空調用無刷直流電機的控制方式

甘峰

摘要：目前很多空調生產廠家都已經采用直流無刷電機作為壓縮機驅動電機，它克服了采用異步電機作為壓縮機驅動電機效率與功率因數較低，噪聲較大的缺點，且不受電源頻率限制，壓縮機的額定轉速可以設計得較高，既可優化壓縮機的運行功率.又可減小壓縮機的體積。鑒于此，本文主要分析空調用無刷直流電機的控制方式。

關鍵詞：空調；無刷直流電機；控制

中圖分類號：TU756 文獻標識碼：A

1、無刷直流電機的特點

核檢修設備一般都是在對內部的關鍵設備進行檢修時使用，由于輻射環境的影響，其一旦發生故障會對設施產生損傷，并會給設備使用及維護人員增加額外的輻照劑量。從保護和人員安全的角度出發，核檢修設備的可靠性和可維修性一直都是體現核安全的重要特性之一。核檢修設備的驅動方式一般分為電機驅動、氣壓驅動和液壓驅動。其中，電機驅動的應用最為普遍。因此，選擇核檢修設備的驅動電機就顯得尤為重要。交流電機結構簡單，易于維護，但相對效率和可調節性都不高；有刷直流電機由于電刷換向時的物理接觸，會產生噪聲和電磁干擾，而核檢修設備主要利用超聲和渦流兩種無損檢測方法，噪聲和電磁干擾會嚴重影響超聲和渦流信號。隨著無刷直流電機性能的提升，其效率高、干擾少、維護簡單的優勢越來越明顯，因此其在核檢修設備上的應用也越來越廣泛。核檢修設備種類眾多，運動方式也是多種多樣，有的需要往復運動，有的需要在檢修對象上按路徑規劃不斷變換姿態，這些都需要電機頻繁的進行方向切換，因此轉速和轉矩的動態響應比較重要。

2、空調中無刷直流電機控制系統

2.1、系統硬件組成

無刷直流電機等效電路。功率逆變電路由6個功率開關管和6個二極管并聯構成分別連接到電機的三相繞組上，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個功率開關管的狀態由轉子的位置來決定。定子上的三相繞組必須要按照一定的順序持續換相通電形成改變的磁場轉矩拖動轉子轉動。電機的準確換相需要清楚轉子的位置，轉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。本文采用無位置傳感器技術來獲取轉子的位置以確定換相，調整電機三相繞組通電的順序，完成電機的轉動。

2.2、MotorolaMC68HC908MR32芯片簡介

在空調室外機系統的設計中.選用Motorola公司的MC68HC908MR32芯片。該芯片具有以下主要特征：32K字節的內部程序FLASH；768字節RAM；6通道12位的PWM電機控制模塊，可作為3路互補PWM信號輸出，或作為6路獨立PWM信號輸出，PWM波極性控制，PWM輸入軟件控制和可編程故障保護，作為互補輸出時可以插入死區時間；SPI和SCI接口各1個；6通道16位的定時器模塊，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，可以捕捉上升沿脈沖、下降沿脈沖或兩者同時捕捉，此功能為檢測反電勢過零點提供了便利；10通道10位AD轉換器。

2.3、功率和驅動電路

功率器件采用IR公司的IGBT-IRG4BC30UD。具有快恢復二極管的Irg4bc30ud處于硬開關狀態，可以在開關頻率8·40k之間工作。打開時，集電極與發射極之間的典型壓降為1.95V，且器件表面溫度不超過100℃，12A的電流可連續工作。該驅動設備使用IR公司的高壓浮動柵極驅動電路IR2135。IR2135是一款三相橋式驅動電路，其輸出引腳最大輸出電流可達200mA，最大注入電流可達420mA，開關時間為700ns，死區為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功能。IR2135還附帶一個運算放大器。

2.4、反電勢過零檢測部分

無刷直流電機系統按照繞組反電勢和電流波形分為兩種類型：方波驅動和正弦波驅動。由于運動控制卡所要控制的對象為無刷直流電機，可將控制卡配置成正弦波輸出的伺服電機電流輸出接口形式和無刷電機軸輸出方式。采用直流無刷電機的線性伺服驅動器，驅動器需要和電機的功率匹配，且可產生正弦信號驅動無刷電機運動。相對于傳統的梯形波控制模式，正弦模式下電機的運動較為平穩，力矩輸出也更穩定，同時可以達到更低的噪聲效果。

3、空調用無刷直流電機的控制方式

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，并使電機電流按U相→V相→W相的順序流轉動作的一種電機驅動方法。（2）將轉子的傳感位置信號進行簡單的邏輯計算，形成類似于矩形形狀的驅動波形。（3）此通電模式的特點使控制電路構成簡單，價格便宜；但電機卷線電流的波形不平滑，抖動較大，從而造成電機的振動噪聲也較大。

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，并使電機電流按U相→V相→W相的順序流轉動作的一種電機驅動方法。（2）將轉子的傳感位置信號通過較為復雜的邏輯計算進行高度分解，并形成類似于正弦波形狀的驅動波形。（3）通電模式的特點是控制電路的構成較為復雜，價格較高；但電機卷線電流的波形較為平滑，已接近正弦波形，故而對減低電機的振動噪聲是十分有利。

3.3、雙模控制技術

無刷直流電機具有眾多的優勢，但其也存在一些缺陷，其中一點就是其無位置傳感器控制的起動技術存在缺陷，而針對這個缺陷應運而生的是通過雙模式運行來對其進行控制的方法。從而使其不僅可以在有位置傳感器模式下進行運行，還可以在無位置傳感器模式下進行運行，當運行過程中，傳感器的信號沒有發生問題時，電機就使用有位置傳感器模式，當傳感器信號發生問題時，則使用無位置傳感器模式。兩種模式的相互補充，能夠讓電機運行的狀態更加的穩固，使電機正常運行為設備提供動力。

3.4、抑制轉矩脈動

在一些具體的運轉中，轉矩脈動問題的產生會直接對無刷直流電機在交流隨動系統中的使用產生影響，轉矩脈動對其運轉會產生非常不好的影響，由此可見，對于轉矩脈動的抑制控制非常關鍵，這關系到隨動系統的服務性能，對無刷直流電機的影響也是至關重要的，導致這一現象的原因有三個方面。首先，由于齒槽效應和磁通畸變都會引起轉矩脈動，針對這一方面可以從對電機的設計來進行彌補；其次諧波也會引起轉矩脈動，這就要求相關人員對諧波進行分析，掌握其規律，減少其引起的轉矩脈動；最后，相電流換向也會引發轉矩脈動，針對這一問題，可以使用滯環控制來對其進行抑制，從而使轉矩脈動得到相應的抑制，促使電機能夠更好的運作。

總之，通過對幾種典型控制電路的原理、性能及特點的對比分析，說明在實際工作中科學選擇合適的控制電路設計方案，對提高電機效率、降低噪聲和節省能源等，均會起到一定的作用。

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