摘 要

直流变频压缩机因具有高效率、低噪声、控制精度高等优点，广泛应用于工业自动化和家用电器等领域，有取代交流变频压缩机的趋势。在高精度微环境控制系统温控过程中，直流变频压缩机扮演着重要的角色。在系统的温控调节中，直流变频压缩机需要根据微环境内部温度的变化，使温度值达到稳定的22℃。基于此，本文主要研究直流变频压缩机驱动器关键技术及相应板卡。

本文研究的直流变频压缩机驱动器面对的是高精度微环境控制系统，用于系统的温控调节。直流变频压缩机关键技术包括位置检测技术、电机启动技术、转矩脉动抑制技术和闭环调节技术等多种技术，然后根据直流变频压缩机的相关参数指标和功能要求进行性能和功能需求分析，确定了驱动器的电路方案框图及相应模块。

本文主要以直流变频压缩机电机的工作原理和数学模型为基础，重点研究了反电动势检测技术、端电压检测法、三段式启动法、转矩脉动抑制技术、转速和电流的双闭环控制策略等重难点技术。确定了直流变频压缩机驱动器采用STM32F103ZET6作为主控制器芯片、以IPM为驱动及逆变模块、以三段式启动法作为电机启动技术、以端电压检测法检测转子位置；软件程序方面采用模块化和自顶向下的编程思想，调用STM32的库函数进行程序设计，按照各个电路模块的功能程序分为主程序，子程序和中断子程序等，此外采用滤波算法消除可能出现的噪声及随机干扰照成的误差，以H_PWM-L_ON调制抑制转矩脉动、以数字增量式PID算法调节系统转速。

关键词：直流变频压缩机驱动器；高精度微环境；反电动势法；STM32F103ZET6

Abstract

Due to the advantages of high efficiency, low noise and high control accuracy, The DC inverter compressor is widely used in the fields such as industrial automation and household appliances, and has the trend of replacing AC inverter compressor. In the process of temperature control of high-precision microenvironment control system, DC inverter compressor plays an important role. In the temperature control adjustment of the system, the DC inverter compressor needs to make the temperature value reach a stable 22 ℃ according to the change of the internal temperature of the microenvironment. Based on this, the paper researchs the key technology of DC inverter compressor driver and the corresponding board primarily.

The DC inverter compressor driver studied in this paper is faced with a high-precision microenvironment control system, which is used for the temperature control of the system. The key technologies of DC inverter compressors include position detection technology, motor starting technology, torque ripple suppression technology and closed-loop adjustment technology, Then according to the relevant parameters and functional requirements of the DC inverter compressor, the performance and functional requirements are analyzed, and the circuit block diagram and corresponding modules of the driver are determined.

This paper is mainly based on the working principle and mathematical model of the DC inverter compressor motor, focusing on the research of back electromotive force detection technology, terminal voltage detection method, three-stage starting method, torque ripple suppression technology, double closed loop control strategy of speed and current Equal and difficult technology. It is determined that the DC inverter compressor driver uses STM32F103ZET6 as the main controller chip, uses IPM as the drive and inverter module, uses the three-stage starting method as the motor starting technology, and detects the rotor position by the terminal voltage detection method; The software program adopts modular and top-down programming ideas, calls the library functions of STM32 for programming, and is divided into main program, subprogram and interrupt subprogram according to the function program of each circuit module. In addition, an improved arithmetic average The filtering algorithm eliminates possible noise and errors caused by random interference, H_PWM-L_ON modulation to suppress torque ripple, and digital incremental PID algorithm to adjust system speed.

Key Words：DC inverter compressor driver；High-precision microenvironment；Back EMF method；STM32F103ZET6

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题的研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 无位置传感器技术 2

1.2.2转矩脉动抑制技术 3

1.3 论文的主要研究内容 3

第2章 直流变频压缩机理论基础及关键技术的研究 5

2.1无刷直流电机的基本结构 5

2.2无刷直流电机的工作原理 5

2.3 无刷直流电机的数学模型 6

2.3.1电压方程 7

2.3.2转矩方程 8

2.3.3反电动势方程 8

2.3.4机械运动方程 8

2.4无位置传感器控制技术 9

2.5反电动势检测技术原理 9

2.6 端电压检测法 11

2.6.1 端电压检测法原理 11

2.6.2 端电压检测法理论推导 11

2.6.3端电压检测法的相移补偿 12

2.7 无刷直流电机的三段式启动 13

2.7.1转子预定位 13

2.7.2 外同步加速 13

2.7.3 自同步切换 13

2.8 抑制转矩脉动之PWM调制方式的选择 14

2.9 控制策略和算法的选择 15

2.10 本章小结 16

第3章 直流变频压缩机驱动器硬件设计 17

3.1 驱动器整体硬件结构 17

3.2控制模块的设计 17

3.2.1 控制器芯片需求分析 17

3.2.2 控制器芯片的选择 18

3.2.3 最小系统设计 18

3.3驱动及逆变模块设计 19

3.3.1 IPM的选取 19

3.3.2 IPM电路设计 20

3.4 反电动势检测模块设计 21

3.5 电源模块的设计 21

3.5.1直流200V电源的设计 22

3.5.2 直流15V电源的设计 22

3.5.3 直流5V电源的设计 22

3.5.4 直流3.3V、-3.3V电源的设计 23

3.6 通信模块的设计 23

3.7 保护模块的设计 24

3.7.1 母线电流检测电路设计 24

3.7.2 母线电压检测电路设计 25

3.8 PCB抗干扰设计 25

3.9 本章小结 26

第4章 直流变频压缩机驱动器软件设计 27

4.1 软件开发环境 27

4.2 系统软件整体设计 27

4.3 通信程序 29

4.4 电机启动程序 30

4.5 双闭环调速程序 30

4.5.1 转速调节程序设计 32

4.5.2 电流调节程序设计 33

4.6中断服务程序 34

4.6.1反电动势捕获中断程序 34

4.6.2 ADC电流电压采样中断程序 36

4.6.3 Fo故障外部中断程序 36

4.7软件抗干扰措施 37

4.8本章小结 38

第5章 总结与展望 39

参考文献 41

附录A 43

A.1 直流变频压缩机驱动器原理图 43

A.2 直流变频压缩机驱动器PCB图 44

附录B 45

B.1主函数 45

B.2 485通讯程序 46

B.3 三段式启动程序 57

B.4 反电动势捕获程序 59

B.5 双闭环调速程序 73

B.6 ADC电流电压采样程序 76

B.7 外部中断程序 79

B.8 PWM生成换相程序 80

B.9电流滤波程序 87

致谢 88

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景与意义

在人民的日常生活中，变频空调和变频冰箱已经成为了每个家庭必不可少的家电。变频压缩机作为二者的核心以及主要耗能的部件，对其的研究具有重要的意义。与交流变频压缩机相比，直流变频压缩机效率高10%～30%，噪声低5～10dB^[1]，并且其运行稳定性、能源效率、寿命等方面都更加突出优异^[2]。 所以其应用的领域更加广泛,这也是未来变频压缩机的发展趋势。直流变频压缩机的工作原理是改变输入的直流电压值，来调节压缩机的转速，并可以使转速能在大范围内连续的变化，从而改变整个制冷系统的制冷量。

直流变频压缩机的核心驱动系统是由电机和驱动器组成。电机是无刷直流电机，没有电刷和换向器，不存在火花和磨损问题，因此不需经常进行维护 ，同时还具有功耗低、转速高、换向可靠、易控制、运行效率高和寿命长等优点，广泛用于工业自动化、航空航天、医疗设备和家电等领域^[2]。驱动器主要由控制器芯片、驱动及逆变电路和功率器件组成，驱动器的作用是输出一定范围的可变直流电压来对压缩机调压调速，从而改变系统制冷量。驱动器目前主要是基于MCU、DSP、FPGA^[3]来进行硬件电路和软件程序的开发，再辅之以驱动及逆变电路模块和功率器件来完成总体的设计。驱动器作为直流变频压缩机驱动系统的核心，因此研究高可靠性的直流变频压缩机驱动器对于提高整个制冷系统的能效比和性能具有十分重要的经济效益和理论价值。