無位置傳感器無刷直流電機在車載冰箱壓縮機中的應用研究

軍事醫學科學院 衛生裝備研究所，天津 300161

無位置傳感器無刷直流電機在車載冰箱壓縮機中的應用研究

宋振興，吳太虎，孫建軍，鄭捷文，王海濤，盧恒志

軍事醫學科學院 衛生裝備研究所，天津 300161

目的本研究根據車載低溫冰箱的勤務功能和使用要求，對壓縮機選用的無刷直流電動機符合戰技指標要求，設計了相應的控制系統。方法通過詳細分析“反電勢法”無刷直流電機控制原理，設計基于反電動勢法的無位置傳感無刷直流電機控制系統。電路各組成部分均采用軟硬件抗干擾措施。結果車載低溫冰箱制冷采用了無刷直流電機壓縮機，它體積小、制冷效率高，且克服了傳統壓縮機防震性能較差的缺陷，可滿足血液冷藏和成分血轉運的要求，是制冷技術發展的新方向。結論采用無位置傳感器無刷直流電機驅動壓縮機制冷技術研制的車載低溫冰箱可適應各種惡劣且復雜的條件，具有較高的理論意義和實用價值。可為軍隊戰時和平時低溫物品的供應提供有力的裝備和物質保障。

冰箱壓縮機；無刷直流電動機；無位置傳感器；反電勢法；車載冰箱

近年來，軍隊醫療機構在災害救援、反恐、維和等非戰爭軍事任務衛勤保障中，對野外低溫冷鏈儲運裝備有迫切的需求。大量的急救藥品、生物制劑、血液等醫用物資需要低溫儲運；特別是血液的現場采集冷凍，全血分離出的各血液成分儲運時對溫度的要求各不相同，如濃縮紅細胞（CRC）適宜溫度是（4±2）℃、血小板儲存運輸溫度為（22±2）℃，且需不停地振蕩；而新鮮冰凍血漿（FFP）需在-20℃以下進行保存[1]。這就對軍隊的野外低溫冷鏈儲運裝備提出了較高要求。目前，軍隊裝備中的車載冰箱主要有兩種：壓縮機冰箱和電子制冷冰箱。采用半導體帕爾貼效應制冷原理而研制的電子制冷冰箱，具有噪音低、體積小的優點，但缺點是不能深度制冷、效率太低，冰箱壓縮機性能系數（Coefficient of Performance，COP）很低，基本上實現不了冰箱功能。壓縮機冰箱在制冷效果上較電子制冷冰箱具有明顯優勢，因此車載冰箱的發展趨勢主要傾向于壓縮機冰箱。對于野外現場應急醫學救援能耗要求高的場合來說，研制具有電源適應性強、制冷效率高、儲運快捷、堅固耐用的車載式智能低溫儲運箱，對部隊野外低溫冷鏈儲運保障十分必要。

1 車載冰箱的結構組成和工作原理

本文所研究的車載冰箱適用于戰爭或災害救援、反恐、維和等非戰爭軍事任務衛勤保障中醫用物資的野外低溫儲運。車載低溫儲運箱具有2～6℃的低溫冷藏和-10℃以下低溫冷凍儲運溫控設計，具備38℃以上環境溫差制冷性能，完全滿足野外低溫冷鏈儲運裝備需要。車載冰箱的基本結構圖，見圖1。它的結構與工作原理與普通應用場合中的冰箱是相同的，分為箱體與制冷模塊兩部分。其中制冷模塊由壓縮機、毛細管（節流閥）、干燥閥、蒸發器、冷凝器等組成。

圖1 車載冰箱的結構組成

車載冰箱的基本原理是通過控制壓縮機電機工作頻率，實現壓縮機電機轉速的連續調節，從而實現壓縮機容量的連續控制[2]。工作時，車載冰箱根據箱內對溫度調節的需要，自動控制器輸出頻率，從而控制電動機的轉速達到快速制冷的目的；當設定溫度與箱內的實際溫度相差不大時，壓縮機以較低速度運轉，相應的制冷量較小。因此，直流壓縮機冰箱具有制冷量連續調節的特點，使得箱內的溫度波動較小。車載冰箱的能效比在很大程度上取決于壓縮機的運行效率[3]，即制冷組件的運行效率。制冷工作原理：壓縮機對蒸發器返回的氣態制冷劑進行壓縮并排往冷凝器，在蒸發器中形成低壓低溫環境，在冷凝器中形成高壓高溫環境。在冷凝器中散發制冷劑在制冷回路中吸收熱量，氣態制冷劑在冷凝器中把熱量散發到大氣中，而形成液態；液態制冷劑經過干燥過濾器，以濾除系統中可能存在的雜質或水分；然后進入節流裝置（毛細管或膨脹閥），該裝置在冷凝器與蒸發器之間形成巨大的壓差，起到對制冷劑流造成阻力的效果，制冷劑在通過節流裝置時還是液態，然后進入低壓環境（蒸發器）；在蒸發器中制冷劑遭遇低壓即轉化為氣態，并吸收制冷系統中的熱量，實現制冷效果，最后返回壓縮機。

2 車載冰箱壓縮機的選擇

車載冰箱的核心是壓縮機，而壓縮機的動力是驅動電機，因此壓縮機驅動電機的選擇和控制對整個車載冰箱系統性能具有決定性影響。目前主要采用交流異步電動機和無刷直流電動機作為變頻冰箱壓縮機的驅動電機。交流異步電機結構簡單、維護方便、成本低，國內大部分民用冰箱都選用交流異步電機。無刷直流電機具有起動力矩大、起動電流小、轉速調節范圍寬等特點[4]。以上2種電機各有其優缺點。根據車載的需求，車載冰箱要求功耗低、制冷速度快。車載在運行過程中應具有超強的耐振性，在汽車顛簸、振動、傾斜的條件下，能良好地保持正常工作狀態。為此，本研究選擇直流無刷電機作為車載冰箱壓縮機的驅動電機。車載冰箱壓縮機技術參數，見表1。

表1 車載冰箱壓縮機技術參數

3 車載冰箱用無刷直流壓縮機控制系統的實現

3.1 反電動勢過零檢測方法研究

對于平穩運行的電機來說，反電動勢過零檢測方法是目前應用最為廣泛、也是最成熟的方法之一[5]。無刷直流電機的定子電樞繞組采用整距集中式繞組，從而可以獲得梯形波反電動勢。其原理是：在無刷直流電動機穩態運行時，會在定子繞組上產生感應反電動勢，該反電動勢的相位可以反映電機轉子位置信號，如果忽略電機電樞反應，通過檢測不導通相反電動勢的過零點就可以獲得電機轉子的位置信號。對于通過兩兩通電三相6狀態驅動的無刷直流電動機來說，在任意時刻三相繞組總有一相處于斷開狀態，任一相的反電動勢都在1個360o電周期內有2個過零點，電樞繞組的下一個換相點僅落后于每個過零點30°電角度，只要能夠檢測到不導通相的反電動勢過零點，就可以確定繞組的下一個換相時刻和電機轉子的位置，從而可以控制定子繞組的換相，實現電機的運轉。但是，無刷直流電機的反電勢無法直接被檢測到，通常通過檢測端電壓信號來間接檢測反電勢過零點。在利用端電壓檢測反電勢過零點的方法中，為了消除高頻信號帶來的干擾，通常采用低通濾波器濾除端電壓中的高頻干擾信號。雖然電壓比較器和三相低通濾波器所組成的電子電路能夠取代傳統的機械式位置傳感器，但也由此帶來了位置信號相移的麻煩。另外，無刷電動機在靜止時不會產生反電動勢，因此電機如何順利啟動是需要解決的問題。一般來說，需要采用適當的起動方法是使無刷電機先低速運行，當電機達到一定的轉速后再切換到反電動勢過零檢測[6]。

本壓縮機控制器省去了位置傳感器，取而代之以反電勢檢測，來實現無刷壓縮機電機的換相控制。通過單片機控制6路脈寬調制（PWM）輸出來實現電機繞組的電流換相，換相時刻根據檢測到的反電動勢過零點的時刻，由專用算法來確定。采用模數轉化器檢測反電勢變化，當兩個繞組通電的情況下，第三個繞組的電壓經歷從變大到繞組直流電壓峰值、再減小到最小值的過程，形成梯形波。當電壓為繞組峰值電壓和最小值的中心值時，表示反電勢過零點，此時控制脈寬調制輸出換相。這樣周而復始的換相工作，實現了電機的無傳感器控制。

3.2 控制系統硬件電路總體方案設計

本研究涉及的車載冰箱用壓縮機的控制沒有動態特性的要求，而且控制精度要求不高，主要任務是完成壓縮機的啟/停、運行、調速等功能。所以采用了較為成熟的反電動勢法來實現無刷壓縮機電機的換相控制。

無位置傳感器無刷直流壓縮機控制系統主要由電源、微處理器控制電路、逆變開關電路、開關信號驅動放大電路、檢測電路和保護電路等組成。控制系統硬件電路總體方案結構框圖，見圖2。

圖2 控制系統硬件電路總體方案結構框圖

控制電路是無刷直流電動機控制系統的核心，主要完成人機交互、電機控制以及對系統的各種保護。通過對各種單片機的功能和價格比較，系統控制電路采用美國模擬器件公司生產的ADMC328 DSP作為主控芯片。該芯片具有結構緊湊、使用方便、功能強的特點。

從圖2可以看出，車載冰箱控制器采用電流和速度反饋控制技術，在速度反饋中，通過相電壓檢測轉子位置，獲得電機轉速。對設定溫度與測得的溫度進行比較，偏差通過速度調節器形成參考電流；在電流反饋中，參考電流與檢測到的相電流進行比較計算，由電流調節器產生不同占空比的PWM波，最后送到逆變開關電路驅動壓縮機，控制轉速、實現設定溫度范圍。

4 控制系統軟件程序設計

根據控制系統硬件設計要求，進行了車載冰箱無刷直流壓縮機控制系統相應軟件部分的設計。控制系統的軟件分為主程序、中斷服務子程序、以及功能服務子程序等。主要實現以下功能：① 車載冰箱無刷直流壓縮機的起動與停機；② 車載冰箱壓縮機無刷直流轉子位置檢測及換相控制；③ 車載冰箱無刷直流壓縮機調速系統閉環控制；④ 車載冰箱人機交互操作與顯示等控制。

本文只對控制系統主程序進行分析，其主要任務有：系統初始化、保護檢測、查詢按鍵狀態進入啟/停電機子程序；在中斷服務程序中進行電流、反電勢檢測，換相確定及PWM波形生成管理。主程序流程圖，見圖 3。

控制系統上電后，首先進行DSP芯片寄存器和存儲單元的初始化，之后等待壓縮機電機起動指令的輸入，如果電壓正常并有起動信號輸入，則調用起動子程序， 壓縮機起動完成后，進入閉環調速環節。閉環調速部分主要完成電機無傳感器運行，DSP芯片隨時讀取冰箱內溫度參數，并與設置參數進行對比，與設置值相差較大時，調用壓縮機高速運行程序，使壓縮機快速制冷。當達到設定值后，調用壓縮機低速運行程序，使壓縮機低速制冷。冰箱壓縮機不停機，避免頻繁啟停機造成能量損耗，實現了車載冰箱的高效節能。

5 車載冰箱壓縮機性能試驗與分析

5.1 空箱冷凍降溫性能試驗

試驗方法：將設備打開，選擇冷凍模式，每隔5 min采集一次溫度，并記錄。獲取的數據，見圖4。

圖4 測試的空箱冷凍性能溫度曲線

由圖4可知，在環境溫度27℃時，1 h降溫達27℃，4 h后降溫達到39℃（此時室溫19℃），由圖可見，研制的車載冰箱及壓縮機控制系統的降溫冷凍性能優異。

5.2 壓縮機負載工作過程溫度性能試驗

采用200 mL的水袋10個，共計2000 mL水作為模擬負載，以測試冰箱中心的上部和下部兩組數據（每隔5 min采集1次溫度），見圖5。

圖5 壓縮機負載工作和保溫性能溫度趨勢圖

由圖5（A）、（B）數據可看出，車載冰箱在負載保溫狀態溫度穩定性非常好，溫度幾乎沒有什么波動，穩定在5℃附近（負載位5℃冷藏水），化霜期間僅有些微波動，波動范圍≤1℃；另外在壓縮機關閉以后箱體的保性能良好，從5℃上升到8℃用了5.5 h，上升到10℃可達8 h，依據專業知識，10℃以下均為有效冷藏范圍，因此1/2滿載儲藏的保溫時間可達8 h。總體效果非常好。

6 結束語

本文研制的車載冰箱樣機進行了各項性能試驗，試驗結果表明：采用無傳感器無刷微型直流壓縮機制冷，體積緊湊、電機運行溫度高、功耗低、制冷速度快、抗震強、效率高、噪音低、可靠性好。非常適合車載部隊的使用要求。本研究采用的控制技術與設計的控制系統經過進一步優化和改進，希望能夠在車載血液冷鏈裝備中得到廣泛應用，保障血液在儲運過程中的溫度安全，更好地完成戰爭與災害醫學救援血液保障任務。

[1] GB 18469-2012,全血及成分血質量要求[S]．北京:中國標準出版社,2012．

[2] Krause PC．Analysis of electric machinery[M]．Kinsport Town:Kinsport Press Inc,1986．

[3] 何志龍,李連生,束鵬程．冰箱用直線壓縮機研究[J]．西安交通大學學報,2003,37(11):1119-1123．

[4] 謝寶昌,任永德,劉文瑛．無傳感器電機位置檢測策略綜述[J]．微電機,2000,33(5):29-31．

[5] 何波,崔文貴,姜復興．采用反電勢提取方法的無刷直流電動機的驅動[J]．黑龍江自動化技術與應用,1999,18(3):34-37．

[6] Ogasawara S,Akagi H．An approach to position sensorless drives for brushless DC motors[A]．Conference Record of the 1990 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting[C]．USA,1990:443-447．

[7]于明湖．直線壓縮機用橫向磁通永磁直線振蕩電機系統研究[D]．杭州:浙江大學,2011．

[8]翟洪軒．冰箱節能技術的設計應用[J]．河南科技學院學報, 2008,(1):110-111．

Study on Applications of Brushless DC Motor with None-Position Sensor in Vehicle Refrigerator Compressor

SONG Zhen-xing, WU Tai-hu, SUN Jian-jun, ZHENG Jie-wen, WANG Hai-tao, LU Heng-zhi
Institute of Medical Equipment, Academy of Military Medical Science, Tianjin 300161, China

ObjectiveBased on the service requirements of vehicle low-temperature refrigerator, this paper puts forward the tactical & technical indexes and control system for the brushless DC motor (BLDCM).MethodsBy detailing the control principle of “back-emf” BLDCM, the control system for back-emf-method-based BLDCM without position sensor is designed, and components of the circuit and the anti-jam measures for software and hardware are introduced.ResultsThe vehicle low-temperature refrigerator with brushless DC compressor is gifted with small volume, high refrigeration efficiency and anti-knock performance, and thus can be used for blood refrigeration and blood components transportation, which means the trend for the development of refrigeration technology.ConclusionThe vehicle low-temperature refrigerator, using BLDCM without position sensor, can adapt itself to the harsh and complicated environment, which is theoretically and practically signifcant for military lowtemperature issue supply at wartime and peacetime.

refrigerator compressor; brushless DC motor; none-position sensor; back emf method; vehicle refrigerator

TM925.21

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2013.05.009

1674-1633(2013)05-0028-04

2012-12-17

作者郵箱：song9705@163．com