空调用无刷直流电机控制系统研究[1]

空调用无刷直流电机控制系统研究[1]

钟惠文

广东美的暖通设备有限公司广东佛山528000

摘要：随着科学技术的发展和人们日益增长的物质需求，空调已经成为居民家中越来越普及的一种家用电器。近年来，空调从诞生发展到今天，从起初功能单一的制冷空调到现在的多功能智能空调，从有氟空调到现在的无氟空调，可谓是发展迅速。现在无刷直流电机因其体积小、可靠性高以及能够无级调速等优点成为空调压缩机的首选。因此，研究压缩机无刷直流电机空调控制系统具有很深远的影响，另外还有很好的实用价值和相应的社会效益和经济效益。

关键词：空调；无刷直流电机；控制系统

引言：目前很多空调生产厂家都已经采用直流无刷电机作为压缩机驱动电机，它克服了采用异步电机作为压缩机驱动电机效率与功率因数较低，噪声较大的缺点，且不受电源频率限制，压缩机的额定转速可以设计得较高，既可优化压缩机的运行功率，又可减小压缩机的体积。本文采用无刷直流电机作为变速变频空调的压缩机，设计了一种基于单片机STM32F103ZET6为核心的变速变频空调的控制系统。该系统旨在实现可靠性高、高效率和低噪声，并贴合当今绿色经济的发展的需求。

1、空调压缩机无刷直流电机结构原理

1.1空调无刷直流电机基本结构

针对无刷直流电机，目前大致分为三个部分：电机本体、位置传感器、以及电子开关，无刷直流电机的主要组件如图1所示。

图1直流无刷电机的组成图

电机本体由3个主要电磁部分组成：①感应部分，能够产生保证电机正常运转所需要的励磁磁通，其实就是磁极；②被感应部分，发生能量的变换--将电能变为机械能；③空气隙，在电动机固定部分与旋转部分之间。其他部分为结构附属部分，如机壳、转轴、轴承等。被感应部分包括电枢的换向器，属于转动部分。其中电枢铁心以及其绕组作为电枢的两大组成部分，分别起着各自不同的作用，电枢是由其铁心和绕组组成的，前者有着两方面的作用：①形成主磁通磁路；②安放电枢绕组，电枢绕组安放在叠好的铁心槽中。当电枢磁路在磁场中旋转时，电工钢板彼此绝缘以减少感应涡流的损失。

为了精确地控制电动机的运转，必须准确地知道电动机的转子的位置，这对于提高电机的控制性能及其稳定性有极大的作用。此外，检测到的这些位置信息还要提供给逻辑开关电路，其目的是为电机正常运行过程中的换相提供微弱但精确的电压信号。霍尔传感器是目前市场上使用最广泛的位置传感器，其可在变化的磁场中输出霍尔电压波，然后经过特定数学公式的处理，得到电机转子位置信息，控制电路可以依据这些信号，最终控制电机实现电子换相。

电机中的开关电路不能单独起到某一作用，必须与位置传感器整合在一起，目的就是达到电子换相替代机械换相，电子开关也可以称为电源反向电路。霍尔传感器检测到BLDCM转子位置，控制电路接收到一定脉动序列的电压信号，然后电压逆变模块依据控制电路的相关控制信息，最终使电机按照事先确定好的运行状态运转。同时，转子上的永磁体作用在转子上并形成旋转磁场，以驱动电动机的转子旋转。

1.2直流无刷电机运行原理

无刷直流电机是机电一体化中一个典型的电机产品。三相对称星形连接方式是无刷直流电机的定子绕组，一般采用与异步电机基本相似的连接方式，其工作原理也与传统的直流电机相同。位置传感器霍尔传感器安装在无刷直流电机中，以获得电机转子的极性。为了检测电机转子的位置，也可以从霍尔传感器获得驱动逆变器电路输出的电流的顺序。按照一定顺序馈电的驱动电枢绕组，在电机机体内产生相对应的旋转磁场，驱动着无刷直流电机的永磁转子连续旋转。

2、空调压缩机无刷直流电机模糊自适应整定PID控制

2.1模糊控制

以本文设计的空调控制系统控制BLDCM为例。模糊控制量的作用都是最终将模拟量变化为数字量，并通过A/D转换模块对控制变量进行初步的处理，并将其模糊量进行模糊化处理，对模糊量之间进行处理的算法规则是预先定制的模糊规则，而模糊决策则是决定模糊输出的结果是什么。模糊控制原理如图2所示。

图2模糊控制原理框图

2.2PID控制

PID控制是时至今日，发展最成熟稳定的传统的控制方式，也是线性控制方式的一种，从出现到现今，一直都是工业生产中应用最广泛的控制方式。缩小期望值和实际值之间的差额就是标准PID控制的基本工作原理，按比例－积分－微分的线性组合关系构成控制量u(t)，控制对象由控制量u(t）控制。其结构组成如图3所示，PID控制表达式如下：

该公式中，kp为比例增益，Ti为积分时间常数，Td微分时间常数，u(t）为控制量，e(t）为偏差量。

图3PID控制系统框图

系统误差在经过比例环节之后，根据实时状况进行处理，然后处理之后由控制器整理放大后的误差并反过来减小系统的误差。在系统突然发生某些不可知的扰动时，比例环节将放大错误并进行调整以减少错误。比例系数作用的大小和其大小之间存在很多的关系，越大其作用越大，反之亦然；但是这都是在一定范围内的，如果超过这个界定的范围，就会明显的影响整个系统的稳定性。积分环节能够明显的纠正输出的差异性，还能削弱静态误差效应对系统造成的影响。比例环节有一个致命的缺点：余差，它会严重影响到系统的可靠性和稳定性，这个不足之处需要积分环节去弥补。积分环节会对其积累并抵消余差，直到系统不再出现偏差。积分参数的作用也和其参数值的取值有关，不能简单地概括为越大越好，但是积分环节的引入还有一个重大的缺陷，即它会降低系统的动态响应速度并影响系统的稳定性。

2.3自适应控制

现如今的自适应控制，加入了自适应机构，将参考模型的输出或状态和控制器之间做一个对比的广义误差e，然后调整系统参数并产生相应的控制信号，反馈给控制器，及时修正系统的各种性能指标，不断循环这个过程，最终达到所要的结果，这就是现代的自适应控制系统，其结构框图如图4。

图4自适应控制系统的典型结构

3、压缩机控制系统的硬件电路及软件程序设计

3.1硬件电路设计

本文设计的是以STM32F103ZET6为控制核心，相应的辅助电路有独立按键电路、TFTLCD显示屏电路、电机驱动电路等，构成了整个空调压缩机控制系统的整体，其电路结构如图5所示。

控制模块的设计要求为运行速度快、稳定可靠、性价比高，同时，直流电机的PWM控制信号要具有延时、输出互补和紧急停止等功能。本控制电路是以STM32F103ZET6为控制核心，相应的辅助电路有独立按键电路、TFTLCD显示屏电路、电机驱动电路等，构成了整个空调控制系统的整体，其中电源是给STM32F103ZET6供电的3.3V，独立按键主要为人机交互使用，根据空调选择不同的工作模式（制冷或制热）。TFTLCD显示器主要向用户提供空调当前运行状态，例如当前空调转速、室内温度、室内湿度等。电机电源供电机工作，驱动电路接收到STM32F103ZET6发出一定规则的PWM波形，使三相全桥的MOSFET管按照一定顺序导通，从而驱动无刷直流电机转动，其相应地开始旋转时，DHT11数字温湿度传感器将收集到的各种信号，及时的输出到STM32F103ZET6的CAP（脉冲捕获模块），STM32F103ZET6判断之后再反馈发送对应的PWM至驱动电路，使无刷直流电机得以继续转动。

图5空调控制系统结构图

3.2软件程序的设计以及调试

在软件整体框架中，第一个是整个程序所需的变量和一些宏定义，其次是系统初始化，程序运行后，首要做的就是确定是否有过流、过压。如果有，则主电源电路关闭，空调的BLDCM停止运行；如果没有，继续往下走判断是否有用户设置温度参数，直到用户设置温度参数并跳转以等待用户开始空调地操作。在接收到启动信号之后，空调将以给定的参数运行，直到达到设置温度后，空调电机以恒定速度稳定运行，并始终判断是否存在过电流或过压，防止异常电压对空调造成损坏。启动和运行电机所需的PWM波主要设置CMPA和CMPB寄存器，并根据模糊自适应整定PID控制策略在不同时间设置这两个寄存器的相应值。

图6系统软件的总体框图

结束语：

综上所述，通过对自适应模糊PID控制原理和空调无刷直流电机结构原理技术分析的基础上，搭建了空调压缩机无刷直流电机控制系统仿真模型。表明自适应模糊PID控制策略能很好地满足空调压缩机的控制效果，达到了预期的效果。

参考文献：

[1]季俊，张自嘉.基于有限元分析的直流电机控制策略[J].电子器件，2017，40（04）：942-945.

[2]侯伟，李峰，王绍彬.无刷直流电机的模糊神经网络控制设计[J].测控技术，2017，36（08）：74-77.

[3]曹宇轩，寇子明，赵亮吉.无刷直流电机无位置传感器控制系统研究[J].煤炭技术，2017，36（08）：218-

[1]1.删除这段话吧，这段话不正确的：不管是在异步电机，还是在同步直流电机中，还是在有或无刷直流电机中，电机中的永久磁钢在它们中的作用基本一样，也就是说，建立电动机中的磁场以确保电机能够正常的运转，其差别在于两者永久磁钢的安装位置正好相反。
2.其他还是注意看看有无错别字