基于STM8S208RB的空調壓縮機控制器的研制

摘要：介紹了無刷直流電動機的基本工作原理，設計了一種基于STM8S208RB的48V空調壓縮機控制器，采用上橋臂開關管斬渡，另一相下橋臂開關管常通的PWM調制方式，通過單片機內部AD對電機的不通電相的反電動勢采樣，獲得了兩種PWM情況下反電動勢的過零點，實現了空調用無刷直流電機的無位置傳感器控制技術，然后對其進行了實驗研究，給出了實驗波形，結果表明該控制器能有效地實現過載保護和啟動失敗造成的堵轉過流保護，其低成本、高可靠性很好地滿足了空調壓縮機的控制要求。
關鍵詞：STM8S208RB；無刷直流電機；無位置傳感器；快速退磁

無刷直流電機具有結構簡單、效率高、功率因數高、轉動慣量小，低噪音等優點。近年來，永磁無刷直流電動機的研究和應用越來越受到人們的重視，隨著國家對節能減排的重視。越來越多的空調廠商把無刷直流電動機應用在變頻空調壓縮機中。在傳統的無刷直流電機驅動控制系統中，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，低成本的無位置傳感器的控制方法，成為無刷直流電機控制器研究的熱點之一。文中采用ST公司近年來推出的低成本、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，具有較高的性價比，實現了變頻空調控制器的設計。

1 意法半導體STM8S208RB單片機簡介
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℃工作環境溫度，具有3級流水線結構，在24 M晶振頻率工作時，可達20 MIPS。2)程序存儲器：最多128 K字節Flash；10 K次擦寫后在55℃環境下數據可保存20年。數據存儲器：多達2 K字節可擦寫數據存儲區eeprom，可達30萬次擦寫；RAM：多大6 K字節；3)定時器：2個16位通用定時器，1個16位高級控制定時器，帶4個CAPCOM通道，3個互補輸出，死區插入和靈活的同步功能。4)可達16個通道的10位A／D轉換器，最小轉換時間為2．33μs。

2 無刷直流電機無位置傳感器控制技術
2．1 空調壓縮機及無刷直流電機的組成結構
在使用無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個部件分組成。無刷直流電機的電機本體類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，大大減小了無刷直流電機的重量、簡化了結構、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，采用電子開關換向裝置，使其可靠性得以提高。當無刷直流電機定子繞組的某一相通以電流時，該電流產生的磁場與轉子永久磁鋼產生的磁場相互作用產生轉矩，驅動轉子旋轉。驅動電路中的功率開關器件的導通次序產生的磁場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 無刷直流電機的數學模型
無刷直流電機在理想情況下具有平頂寬度120°的梯形波反電動勢，電機通過電子開關輸出方波電壓或電流，并與電機反電動勢保持適當的相位關系，從而產生有效電磁轉矩，使電機運轉。目前所使用的無刷直流電動機多采用三相星型繞組，工作在兩兩導通、三相六狀態方式下，如圖1所示。

對于采用繞組Y型聯結，三相六狀態120°兩兩通電方式的永磁無刷直流電動機。假設無刷直流電機三相繞組對稱，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：