摘要：针对直流变频空调压缩机的控制需求，设计了以dsPIc30F4011为核心的室外压缩机因无刷直流电动机控制器，给出了硬件设计框图，重点介绍了反电势积分法和升频升压法在压缩机电机控制中的应用。实验结果表明，控制器设计合理，能够满足实用要求。
    关键词：dsPIc30F4011；反电势积分；升频升压；压缩机；无刷直流电动机
   0  引  言
    在空调制冷行业，基于无刷直流电机(BLD-cM)技术的直流变频空调器的节能效果十分突出，工作效率比交流变频空调器高10％～30％，运行噪声低5 dB一10flB。因此，直流变频空调器已成为未来空调器的主要发展趋势，具有广阔的市场前景。空调器的核心是压缩机，而压缩机的动力是驱动电机，因此压缩机电机的运行状态、效率、噪声等对整个空调器的性能具有决定性影响。
    本文以永磁BLDcM为被控对象，以dsPIc30F4011芯片为核心微处理器、采用反电势积分法的无位置传感器控制方案和升频升压法起动技术，设计了一套用于变频压缩机的电控系统。实验结果表明，压缩机电机的运行状态良好，可满足空调器的使用要求。
    1控制器硬件设计
    变频压缩机用的无位置传感器无刷直流电机实质上是一台由永磁同步电机、电子开关电路及转子位置检测器组成的控制系统。
    而压缩机采用无刷直流电机结构时，要求采用无位置传感器方式工作，以满足使用环境的要求。
    无位置传感器控制技术的核心是间接获得可靠的转子位置信号，控制功率器件的开通与关断，实现无刷直流电机的换相控制。近年来，国内外出现了很多转子位置检测方法。其中反电势积分法降低了检测电路对开关噪声的敏感性，能够方便地实现电流超前换相控制，使逆变器换相时间能够跟随转速变化，进行自动调整。本文采用反电势积分法实现压缩机电机的无位置传感器控制。
    专用嵌入式DsP控制器运用于压缩机的控制时，能够实现电控系统体积紧凑、成本低、实时性能好、工程化应用效果好等诸多优点。本文控制系统以dsPIc30F401 1为核心微处理器。该处理器是16位电机控制专用定点数字信号控制芯片，具有抗电磁干扰能力强、外设多和存储器容量大等优点。dspPIc30F401l具有以下特点：集成了高速DSP运算单元，****工作速度可达30 MIPS；48 k的ROM／FLASH，2 k字节的RAM和l k字节的EEPROM；集成多个16位定时器，并可组合成32位定时器工作；集成了SPI接口、12C总线接口和可寻址通用串行总线收发器；集成了光电编码器接口和9通道lO位A／D转换器、电机控制PWM模块，满足不同种类电机的控制需求。
    图l是变频压缩机控制系统原理框图。交流电源经过整流滤波后产生300 V直流电源作为系统电源。dsPIC3017401 产生的PwM调制信号经驱动放大电路输入到逆变器，控制各个功率管的开关状态，实现对电机绕组的换相控制。dspic30F401l根据反电势检测电路对转子的位置检测信息，作为压缩机换相控制依据，实现换相控制。电压检测电路实时监测直流母线电压，当电网电压过低或过高时，关闭PWM输出，防止损坏控制器和压缩机，并防止压缩机在起动过程中出现堵转。电流传感器检测系统工作电流，不仅起到过流保护作用，还能实现系统的电流闭环控制。串行通讯电路用来实现dsPIc30F401l与Pc机之间的通信，方便系统调试，并可扩展实现与空调室内机控制器的信息传递。

    2控制器关键技术
    2．1转子位置检测
    本文采用反电势积分法检测转子位置信号。
    图2为反电势积分过零比较电路的原理图。Uaubuc是直流电机的三相绕组反电势输入电压。
    R1与R2、R3与R4、R5与R6分别构成了绕组反电势信号的分压电路，C1、c2和c3并联在分压电阻的两端，起到一定的滤波作用。以A相反电势信号为例，经过分压后通过由运算放大器和R7、R8、R9以及c4构成的积分器实现相位90°电角度延迟功能。积分器输出信号再与零电压进行比较，其输出信号就代表了转子的位置换相信息。设置比较器工作在滞回比较方式，利用滞回电压差来消除过零点附近的干扰信号所可能诱发的错误输出信号。

    由于电容在不同输入频率下表现出的阻抗不同，因此对于同等幅值、不同频率的绕组反电势信号，会产生不同程度的相位偏移。为此，需要求出图2所示电路的相频特性，获得不同转速下反电势检测电路的相位偏移角，作成一张表格存放在微控制器的存储器中。微控制器依据计算转速查找表格，实现不同转速的相位补偿。
    2．2外同步开环起动
    当压缩机静止或者转速较低时，绕组的反电势信号幅度较低，无法准确可靠地进行检测，必须采用其它方法。升频升压法能在一定速度范围内使无刷直流电机实现空载、半载以及带一定负载惯量情况下可靠起动，无反转现象，能够满足大多数场合的应用要求。本文采用升频升压起动技术。图3为升频升压法转速变化示意图。

    起动时，首先给压缩机提供一个确定的通电状态并维持一定的时间，定子绕组产生的合成磁势吸引转子转到与之垂直的位置，从而能够获得一个准确的转子位置。这就是转子的预定位，如    图3中的曲线l所示。之后，依据旋转方向的要求，依次改变功率管的触发导通顺序，使逆变器的换相频率逐渐增加，与此同时逐步提高PwM驱动信号的占空比，使无刷直流电机的定子电压逐步升高，从而使电机逐渐加速。当压缩机的转速升高到某一定值后，绕组反电势检测电路能够获得比较可靠稳定的输出，升速过程结束，如图3中的曲线2所示。当转速达到某一设定值后，开始检测外同步信号与反电势检测信号之间的相位差，当该相位差6连续多次小于等于某一阈值△时，由软件完成切换工作。切换过程示意图如图4所示。

    在切换过程中，需要多次连续检测相位差ζ均小于阈值，才能切换。如果切换时误差6过大，会导致切换失败，电机失步停转甚至损坏。外同步信号与自动步信号切换的阈值相位差△的大小，取决于电机电压、负载和电流等因素，需要根据系统进行综合考虑。
    3实验结果
    压缩机电机样机参数如下：极对数为2，额定转速8 000 r／min工作电压300 V，绕组相电阻21．35 n，绕组相电感0．56 mH。JsPLC30F401l采集到反电势检测电路的输出后，根据计算转速进行相位补偿，由补偿后的信号控制电机换相。换相信号与PwM驱动信号、绕组工作相电流之间的测试曲线如图5所示，可见补偿后的信号能够使压缩机电机在无位置传感器条件下正常工作。

    当压缩机转速很低时，无法使用反电势积分法实现可靠换相，因此必须采用其它方法使之顺利起动并加速。本文采用了升频升压法实现这一功能。压缩机起动过程测试曲线如图6所示。初始起动转速为120 r／min，经不断地测试，压缩机转速达到300 r／min时已经能够顺利实现状态切换。
    而一般压缩机的****转速为800 r／min，拓宽了转速范围。图中外同步开环加速阶段电机的工作电流较大，电机发热现象严重，这是因为定子／转子磁场没有相互配合造成的。

    实验结果显示，本文所讨论的压缩机控制器实现简单，成本低，可控性好，可靠性高，直流变频压缩机的转速控制范围为300 r／min一10 000 r／min，能够满足空调器的工作要求，可以应用于直流变频空调产品的开发，具有较好的产业化前景。
    参考文献

    [1]黄跃进，徐鸣，沈希，等基于直流变频技术的压缩机控制器设计[J]．压缩机技术，2005，(5)：20-23．[2]宋海龙，杨明，范宇，等无刷直流电机的无位置传感器控制[J]．电机与控制学报，2002，6(3)：208_212．[3]汪辉．嵌入式芯片DsP在直流变频空调中的应用[J]．集成电路应用，2004，8：3203．[4]吴筱辉，程小化，刘杰．反电势法检测转子位置的无刷直流电机起动方法[J]微电机，2005，38(4)：79-81作者简介：孙民(1971一)，男，歧山人，博士研究生，从事制冷系统设计及控制技术研究。
    李声晋(1964一)，男，教授，博导，研究方向为伺服系统设计及数字控制技术、运动载体电气传动研究。