基于STM8S208RB的空调压缩机控制器的研制

摘要：介绍了无刷直流电动机的基本工作原理，设计了一种基于STM8S208RB的48V空调压缩机控制器，采用上桥臂开关管斩渡，另一相下桥臂开关管常通的PWM调制方式，通过单片机内部AD对电机的不通电相的反电动势采样，获得了两种PWM情况下反电动势的过零点，实现了空调用无刷直流电机的无位置传感器控制技术，然后对其进行了实验研究，给出了实验波形，结果表明该控制器能有效地实现过载保护和启动失败造成的堵转过流保护，其低成本、高可靠性很好地满足了空调压缩机的控制要求。
关键词：STM8S208RB；无刷直流电机；无位置传感器；快速退磁

无刷直流电机具有结构简单、效率高、功率因数高、转动惯量小，低噪音等优点。近年来，永磁无刷直流电动机的研究和应用越来越受到人们的重视，随着国家对节能减排的重视。越来越多的空调厂商把无刷直流电动机应用在变频空调压缩机中。在传统的无刷直流电机驱动控制系统中，都需要转子位置和速度信息作为反馈信号，而转子位置、速度的取得几乎都是利用光电编码器、旋转变压器等精密的机械装置获得。在空调压缩机中，由于制冷剂的强腐蚀性，常规的位置传感器很难正常工作，因此，研究一种可靠的，低成本的无位置传感器的控制方法，成为无刷直流电机控制器研究的热点之一。文中采用ST公司近年来推出的低成本、高性能的STM8S208RB微处理器作为控制核心，采用片内AD直接采样非导通相的端电压作为检测方案，具有较高的性价比，实现了变频空调控制器的设计。

1 意法半导体STM8S208RB单片机简介
STM8S208RB是意法半导体一种高性能内核的单片机，具有增强的Harvard＆CISC架构，运行速度高，处理能力强，具有丰富的片内外设，便于使用和模块化设计，被广泛应用于无刷直流电机的控制。该单片机具体性能指标如下：1)内核：2．95～5．5 V的宽工作电压，-40～+125℃工作环境温度，具有3级流水线结构，在24 M晶振频率工作时，可达20 MIPS。2)程序存储器：最多128 K字节Flash；10 K次擦写后在55℃环境下数据可保存20年。数据存储器：多达2 K字节可擦写数据存储区eeprom，可达30万次擦写；RAM：多大6 K字节；3)定时器：2个16位通用定时器，1个16位高级控制定时器，带4个CAPCOM通道，3个互补输出，死区插入和灵活的同步功能。4)可达16个通道的10位A／D转换器，最小转换时间为2．33μs。

2 无刷直流电机无位置传感器控制技术
2．1 空调压缩机及无刷直流电机的组成结构
在使用无刷直流电机的空调压缩机系统中，主要由压缩机、电机和控制器3个部件分组成。无刷直流电机的电机本体类似于永磁同步电机结构，其定子是电枢，转子是永磁体，稀土永磁材料的使用，大大减小了无刷直流电机的重量、简化了结构、提高了性能，相比普通直流电机，它去掉了由换向器和电刷组成的机械接触结构，采用电子开关换向装置，使其可靠性得以提高。当无刷直流电机定子绕组的某一相通以电流时，该电流产生的磁场与转子永久磁钢产生的磁场相互作用产生转矩，驱动转子旋转。驱动电路中的功率开关器件的导通次序产生的磁场是与转子转角同步的，从而起到了机械换向器的换向作用。
2．2 无刷直流电机的数学模型
无刷直流电机在理想情况下具有平顶宽度120°的梯形波反电动势，电机通过电子开关输出方波电压或电流，并与电机反电动势保持适当的相位关系，从而产生有效电磁转矩，使电机运转。目前所使用的无刷直流电动机多采用三相星型绕组，工作在两两导通、三相六状态方式下，如图1所示。

对于采用绕组Y型联结，三相六状态120°两两通电方式的永磁无刷直流电动机。假设无刷直流电机三相绕组对称，则三相电压方程可以表示为：

式中Ua，Ub，Uc电机三相绕组对地电压(端电压)；ia，ib，ic电机三相绕组电流；Ea，Eb，Ec，电机三相绕组反电动式；Ra，Rb，Rc电机三相绕组电阻；La，Lb，Lc电机三相绕组的自感；Un为中性点对地的电压；Mab为A相绕组和B相绕组的互感，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：