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稀土永磁无刷直流电动机空调压缩机控制策略控制器无位置传感器
__-_-_________-____-__●___●___-_-___-_∞__一tt---●-_H______l-_-___-l__--_●--__-----_-l_--●
Abstract
Withpeoplelivingstandardbeingraised,constantspeedair—conditionscan’tmeetmorehighdemandofconsumers.Therearetheseflawsinconstantspeedair—condition:
thecapabilityofadjustingtemperatureislow,temperaturefluctuationisbig,air—conditionisstart。
uppedandstoppedfrequentlyanditsefficiencyislow.Sovariablefrequencyair—conditiongrowsinpopularity.Variablefrequencyair—conditioncanmaketemperaturelowrapidly,temperatureismaintainedinlowspeed,variablefrequencyair—condition’sefficiencyishighandeconomiesenergy.Soitreplacesconstantspeedair・conditions,whichisdevelopmenttrendinair-conditionfield.
Drivemotorsusedinvariablefrequencyair—conditioncompressorareusuallyasynchronousmotorsorDCmotors.Asynchronousmotorsare
notonlyefficiencylowbutalsocontrolledcomplex,thereisamechanicalcommutationfaultinDCmotors.brushlessDCmotorisasortofhighperformancedrivemotor,itreplacescompressordrivemotorbyandby,whichisinevitabletrend.So,itissignificativetoresearchcontrolstrategyofair—conditioncompressorpermanent—magnetbrushlessDCmotor.
Basicstructureandoperationprincipleofpermanent—magnetbrushlessDCmotorareintroducedinthisthesis;
hardwarecircuitandmaincircuitanddrivecircuitaredetailedspecially,choiceofpowertransistorandTMS320LF2407chipandchoiceofIR2130andIR2110chipparametersaredissertatedfully;
theprincipleandalgorithmofBEMFcrossingzeropointdetection,start-upstrategy,softwarecommutation,speeddetection,designsofcurrentregulatorandspeedregulatorareintroducedseparatelyinthisthesis,theideaofsoftwarerealizing
II
hardwarefunctionisadopted,analogdesignmethodisadoptedwhencurrentregulatorandspeedregulatoraredesigned;
atlast,accordingtoresearchingscheme,partialexperimentsarecarriedon,hardwarecircuitandsoftwareareprovedreasonablebyresults.
Keywords:
Rare—earthPermanent-magnetBrushlessDCMotorAir—conditionCompressorControlStrategyControllerPositionSensor】ess
Ill
第1章绪论
1.1空调压缩机驱动电机的现状
空调业是家用电器领域的一个重要分支。
空调的核心部件是空调压缩机。
目前,家用变频空调压缩机驱动电机一般选用单相异步电机或直流电动机,大功率空调压缩机则采用三相异步电动机。
由于压缩机电机工作在短时重复起停状态,必然会带来起动频繁、冲击电流大以及降低压缩机电机的使用寿命,而且.制冷温度上下波动大,即温度稳定性差等一系列弊病;
另一方面,异步电动机效率与功率因数较低、噪声大、控制复杂。
随着人们生活水平的不断提高,对家用电器的要求也越来越高。
现在对空调器的要求是高效率、低噪声和高舒适性,于是变频空调就成为首选。
它不但可使电机实现软起动、减小电流冲击、延长电机寿命,还可以通过平滑速度调节实现可变制冷(即快速制冷、低速维持,提高温度稳定性,减少噪音和振动。
由于电力电子技术、微电子技术、交流调速技术以及计算机控制技术的迅速发展,空调压缩机采用变频控制成为制冷系统的发展方向。
早在20年前,国外变频空调就已大量生产,在国内,对变频空调压缩机驱动电动机的研究也方兴未艾…。
目前,空调压缩机驱动电机主要有异步电动机、直流电动机、无刷直流电动机等三种。
异步电动机作为空调压缩机的驱动电机比较普遍。
空调压缩机异步电动机驱动系统由异步电动机、驱动控制器和速度传感器组成。
异步电动机的转子为笼型结构,定子上有三相绕组。
笼型结构异步电动机简单牢固、可高速旋转、免维护、成本低。
三相异步电动机电磁转矩:
To。
=C,弘i・cosq0:
(,;
为转予折算电流,由此可见,控制异步电动机的电磁转矩应对电机磁通毋、转子电流和功率因数三个物理量进行控制LZbJ。
由于磁通、转子电流和功率因数相互间存在耦合关系,所以,异步电动机的转
矩控制要比直流电动机困难得多。
有刷直流电机相对于异步电动机有以下一些优点:
控制性能好,机械特性硬,过载能力强。
但由于有刷直流电动机是通过换向器和电刷实现换向,这种机械换向方式也带来了一系列致命的弱点:
①电刷与换向器摩擦接触、损耗大、寿命短,需要维护;
②电刷与换向器压力接触靠弹簧,容易产生接触不可靠,故障随之增多;
③电刷与换向器容易产生换向火花或环火,噪声大,电磁干扰大,因此有刷直流电动机作压缩机驱动电机并不是一个理想选择…。
永磁无刷直流电动机具有交流电机的结构,又具有直流电动机的调速特性。
永磁无刷直流电动机与相同功率的其他类型的电动机相比,效率和功率密度高,免维护,是一种高性价比的驱动电机。
当定、转子磁场正交时,无刷直流电动机的电磁转矩为L;
C,Ⅳ。
与直流电动机是相同的,所有有刷直流电动机的控制方法都适合永磁无刷直流电动机。
因此,永磁无刷直流电动机是变频空调压缩机的理想驱动电机。
1.2无刷直流电动机及发展状况
无刷直流电动机(BrushlessDirect.CurrentMotor经历了四十余年的发展。
早期进展缓慢,直到近十多年来,随着电力电子技术、微电子技术、微机和稀土永磁材料的快速发展,稀土永磁无刷直流电动机才得以迅速推广应用。
目前,稀土永磁无刷直流电动机的发展已经与大功率开关器件、专用集成电路、稀土永磁材料、微机、现代控制理论及电机理论的发展紧密结合,体现着当今应用科学的许多新成果,因而显示出广泛的应用前景和强大的生命力。
第三代稀土永磁材料钕铁硼的出现,对无刷直流电动机的发展起着强有力的推动作用。
采用稀土永磁体的无刷直流电动机不仅保持了铁氧体永磁、铝镍钴永磁等传统无刷直流电动机的优点,如可靠性高、维护方便、结构简单、特性好、散热容易、转速不受机械换向限制、噪声小等、而且
还具有许多其他的优越性”。
。
稀土永磁材料的高磁能积使得电机的重量降低,体积明显减小。
稀土永磁材料的矫顽力Hc高,剩磁口,大,因而可产生很大的气隙磁通,大大缩小了永磁转子外径,从而减小转子的转动惯量,降低时间常数,改善电机的动态特性。
同时,在保持一定气隙磁感应强度的条件下,气隙宽度可以选取较大值,这样可以减小由于齿槽效应引起的转矩脉动,也可以抑制电枢反应对于转矩脉动的影响。
稀土永磁材料的内禀矫顽力日“极高,磁场定向性好,因而容易实现在气隙中建立近似于矩形波的磁场,电机可设计成方波电机,当与120。
导通型三相逆变器相匹配,可实现方波驱动,从而可有效地减小转矩脉动,同时提高电机出力。
而且,电枢反应对稀土永磁体的去磁作用较小,故稀土永磁无刷直流电动机更适合突然反转、堵转驱动等特殊运行场合的性能需求。
稀土永磁材料的去磁曲线是线性的、可逆的,该特性给稀土永磁无刷直流电动机的工作点计算带来方便,简化了磁路设计和磁场分析方法。
由于稀土永磁无刷直流电动机具有上述一系列优点,因而其用途更广泛,特别适合于对性能、体积重量要求更高的场合,如航空航天、电动汽车、精密电子仪器与设备、工业自动化和现代家用电器等领域。
稀土永磁材料矫顽力高、抗去磁能力强,且常规去磁曲线在大范围线性可逆等特点为永磁直流无刷电动机的设计开辟了广阔的前景。
同时现代电力电子器件工艺日益成熟,出现了电力晶体管(VrR、门极可关断晶闸管(Gm,功率场效应晶体管(VDMOS,特别是绝缘栅门极晶体管(IGBn、MOS可控晶闸管(MCn的开发成功,使无刷直流电动机的功率驱动电路的可靠性和稳定性得到了保障,因此无刷直流电动机(BLDCM成为国内外研究的热门课题。
在国外,BLDCM的研究和应用取得很大的进展。
如日本仓毛电器公司研究出的的KRK系列产品,西门子公司推出的AD系列产品。
在大功率无刷直流电动机方面,工业级的永磁无刷直流电动机及驱动系统已达到7.35~92kW的功率范围。
美国的AhmedRubanf博士及其同事共同研制出
3
一种新型的永磁BLDCM,其转子跟普通的BLDCM一样,而定子却和有刷的直流机的转子极为相似,并能以转子位置传感器及逻辑开关电路,使定子绕组依次换相。
其特点为:
大大减少了转矩波动,较大范围内自然换相,充分提高了电机体积的利用率。
再如,美国的,Y.Hung博士等人,利用定子电流谐波最优权重的设计方法,通过电流调节器等装置有效减小电磁转矩及齿槽转矩和齿槽引起的波动。
国外公司的BLDCM产品已经占据了不同的应用领域…。
1.3无刷直流电动机的基本结构及运行原理
永磁无刷直流电动机由电子开关线路、永磁电机本体以及位置传感器三者组成,图1.1是无刷直流电动机结构框图。
图1.1无刷直流电动机框结构图
三相六状态无刷直流电动机工作原理如下:
当转子永磁体位于图1.20所示位置时,转子位置传感器输出转子位置信号,控制电路输出驱动信号给逆变电路(图1.3,使功率管Q1、Q6导通,即绕组A、B通电,
4进B出,电枢绕组在空间的合成磁势凡如图1.2所示,定转子磁场相互作用拖动转子顺时针方向转动,电流流通路经为:
电源正极一Q1管叫相绕组一B相绕组一Q6管一电源负极。
当转予转过60。
电角度达到图1.2(b中的位置时,转子位置传感器输出转子位置信号,经过逻辑变换后使功率管Q6截止,Q2导通,此时Q1仍然导通,则绕组以、C通电,4进C出,电枢绕组在空间的合成磁势凡如图1.2(b所示,定转子磁势相互作用使转子继续沿着顺时针方向转动,电流流通路径为:
电源正极一01管一4相绕组一C相绕组一Q2管一电源负极,依次类推。
4
从图1.2(a到图1.2(b的60。
电角度范围内,转子磁场顺时针连续转动,而定子磁场在空间保持图1.2m中凡的位置不动,只有当转子磁场转过60。
电角度达到1.2(b中Fi位置时,定子磁场只才从图1.2(口中的位置转到图1.2(6的位置。
可见定子磁场在空间不是连续旋转的,而是一种跳跃式旋转磁场,步进角度为60。
电角度。
“。
AA
(a(b
图1.2无刷直流电动机运行原理示意图
转子每转过60。
电角度,逆变器功率管之间就进行~次换流,定子磁状态就改变一次。
可见电机有6个磁状态,每一状态都是两两导通,每一相绕组中流过电流时间相当于转子旋转120。
电角所对应的时间,每个功率管的导通角为120。
故该逆变器为120。
导通型。
造8遥i}逢j
A,\,1,、——
R,、^^
£,、,、,、
逢i}逛8遥》f
图1.3无刷电机逆变电路
图1.3是无位置传感器无刷电机逆变电路。
控制电路根据转子位置的信号产生脉宽调制PI肼信号,经过驱动电路放大送至逆变器各功率管门极,从而控制电动机各相绕组按一定顺序导通。
5
1.4课题的来源及意义
本课题为2002年度湖北工业大学科学技术基金重大项目。
随着人民生活水平的提高,空调已经走进了千家万户,且单机容量也越来越大,在夏季高温季节,空调负荷在电网中占有相当大的负荷比重。
众所周知,压缩机是空调核心部件,电能主要是被压缩机所消耗,而目前空调压缩机大多采用单相异步电动机或三相异步电动机,而异步电动机性能较低,尤其是效率低、且难于控制。
而永磁无刷直流电动机效率高、优良的调速特性,是空调压缩机中驱动电机的理想替代电动机。
所以研究空调压缩机控制系统,以及在此基础上开发高效节能压缩机控制系统,这对节约能源,降低运行成本,推动空调产业的技术进步和变频空调器的升级换代等都具有重大的意义。
目前,特别是在国内能源紧缺的大环境下,开发高效节能空调有巨大的社会效应和经济效益。
同时我国的稀土资源丰富,钕铁硼永磁材料在国内市场上的价格相对较低,研究稀土节能空调压缩机的调速,开发高效节能空调器用于出口,在国际市场上具有较强的价格竞争力。
第2章无刷直流电动机控制器硬件电路
任何控制系统都以硬件为依托,本文所研究的系统选用TMS320LF2407D印芯片作为控制器的硬件核心,主电路的驱动芯片采用侬公司的1R2130、IR2110芯片,这使控制器的硬件电路变得简洁紧凑。
本章详细介绍了硬件电路的基本结构,控制器主电路、功率管的选择、DSP芯片、主电路驱动芯片及功率关管驱动电路、隔离电路等。
2.1硬件电路整体结构
硬件电路由主电路与驱动控制电路构成,主电路图和驱动控制电路图分别如图2.1、2.2所示。
:
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再Dsr{斩波部分谨部分
图2.1主电路本系统微处理器采用Ⅳ公司的电机专用控制芯片LF2407作为控制器的核心部件,本文设计了逆变部分的驱动电路、斩波部分的驱动电路、反电动势检测电路、隔离电路、正反转和停车控制电路。
2.2主电路介绍及相关元件的选择2.2。
1主电路工作原理
驱隔刮}端和
动电电
芯压流检采
片离测样
l车正1.到
型7:
图2.2控制电路框图
采用如图2.1所示的主电路,可以使无刷直流电动机四象限运行,该电路包括斩波部分与逆变部分,斩波部分控制电动机电动与制动,逆变部
分控制电动机的换相以及转速。
斩波部分由功率管Q,、Q。
与二极管D,、D。
组成,其中Q,、D。
控制电动机电动运行,Q8、D,控制电动机的制动运行。
当电动机处在电动工作状态时,PWM信号控制功率管Q,斩波,控制逆变部分直流电源的电压;
其
中,厶与c,构成斩波部分的滤波电路,Q,导通时电流流经Q,、厶、逆变器功率管、电动机绕组构成回路;
当Q,关断时,回路中的滤波电感上1、电动机绕组电感经二极管玟续流,电路通过调节Q,的占空比,来调节逆变器的直流电源电压,可以控制电动机转速”“““…。
电动机制动时,PWM控制功率管Q8斩波,当Q8导通时,Q。
、上,、逆变器的续流二极管、电动机绕组形成回路,电动机反电动势使绕组电流反向,形成制动转矩;
当Q。
关断时,电流经D,、电源测的滤波电容续流,通过调节级的占空比,就可以调节制动电流的大小,即调节制动转矩的大小。
控制器主电路虽然可以实现电动机四象限运行,但是本文并没有实现电动机的四象限运行。
在本系统中,主电路工作原理是:
Q,导通级关断,8
湖北工业大学硕士学位论文
控制逆变部分功率管的占空比和导通顺序实现电动运行;
Q8导通Q,关断,控制逆变部分功率管的导通顺序可实现电动机制动运行。
所以把DSP的某两个I/0口设置成普通的I/0功能,I/0端口的输出通过驱动芯片IR2110后再驱动Q,和Q。
由上面分析,电动机电动与制动运行时,某一时刻电流流通的路径如图2.3、2.4所示。
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‘~斩波部分F逆变部分图2.4某一时刻电动机电动运行时电流路径
2.2.2功率管选择
(1确定电压额定值U&
主电路上的功率管MOSFET,其输入端并联了电容,起到缓冲波动和9
抗干扰的作用,因此安全系数不必取的太大。
主电路输入电压300V,平波后的直流电压由下式确定,式中1.1为波动系数,一般安全系数8=1.1。
Ud=300x叫r2x1.1xa=513V
关断时的峰值按下式计算
U%P=513×
1.15=590V
式中,1.15为过电压保护系数,令u。
≥u。
并向上靠拢MOSTET的实际电压等级,取uc£P=600V。
(2确定电流额定值J.
根据电动机额定功率计算功率管的额定电流。
主电路输入电压Uo.=300V,可得:
P=UoI。
t
Uo=O.9U。
I。
=I。
/(42×
1,5X1.4
。
=16.5.4
式中,P为主电路输出功率;
0.9为电压的波动系数;
√2为to.,的峰值;
1.5为过载容量系数;
1.4为I,减小系数。
因为功率器件手册上给的,,是结温25。
C的条件下,在实际工作时,由于功耗结温升高,J,的实际允许值将下降(1/1.4—70%,所以选择MOSFET管IRFP460。
功率管IRFP460内部有续流二极管。
在功率管换相的瞬间,它两端的电压立刻变为OV,负载电流也变为0,但是电路中存在电感,它具有阻碍电流变化的性质,即流过电感的电流不能急剧变化;
在断开电流时,会有瞬间高压加在功率管的漏源极之间,它超过功率管的最大额定值,将功率管立即烧毁,功率管内部的续流二极管的作用就是在功率管换相时为电感电流提供续流通路[39]。
通常MOSFET中存在一个反并联的二极管,可提供感性线圈无功电流通路。
所以,当源极电位高于漏极时,这个二极管导通。
但是在高频电路中不能使用体内二极管,必须另并联超快速二极管。
lO
2.2.3斩波器与逆变器的驱动电路
主电路功率器件采用MOSFET全控型器件,该器件需要独立的驱动电路驱动,驱动电路的供电电源与主电路电源应彼此隔离,这无疑增加了辅助电源的设计困难和成本,同时也使驱动电路变得复杂,降低了电路的可靠性。
美国国际整流公司生产的专用驱动芯片IR2130只需一个供电电源,可以使整个驱动电路简单可靠……“。
本文采用IR2130作为三相逆变桥的前置驱动器,图2.5为1R2130驱动器内部结构图…1,IR2130芯片可用来驱动工作母线电压不高于600V电路中的MOSTET或IGBT,其输出的最大正向峰值驱动电流为250mA,反向峰值驱动电流为500mA,输出驱动电压在10一20V之间,它自身的工作电压范围较宽(3—20功,并且它内部设有过流、过压及欠压保护、封锁和指示网络,可方便地用来保护功率管。
2.5[172130驱动器的内部结构图
前置驱动器IR2130的HIN。
、L1N,(x=t、2、3引脚的输入信号分别来自DSP的PWMx肛+J(x=1、3、5引脚,这几路信号经过光耦隔离后,再通过芯片IR2130内部逻辑电路后得到日仉、LO。
(x=1、2、3、,然后驱动
功率管。
逆变部分驱动电路如图2.6所示,图中,豫,P和FA观r引脚用于过流保护,ITRIP引脚输入信号是通过分压电阻分压后得到的信号,该信号经过芯片内部比较器,然后与芯片欠压检测输出信号进行或运算,或运算的输出可以封锁PWM信号的输出。
当FAULT脚输出为低电平时,说明电路发生过流或芯片工作在欠压状态下,此时,FAULT的低电平输入到
DSP的PDPINTA,日引脚,给DSP一个外部中断信号,DSP封锁PWM信号输出,同时发光二极管发光指示故障。
1R2130芯片的外围电路,选择自举电容和自举二极管很关键。
首先,自举二极管助应选用高速型的二极管且U。
≥600V:
其次,自举电容可以按照公式(2—1fu(2—2进行计算,然后选择其中较大值。
吣话罴瓢‘21式中:
Q6~上桥臂MOSFET的栅极电荷:
U。
一低端固定电压:
u∞fDⅣ一下桥臂MOSFET的导通电压:
叽~M0s髓r导通的最低电压;
c一瓦面IeBs磊ton(mx×
2(2—2
式中:
』。
一高端电源U。
的静态电流;
tou(ma:
1一上桥臂MOSFET的最大开通时间;
查IRFP460资料得QG=210nC、Ucc=15V、U∞r“1=3V、UL=IOV。
经公式(2—1计算得G。
;
o.21妒、已知‰--30倒:
再由公式(2—2计算得C。
=1.5/xF。
取较大值并考虑一定裕量,于是
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