基于STM8S208RB的空調壓縮機控制器的研制

摘要：介紹了無(wú)刷直流電動(dòng)機的基本工作原理，設計了一種基于STM8S208RB的48V空調壓縮機控制器，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調制方式，通過(guò)單片機內部AD對電機的不通電相的反電動(dòng)勢采樣，獲得了兩種PWM情況下反電動(dòng)勢的過(guò)零點(diǎn)，實(shí)現了空調用無(wú)刷直流電機的無(wú)位置傳感器控制技術(shù)，然后對其進(jìn)行了實(shí)驗研究，給出了實(shí)驗波形，結果表明該控制器能有效地實(shí)現過(guò)載保護和啟動(dòng)失敗造成的堵轉過(guò)流保護，其低成本、高可靠性很好地滿(mǎn)足了空調壓縮機的控制要求。
關(guān)鍵詞：STM8S208RB；無(wú)刷直流電機；無(wú)位置傳感器；快速退磁

無(wú)刷直流電機具有結構簡(jiǎn)單、效率高、功率因數高、轉動(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)機的研究和應用越來(lái)越受到人們的重視，隨著(zhù)國家對節能減排的重視。越來(lái)越多的空調廠(chǎng)商把無(wú)刷直流電動(dòng)機應用在變頻空調壓縮機中。在傳統的無(wú)刷直流電機驅動(dòng)控制系統中，都需要轉子位置和速度信息作為反饋信號，而轉子位置、速度的取得幾乎都是利用光電編碼器、旋轉變壓器等精密的機械裝置獲得。在空調壓縮機中，由于制冷劑的強腐蝕性，常規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AD直接采樣非導通相的端電壓作為檢測方案，具有較高的性?xún)r(jià)比，實(shí)現了變頻空調控制器的設計。

1 意法半導體STM8S208RB單片機簡(jiǎn)介
STM8S208RB是意法半導體一種高性能內核的單片機，具有增強的Harvard＆CISC架構，運行速度高，處理能力強，具有豐富的片內外設，便于使用和模塊化設計，被廣泛應用于無(wú)刷直流電機的控制。該單片機具體性能指標如下：1)內核：2．95～5．5 V的寬工作電壓，-40～+125℃工作環(huán)境溫度，具有3級流水線(xiàn)結構，在24 M晶振頻率工作時(shí)，可達20 MIPS。2)程序存儲器：最多128 K字節Flash；10 K次擦寫(xiě)后在55℃環(huán)境下數據可保存20年。數據存儲器：多達2 K字節可擦寫(xiě)數據存儲區eeprom，可達30萬(wàn)次擦寫(xiě)；RAM：多大6 K字節；3)定時(shí)器：2個(gè)16位通用定時(shí)器，1個(gè)16位高級控制定時(shí)器，帶4個(gè)CAPCOM通道，3個(gè)互補輸出，死區插入和靈活的同步功能。4)可達16個(gè)通道的10位A／D轉換器，最小轉換時(shí)間為2．33μs。

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

對于采用繞組Y型聯(lián)結，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。假設無(wú)刷直流電機三相繞組對稱(chēng)，則三相電壓方程可以表示為：

式中Ua，Ub，Uc電機三相繞組對地電壓(端電壓)；ia，ib，ic電機三相繞組電流；Ea，Eb，Ec，電機三相繞組反電動(dòng)式；Ra，Rb，Rc電機三相繞組電阻；La，Lb，Lc電機三相繞組的自感；Un為中性點(diǎn)對地的電壓；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：