无位置传感器无刷直流电机在车载冰箱压缩机中的应用研究

军事医学科学院 卫生装备研究所，天津 300161

无位置传感器无刷直流电机在车载冰箱压缩机中的应用研究

宋振兴，吴太虎，孙建军，郑捷文，王海涛，卢恒志

军事医学科学院 卫生装备研究所，天津 300161

目的本研究根据车载低温冰箱的勤务功能和使用要求，对压缩机选用的无刷直流电动机符合战技指标要求，设计了相应的控制系统。方法通过详细分析“反电势法”无刷直流电机控制原理，设计基于反电动势法的无位置传感无刷直流电机控制系统。电路各组成部分均采用软硬件抗干扰措施。结果车载低温冰箱制冷采用了无刷直流电机压缩机，它体积小、制冷效率高，且克服了传统压缩机防震性能较差的缺陷，可满足血液冷藏和成分血转运的要求，是制冷技术发展的新方向。结论采用无位置传感器无刷直流电机驱动压缩机制冷技术研制的车载低温冰箱可适应各种恶劣且复杂的条件，具有较高的理论意义和实用价值。可为军队战时和平时低温物品的供应提供有力的装备和物质保障。

冰箱压缩机；无刷直流电动机；无位置传感器；反电势法；车载冰箱

近年来，军队医疗机构在灾害救援、反恐、维和等非战争军事任务卫勤保障中，对野外低温冷链储运装备有迫切的需求。大量的急救药品、生物制剂、血液等医用物资需要低温储运；特别是血液的现场采集冷冻，全血分离出的各血液成分储运时对温度的要求各不相同，如浓缩红细胞（CRC）适宜温度是（4±2）℃、血小板储存运输温度为（22±2）℃，且需不停地振荡；而新鲜冰冻血浆（FFP）需在-20℃以下进行保存[1]。这就对军队的野外低温冷链储运装备提出了较高要求。目前，军队装备中的车载冰箱主要有两种：压缩机冰箱和电子制冷冰箱。采用半导体帕尔贴效应制冷原理而研制的电子制冷冰箱，具有噪音低、体积小的优点，但缺点是不能深度制冷、效率太低，冰箱压缩机性能系数（Coefficient of Performance，COP）很低，基本上实现不了冰箱功能。压缩机冰箱在制冷效果上较电子制冷冰箱具有明显优势，因此车载冰箱的发展趋势主要倾向于压缩机冰箱。对于野外现场应急医学救援能耗要求高的场合来说，研制具有电源适应性强、制冷效率高、储运快捷、坚固耐用的车载式智能低温储运箱，对部队野外低温冷链储运保障十分必要。

1 车载冰箱的结构组成和工作原理

本文所研究的车载冰箱适用于战争或灾害救援、反恐、维和等非战争军事任务卫勤保障中医用物资的野外低温储运。车载低温储运箱具有2～6℃的低温冷藏和-10℃以下低温冷冻储运温控设计，具备38℃以上环境温差制冷性能，完全满足野外低温冷链储运装备需要。车载冰箱的基本结构图，见图1。它的结构与工作原理与普通应用场合中的冰箱是相同的，分为箱体与制冷模块两部分。其中制冷模块由压缩机、毛细管（节流阀）、干燥阀、蒸发器、冷凝器等组成。

图1 车载冰箱的结构组成

车载冰箱的基本原理是通过控制压缩机电机工作频率，实现压缩机电机转速的连续调节，从而实现压缩机容量的连续控制[2]。工作时，车载冰箱根据箱内对温度调节的需要，自动控制器输出频率，从而控制电动机的转速达到快速制冷的目的；当设定温度与箱内的实际温度相差不大时，压缩机以较低速度运转，相应的制冷量较小。因此，直流压缩机冰箱具有制冷量连续调节的特点，使得箱内的温度波动较小。车载冰箱的能效比在很大程度上取决于压缩机的运行效率[3]，即制冷组件的运行效率。制冷工作原理：压缩机对蒸发器返回的气态制冷剂进行压缩并排往冷凝器，在蒸发器中形成低压低温环境，在冷凝器中形成高压高温环境。在冷凝器中散发制冷剂在制冷回路中吸收热量，气态制冷剂在冷凝器中把热量散发到大气中，而形成液态；液态制冷剂经过干燥过滤器，以滤除系统中可能存在的杂质或水分；然后进入节流装置（毛细管或膨胀阀），该装置在冷凝器与蒸发器之间形成巨大的压差，起到对制冷剂流造成阻力的效果，制冷剂在通过节流装置时还是液态，然后进入低压环境（蒸发器）；在蒸发器中制冷剂遭遇低压即转化为气态，并吸收制冷系统中的热量，实现制冷效果，最后返回压缩机。

2 车载冰箱压缩机的选择

车载冰箱的核心是压缩机，而压缩机的动力是驱动电机，因此压缩机驱动电机的选择和控制对整个车载冰箱系统性能具有决定性影响。目前主要采用交流异步电动机和无刷直流电动机作为变频冰箱压缩机的驱动电机。交流异步电机结构简单、维护方便、成本低，国内大部分民用冰箱都选用交流异步电机。无刷直流电机具有起动力矩大、起动电流小、转速调节范围宽等特点[4]。以上2种电机各有其优缺点。根据车载的需求，车载冰箱要求功耗低、制冷速度快。车载在运行过程中应具有超强的耐振性，在汽车颠簸、振动、倾斜的条件下，能良好地保持正常工作状态。为此，本研究选择直流无刷电机作为车载冰箱压缩机的驱动电机。车载冰箱压缩机技术参数，见表1。

表1 车载冰箱压缩机技术参数

3 车载冰箱用无刷直流压缩机控制系统的实现

3.1 反电动势过零检测方法研究

对于平稳运行的电机来说，反电动势过零检测方法是目前应用最为广泛、也是最成熟的方法之一[5]。无刷直流电机的定子电枢绕组采用整距集中式绕组，从而可以获得梯形波反电动势。其原理是：在无刷直流电动机稳态运行时，会在定子绕组上产生感应反电动势，该反电动势的相位可以反映电机转子位置信号，如果忽略电机电枢反应，通过检测不导通相反电动势的过零点就可以获得电机转子的位置信号。对于通过两两通电三相6状态驱动的无刷直流电动机来说，在任意时刻三相绕组总有一相处于断开状态，任一相的反电动势都在1个360o电周期内有2个过零点，电枢绕组的下一个换相点仅落后于每个过零点30°电角度，只要能够检测到不导通相的反电动势过零点，就可以确定绕组的下一个换相时刻和电机转子的位置，从而可以控制定子绕组的换相，实现电机的运转。但是，无刷直流电机的反电势无法直接被检测到，通常通过检测端电压信号来间接检测反电势过零点。在利用端电压检测反电势过零点的方法中，为了消除高频信号带来的干扰，通常采用低通滤波器滤除端电压中的高频干扰信号。虽然电压比较器和三相低通滤波器所组成的电子电路能够取代传统的机械式位置传感器，但也由此带来了位置信号相移的麻烦。另外，无刷电动机在静止时不会产生反电动势，因此电机如何顺利启动是需要解决的问题。一般来说，需要采用适当的起动方法是使无刷电机先低速运行，当电机达到一定的转速后再切换到反电动势过零检测[6]。

本压缩机控制器省去了位置传感器，取而代之以反电势检测，来实现无刷压缩机电机的换相控制。通过单片机控制6路脉宽调制（PWM）输出来实现电机绕组的电流换相，换相时刻根据检测到的反电动势过零点的时刻，由专用算法来确定。采用模数转化器检测反电势变化，当两个绕组通电的情况下，第三个绕组的电压经历从变大到绕组直流电压峰值、再减小到最小值的过程，形成梯形波。当电压为绕组峰值电压和最小值的中心值时，表示反电势过零点，此时控制脉宽调制输出换相。这样周而复始的换相工作，实现了电机的无传感器控制。

3.2 控制系统硬件电路总体方案设计

本研究涉及的车载冰箱用压缩机的控制没有动态特性的要求，而且控制精度要求不高，主要任务是完成压缩机的启/停、运行、调速等功能。所以采用了较为成熟的反电动势法来实现无刷压缩机电机的换相控制。

无位置传感器无刷直流压缩机控制系统主要由电源、微处理器控制电路、逆变开关电路、开关信号驱动放大电路、检测电路和保护电路等组成。控制系统硬件电路总体方案结构框图，见图2。

图2 控制系统硬件电路总体方案结构框图

控制电路是无刷直流电动机控制系统的核心，主要完成人机交互、电机控制以及对系统的各种保护。通过对各种单片机的功能和价格比较，系统控制电路采用美国模拟器件公司生产的ADMC328 DSP作为主控芯片。该芯片具有结构紧凑、使用方便、功能强的特点。

从图2可以看出，车载冰箱控制器采用电流和速度反馈控制技术，在速度反馈中，通过相电压检测转子位置，获得电机转速。对设定温度与测得的温度进行比较，偏差通过速度调节器形成参考电流；在电流反馈中，参考电流与检测到的相电流进行比较计算，由电流调节器产生不同占空比的PWM波，最后送到逆变开关电路驱动压缩机，控制转速、实现设定温度范围。

4 控制系统软件程序设计

根据控制系统硬件设计要求，进行了车载冰箱无刷直流压缩机控制系统相应软件部分的设计。控制系统的软件分为主程序、中断服务子程序、以及功能服务子程序等。主要实现以下功能：① 车载冰箱无刷直流压缩机的起动与停机；② 车载冰箱压缩机无刷直流转子位置检测及换相控制；③ 车载冰箱无刷直流压缩机调速系统闭环控制；④ 车载冰箱人机交互操作与显示等控制。

本文只对控制系统主程序进行分析，其主要任务有：系统初始化、保护检测、查询按键状态进入启/停电机子程序；在中断服务程序中进行电流、反电势检测，换相确定及PWM波形生成管理。主程序流程图，见图 3。

控制系统上电后，首先进行DSP芯片寄存器和存储单元的初始化，之后等待压缩机电机起动指令的输入，如果电压正常并有起动信号输入，则调用起动子程序， 压缩机起动完成后，进入闭环调速环节。闭环调速部分主要完成电机无传感器运行，DSP芯片随时读取冰箱内温度参数，并与设置参数进行对比，与设置值相差较大时，调用压缩机高速运行程序，使压缩机快速制冷。当达到设定值后，调用压缩机低速运行程序，使压缩机低速制冷。冰箱压缩机不停机，避免频繁启停机造成能量损耗，实现了车载冰箱的高效节能。

5 车载冰箱压缩机性能试验与分析

5.1 空箱冷冻降温性能试验

试验方法：将设备打开，选择冷冻模式，每隔5 min采集一次温度，并记录。获取的数据，见图4。

图4 测试的空箱冷冻性能温度曲线

由图4可知，在环境温度27℃时，1 h降温达27℃，4 h后降温达到39℃（此时室温19℃），由图可见，研制的车载冰箱及压缩机控制系统的降温冷冻性能优异。

5.2 压缩机负载工作过程温度性能试验

采用200 mL的水袋10个，共计2000 mL水作为模拟负载，以测试冰箱中心的上部和下部两组数据（每隔5 min采集1次温度），见图5。

图5 压缩机负载工作和保温性能温度趋势图

由图5（A）、（B）数据可看出，车载冰箱在负载保温状态温度稳定性非常好，温度几乎没有什么波动，稳定在5℃附近（负载位5℃冷藏水），化霜期间仅有些微波动，波动范围≤1℃；另外在压缩机关闭以后箱体的保性能良好，从5℃上升到8℃用了5.5 h，上升到10℃可达8 h，依据专业知识，10℃以下均为有效冷藏范围，因此1/2满载储藏的保温时间可达8 h。总体效果非常好。

6 结束语

本文研制的车载冰箱样机进行了各项性能试验，试验结果表明：采用无传感器无刷微型直流压缩机制冷，体积紧凑、电机运行温度高、功耗低、制冷速度快、抗震强、效率高、噪音低、可靠性好。非常适合车载部队的使用要求。本研究采用的控制技术与设计的控制系统经过进一步优化和改进，希望能够在车载血液冷链装备中得到广泛应用，保障血液在储运过程中的温度安全，更好地完成战争与灾害医学救援血液保障任务。

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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

作者邮箱：song9705@163．com