主要利用超聲和渦流兩種無損檢測方法，噪聲和電磁干擾會(huì)嚴(yán)重影響超聲和渦流信號(hào)。隨著無刷直流電機(jī)性能的提升，其效率高、干擾少、維護(hù)簡單的優(yōu)勢越來越明顯，因此其在核檢修設(shè)備上的應(yīng)用也越來越廣泛。核檢修設(shè)備種類眾多，運(yùn)動(dòng)方式也是多種多樣，有的需要往復(fù)運(yùn)動(dòng)，有的需要在檢修對(duì)象上按路徑規(guī)劃不斷變換姿態(tài)，這些都需要電機(jī)頻繁的進(jìn)行方向切換，因此轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較重要。

2、空調(diào)中無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)

2.1、系統(tǒng)硬件組成

無刷直流電機(jī)等效電路。功率逆變電路由6個(gè)功率開關(guān)管和6個(gè)二極管并聯(lián)構(gòu)成分別連接到電機(jī)的三相繞組上，三相繞組是星形連接的方式，電路中Us是電源電壓，LM是等效電感，6個(gè)功率開關(guān)管的狀態(tài)由轉(zhuǎn)子的位置來決定。定子上的三相繞組必須要按照一定的順序持續(xù)換相通電形成改變的磁場轉(zhuǎn)矩拖動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)的準(zhǔn)確換相需要清楚轉(zhuǎn)子的位置，轉(zhuǎn)子位置的檢測可用位置傳感器獲取，或者使用無位置傳感器技術(shù)。本文采用無位置傳感器技術(shù)來獲取轉(zhuǎn)子的位置以確定換相，調(diào)整電機(jī)三相繞組通電的順序，完成電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.2、MotorolaMC68HC908MR32芯片簡介

在空調(diào)室外機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中.選用Motorola公司的MC68HC908MR32芯片。該芯片具有以下主要特征：32K字節(jié)的內(nèi)部程序FLASH；768字節(jié)RAM；6通道12位的PWM電機(jī)控制模塊，可作為3路互補(bǔ)PWM信號(hào)輸出，或作為6路獨(dú)立PWM信號(hào)輸出，PWM波極性控制，PWM輸入軟件控制和可編程故障保護(hù)，作為互補(bǔ)輸出時(shí)可以插入死區(qū)時(shí)間；SPI和SCI接口各1個(gè)；6通道16位的定時(shí)器模塊，可以分別定義成輸入捕捉、輸出比較和PWM三種功能，在作為輸入捕捉功能時(shí)，可以捕捉上升沿脈沖、下降沿脈沖或兩者同時(shí)捕捉，此功能為檢測反電勢過零點(diǎn)提供了便利；10通道10位AD轉(zhuǎn)換器。

2.3、功率和驅(qū)動(dòng)電路

功率器件采用IR公司的IGBT-IRG4BC30UD。具有快恢復(fù)二極管的Irg4bc30ud處于硬開關(guān)狀態(tài)，可以在開關(guān)頻率8·40k之間工作。打開時(shí)，集電極與發(fā)射極之間的典型壓降為1.95V，且器件表面溫度不超過100℃，12A的電流可連續(xù)工作。該驅(qū)動(dòng)設(shè)備使用IR公司的高壓浮動(dòng)?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)電路IR2135。IR2135是一款三相橋式驅(qū)動(dòng)電路，其輸出引腳最大輸出電流可達(dá)200mA，最大注入電流可達(dá)420mA，開關(guān)時(shí)間為700ns，死區(qū)為200ns。IR2135可用于三相組合和單相，具有低電壓和過流鎖定功能，具有輸入不平衡保護(hù)功能。IR2135還附帶一個(gè)運(yùn)算放大器。

2.4、反電勢過零檢測部分

無刷直流電機(jī)系統(tǒng)按照繞組反電勢和電流波形分為兩種類型：方波驅(qū)動(dòng)和正弦波驅(qū)動(dòng)。由于運(yùn)動(dòng)控制卡所要控制的對(duì)象為無刷直流電機(jī)，可將控制卡配置成正弦波輸出的伺服電機(jī)電流輸出接口形式和無刷電機(jī)軸輸出方式。采用直流無刷電機(jī)的線性伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器需要和電機(jī)的功率匹配，且可產(chǎn)生正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)運(yùn)動(dòng)。相對(duì)于傳統(tǒng)的梯形波控制模式，正弦模式下電機(jī)的運(yùn)動(dòng)較為平穩(wěn)，力矩輸出也更穩(wěn)定，同時(shí)可以達(dá)到更低的噪聲效果。

3、空調(diào)用無刷直流電機(jī)的控制方式

3.1、PWM矩形波120°通電模式

（1）此通電模式是為了讓電機(jī)卷線繞組各相的通電期間保持120°電氣角，控制上臂橋與下臂橋的開關(guān)，并使電機(jī)電流按U相→V相→W相的順序流轉(zhuǎn)動(dòng)作的一種電機(jī)驅(qū)動(dòng)方法。（2）將轉(zhuǎn)子的傳感位置信號(hào)進(jìn)行簡單的邏輯計(jì)算，形成類似于矩形形狀的驅(qū)動(dòng)波形。（3）此通電模式的特點(diǎn)使控制電路構(gòu)成簡單，價(jià)格便宜；但電機(jī)卷線電流的波形不平滑，抖動(dòng)較大，從而造成電機(jī)的振動(dòng)噪聲也較大。

3.2、正弦波180°通電模式

（1）通電模式是為了讓電機(jī)卷線繞組各相的通電期間保持180°電氣角，控制上臂橋與下臂橋的開關(guān)，并使電機(jī)電流按U相→V相→W相的順序流轉(zhuǎn)動(dòng)作的一種電機(jī)驅(qū)動(dòng)方法。（2）將轉(zhuǎn)子的傳感位置信號(hào)通過較為復(fù)雜的邏輯計(jì)算進(jìn)行高度分解，并形成類似于正弦波形狀的驅(qū)動(dòng)波形。（3）通電模式的特點(diǎn)是控制電路的構(gòu)成較為復(fù)雜，價(jià)格較高；但電機(jī)卷線電流的波形較為平滑，已接近正弦波形，故而對(duì)減低電機(jī)的振動(dòng)噪聲是十分有利。

3.3、雙?？刂萍夹g(shù)

無刷直流電機(jī)具有眾多的優(yōu)勢，但其也存在一些缺陷，其中一點(diǎn)就是其無位置傳感器控制的起動(dòng)技術(shù)存在缺陷，而針對(duì)這個(gè)缺陷應(yīng)運(yùn)而生的是通過雙模式運(yùn)行來對(duì)其進(jìn)行控制的方法。從而使其不僅可以在有位置傳感器模式下進(jìn)行運(yùn)行，還可以在無位置傳感器模式下進(jìn)行運(yùn)行，當(dāng)運(yùn)行過程中，傳感器的信號(hào)沒有發(fā)生問題時(shí)，電機(jī)就使用有位置傳感器模式，當(dāng)傳感器信號(hào)發(fā)生問題時(shí)，則使用無位置傳感器模式。兩種模式的相互補(bǔ)充，能夠讓電機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)更加的穩(wěn)固，使電機(jī)正常運(yùn)行為設(shè)備提供動(dòng)力。

3.4、抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

在一些具體的運(yùn)轉(zhuǎn)中，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題的產(chǎn)生會(huì)直接對(duì)無刷直流電機(jī)在交流隨動(dòng)系統(tǒng)中的使用產(chǎn)生影響，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)其運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生非常不好的影響，由此可見，對(duì)于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制控制非常關(guān)鍵，這關(guān)系到隨動(dòng)系統(tǒng)的服務(wù)性能，對(duì)無刷直流電機(jī)的影響也是至關(guān)重要的，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因有三個(gè)方面。首先，由于齒槽效應(yīng)和磁通畸變都會(huì)引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，針對(duì)這一方面可以從對(duì)電機(jī)的設(shè)計(jì)來進(jìn)行彌補(bǔ)；其次諧波也會(huì)引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，這就要求相關(guān)人員對(duì)諧波進(jìn)行分析，掌握其規(guī)律，減少其引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；最后，相電流換向也會(huì)引發(fā)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，針對(duì)這一問題，可以使用滯環(huán)控制來對(duì)其進(jìn)行抑制，從而使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)得到相應(yīng)的抑制，促使電機(jī)能夠更好的運(yùn)作。

總之，通過對(duì)幾種典型控制電路的原理、性能及特點(diǎn)的對(duì)比分析，說明在實(shí)際工作中科學(xué)選擇合適的控制電路設(shè)計(jì)方案，對(duì)提高電機(jī)效率、降低噪聲和節(jié)省能源等，均會(huì)起到一定的作用。

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