基于dsPIC30F4012的冰箱制冷壓縮機控制器

摘要：基于dsPIC30F4012設計一種用于冰箱制冷壓縮機的無刷直流電機控制系統(tǒng)。其驅(qū)動電機通過三段式升頻升壓法啟動，當運行至滿足自同步速度時，單片機通過檢測電機的端電壓獲取轉(zhuǎn)子的換相點，并通過PID算法提高系統(tǒng)的控制魯棒性。經(jīng)測試，該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和可控性，既降低成本，又控制靈活，具有較高的實用價值。
關鍵詞：無刷直流電機(BLDC)；數(shù)字信號處理器(DSP)；脈沖寬度調(diào)制(PWM)；PID算法；dsPIC30F4012

1 引言
    家用冰箱壓縮機的驅(qū)動電機一般采用單相異步電動機。為了提高冰箱的綜合性能，省電降噪，提高冰箱制冷系統(tǒng)的工作效率，需對壓縮機電機進行調(diào)速控制。無刷直流電機BLDC(brushless DC motor)既具有交流電機結構簡單，運行可靠，維護方便的優(yōu)點，又具有直流電機運行效率高和調(diào)速性能好的優(yōu)點，因此，這里采用dsPIC30F4012設計一種用于冰箱制冷壓縮機的無刷直流電機控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)控制方案
    該系統(tǒng)設計采用轉(zhuǎn)速、電流、位置三閉環(huán)控制方案，可獲得良好的控制性能，控制原理如圖1所示。

    由于電機啟動時反電勢為零或很小，采用三段式升頻升壓法使電機啟動，這個過程主要由軟件實現(xiàn)，通過給被控電機提供頻率越來越高的驅(qū)動信號，同時不斷提高驅(qū)動信號的占空比，待電機達到一定速度時再轉(zhuǎn)向白同步運行方式。自同步運行時。單片機通過檢測反電勢過零點確定電機位置，再根據(jù)位置信號改寫OVDCON(控制寄存器)值，逆變器采用pwm_on調(diào)制方式，即各個功率器件在導通的前60°進行PWM調(diào)制，后60°保持恒通的兩兩導通方式。該導通方式繞組利用率高，電機出力最大，平穩(wěn)性最好，且PWM調(diào)制方式控制簡單，無控制死區(qū)，能有效抑制換向轉(zhuǎn)矩脈動，顯著提高電機的運行性能。

3 控制系統(tǒng)硬件設計
    該系統(tǒng)通過檢測端電壓“過中點”得出轉(zhuǎn)子位置由dsPIC30F4012輸出PWM脈沖方波，經(jīng)驅(qū)動電路驅(qū)動相應功率管的通斷，實現(xiàn)對電機的正確供電，使得電機正常運行。
3．1 dsPIC30F4012簡介
    dsPIC30F4012為Microchip公司一款帶DSP處理能力的高性能16位單片機，其獨特的模塊構造和強大存儲性能使得將其運用于無刷電機控制具有一定的優(yōu)勢。dsPIC30F4012具有片內(nèi)的電機專用PWM控制器(MCPWM)；通過編程可產(chǎn)生獨立的、具有相同頻率和工作方式的三相6路PWM波形，每個引腳驅(qū)動電流達25 mA，并由RE口直接輸出給驅(qū)動器，且三相互補不重疊?？煞乐雇粯虮凵蟽蓚€功率管發(fā)生直通造成短路，該結構大大簡化了產(chǎn)生PWM波形的控制軟件和外部硬件，系統(tǒng)通過一電位器調(diào)節(jié)BLDC轉(zhuǎn)速；電阻對完成端電壓VDC的檢測，VDC／2即為端電壓“過中點”的電壓；電壓反饋通過3個電阻對來實現(xiàn)。
3．2 驅(qū)動電路
    驅(qū)動電路如圖2所示。IR2101是IR公司生產(chǎn)的一款高性價比的驅(qū)動器，驅(qū)動效果好且操作簡單。IR2101驅(qū)動器可驅(qū)動一組功率管，整個功率電路只需3塊即可，這樣不但節(jié)約制造成本，而且還提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3．3 電流反饋與故障檢測電路
    電流反饋與故障檢測電路如圖3所示。電流反饋的第1個運算放大器通過采樣母線上的電流，放大輸入給dsPIC30F4012的AN2引腳實現(xiàn)：將第1個運算放大器的輸出接至第2個反比例運算放大電路，用于電機故障檢測，當母線電流過大時讓微處理器進入故障處理。制方案和算法合理可行。

4 系統(tǒng)調(diào)試與測試
    圖4為系統(tǒng)的主程序流程，主程序主要是設置各個設備控制字，初始化各變量及標志值，開啟相應的中斷并調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。三相逆變驅(qū)動中，PWM占空比寄存器(PDCX)和改寫控制寄存器(OVDCON)配合使用，占空比寄存器能夠控制流經(jīng)負載的電流，可以改寫控制寄存器控制換相。dsPIC30F4012內(nèi)置電機專用PWM控制器結構，可大大簡化產(chǎn)生PWM波形的控制軟件和外部硬件設計。調(diào)試成功后用ICD2將程序下載到dsPIC30F4012中，組裝整個系統(tǒng)，經(jīng)過測試，該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和可控性，且響應快速，運行平穩(wěn)，具有較好的靜、動態(tài)性能。圖5是采用4通道示波器采集的4個功率管的驅(qū)動波形。波形表明系統(tǒng)采用的控制方案和算法合理可行。

5 結束語
    經(jīng)過測試，該系統(tǒng)設計具有良好的穩(wěn)定性和可控性，雖在低速啟動時，電機性能不如有傳感器無刷直流電機，而啟動后性能與其性能相當。整個系統(tǒng)硬件成本低，控制性能靈活，因此具有廣闊的市場前景。