基于STM8S208RB的空調(diào)壓縮機(jī)控制器的研制

摘要：介紹了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理，設(shè)計(jì)了一種基于STM8S208RB的48V空調(diào)壓縮機(jī)控制器，采用上橋臂開(kāi)關(guān)管斬渡，另一相下橋臂開(kāi)關(guān)管常通的PWM調(diào)制方式，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部AD對(duì)電機(jī)的不通電相的反電動(dòng)勢(shì)采樣，獲得了兩種PWM情況下反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了空調(diào)用無(wú)刷直流電機(jī)的無(wú)位置傳感器控制技術(shù)，然后對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，給出了實(shí)驗(yàn)波形，結(jié)果表明該控制器能有效地實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)和啟動(dòng)失敗造成的堵轉(zhuǎn)過(guò)流保護(hù)，其低成本、高可靠性很好地滿足了空調(diào)壓縮機(jī)的控制要求。
關(guān)鍵詞：STM8S208RB；無(wú)刷直流電機(jī)；無(wú)位置傳感器；快速退磁

無(wú)刷直流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、功率因數(shù)高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，低噪音等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的研究和應(yīng)用越來(lái)越受到人們的重視，隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排的重視。越來(lái)越多的空調(diào)廠商把無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用在變頻空調(diào)壓縮機(jī)中。在傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中，都需要轉(zhuǎn)子位置和速度信息作為反饋信號(hào)，而轉(zhuǎn)子位置、速度的取得幾乎都是利用光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等精密的機(jī)械裝置獲得。在空調(diào)壓縮機(jī)中，由于制冷劑的強(qiáng)腐蝕性，常規(guī)的位置傳感器很難正常工作，因此，研究一種可靠的，低成本的無(wú)位置傳感器的控制方法，成為無(wú)刷直流電機(jī)控制器研究的熱點(diǎn)之一。文中采用ST公司近年來(lái)推出的低成本、高性能的STM8S208RB微處理器作為控制核心，采用片內(nèi)AD直接采樣非導(dǎo)通相的端電壓作為檢測(cè)方案，具有較高的性價(jià)比，實(shí)現(xiàn)了變頻空調(diào)控制器的設(shè)計(jì)。

1 意法半導(dǎo)體STM8S208RB單片機(jī)簡(jiǎn)介
STM8S208RB是意法半導(dǎo)體一種高性能內(nèi)核的單片機(jī)，具有增強(qiáng)的Harvard＆CISC架構(gòu)，運(yùn)行速度高，處理能力強(qiáng)，具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，便于使用和模塊化設(shè)計(jì)，被廣泛應(yīng)用于無(wú)刷直流電機(jī)的控制。該單片機(jī)具體性能指標(biāo)如下：1)內(nèi)核：2．95～5．5 V的寬工作電壓，-40～+125℃工作環(huán)境溫度，具有3級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，在24 M晶振頻率工作時(shí)，可達(dá)20 MIPS。2)程序存儲(chǔ)器：最多128 K字節(jié)Flash；10 K次擦寫后在55℃環(huán)境下數(shù)據(jù)可保存20年。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：多達(dá)2 K字節(jié)可擦寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)eeprom，可達(dá)30萬(wàn)次擦寫；RAM：多大6 K字節(jié)；3)定時(shí)器：2個(gè)16位通用定時(shí)器，1個(gè)16位高級(jí)控制定時(shí)器，帶4個(gè)CAPCOM通道，3個(gè)互補(bǔ)輸出，死區(qū)插入和靈活的同步功能。4)可達(dá)16個(gè)通道的10位A／D轉(zhuǎn)換器，最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為2．33μs。

2 無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制技術(shù)
2．1 空調(diào)壓縮機(jī)及無(wú)刷直流電機(jī)的組成結(jié)構(gòu)
在使用無(wú)刷直流電機(jī)的空調(diào)壓縮機(jī)系統(tǒng)中，主要由壓縮機(jī)、電機(jī)和控制器3個(gè)部件分組成。無(wú)刷直流電機(jī)的電機(jī)本體類似于永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)，其定子是電樞，轉(zhuǎn)子是永磁體，稀土永磁材料的使用，大大減小了無(wú)刷直流電機(jī)的重量、簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)、提高了性能，相比普通直流電機(jī)，它去掉了由換向器和電刷組成的機(jī)械接觸結(jié)構(gòu)，采用電子開(kāi)關(guān)換向裝置，使其可靠性得以提高。當(dāng)無(wú)刷直流電機(jī)定子繞組的某一相通以電流時(shí)，該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永久磁鋼產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)電路中的功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通次序產(chǎn)生的磁場(chǎng)是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，從而起到了機(jī)械換向器的換向作用。
2．2 無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型
無(wú)刷直流電機(jī)在理想情況下具有平頂寬度120°的梯形波反電動(dòng)勢(shì)，電機(jī)通過(guò)電子開(kāi)關(guān)輸出方波電壓或電流，并與電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)保持適當(dāng)?shù)南辔魂P(guān)系，從而產(chǎn)生有效電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。目前所使用的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)多采用三相星型繞組，工作在兩兩導(dǎo)通、三相六狀態(tài)方式下，如圖1所示。

對(duì)于采用繞組Y型聯(lián)結(jié)，三相六狀態(tài)120°兩兩通電方式的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。假設(shè)無(wú)刷直流電機(jī)三相繞組對(duì)稱，則三相電壓方程可以表示為：

式中Ua，Ub，Uc電機(jī)三相繞組對(duì)地電壓(端電壓)；ia，ib，ic電機(jī)三相繞組電流；Ea，Eb，Ec，電機(jī)三相繞組反電動(dòng)式；Ra，Rb，Rc電機(jī)三相繞組電阻；La，Lb，Lc電機(jī)三相繞組的自感；Un為中性點(diǎn)對(duì)地的電壓；Mab為A相繞組和B相繞組的互感，其他同理。由假定可知，Ra= Rb=Rc=R；La=Lb=Lc=Ls；Mab=Mac=Mba=Mbc=Mca=Mcb=M；ia+ib+ic=0；如果令L=Ls-M，代入公式，整理得：