基于瑞薩單片機(jī)的交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

摘要：介紹一種用于家用電器交流感應(yīng)電機(jī)調(diào)速的高性能、低成本變頻控制器。針對(duì)交流感應(yīng)電機(jī)的控制特點(diǎn)，從功率驅(qū)動(dòng)電路、速度檢測(cè)、電路保護(hù)及EMC等方面進(jìn)行了分析?？刂破骱诵挠傻统杀靖咝阅艿?strong>瑞薩單片機(jī)和三相功率驅(qū)動(dòng)芯片IRS2136S組成，降低了變頻控制器的成本。速度檢測(cè)采用位置傳感器，縮短了軟件開發(fā)周期。在電路中增加的EMC措施，大大增加了系統(tǒng)的可靠性。該電路已在某些家電產(chǎn)品中得到應(yīng)用，整機(jī)具有良好的穩(wěn)定性和抗干擾性，通過了UL及國(guó)家家電安全標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)。
關(guān)鍵詞：交流感應(yīng)電機(jī)；瑞薩單片機(jī)；EMC；單電阻采樣

0 引言
    隨著電力電子技術(shù)和微控制器技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代交流變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)在電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣，采用全控型器件IGBT的全數(shù)字控制的變頻調(diào)速器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了通用化，具有調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)行效率高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。變頻調(diào)速器的普及應(yīng)用提高了現(xiàn)代工業(yè)的自動(dòng)化水平，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)效率，最大限度地節(jié)約了能源，因此符合國(guó)家發(fā)展建設(shè)和諧、節(jié)約型社會(huì)的方針。
    本文選用瑞薩公司推出的性價(jià)比較高的微控制器R5F21246 seties，嵌入R8C／Tiny系列CPU內(nèi)核，R8C／Tiny系列中的所有MCU都集成了片上閃存，具有高性能和很好的易用性，1 MB地址空間，2 KB片上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)FLASH，非常適合于空調(diào)、洗衣機(jī)、冰箱等家電應(yīng)用以及交流伺服馬達(dá)等工業(yè)控制應(yīng)用等。

1 交流感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)的基本構(gòu)架
    交流感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)的原理構(gòu)成如圖1所示，它包括主電路、控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、保護(hù)單元以及信號(hào)反饋采集單元等。

    交流感應(yīng)電機(jī)控制單元包括速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器等。Renesas單片機(jī)R5F21246以其價(jià)格低、功耗小、性能高、處理速度快等優(yōu)點(diǎn)成為交流感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)控制核心的一種趨勢(shì)。功率驅(qū)動(dòng)單元采用以驅(qū)動(dòng)芯片IRS2136S，其內(nèi)部不但集成了驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)具有過電壓、過電流、過熱、欠電壓等故障檢測(cè)保護(hù)電路，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)能及時(shí)進(jìn)行自我保護(hù)，提高了系統(tǒng)的可靠性。各采集信號(hào)經(jīng)過反饋傳輸?shù)絉5F21246內(nèi)部，進(jìn)行精確、快速的處理后輸出，以實(shí)現(xiàn)各個(gè)部件的實(shí)時(shí)控制。在主回路中還加入了軟啟動(dòng)電路，以減小啟動(dòng)過程對(duì)驅(qū)動(dòng)器的沖擊。

2 交流感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
    功率驅(qū)動(dòng)模塊作為交流感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)的強(qiáng)電部分包括兩個(gè)單元：電源單元為整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)字和模擬電路提供電源；功率驅(qū)動(dòng)單元IRS2136S用于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)(見圖2)。

    功率板的設(shè)計(jì)中包括4個(gè)硬件保護(hù)功能，分別是過流(正反向電流)保護(hù)、母線過壓保護(hù)、母線欠壓保護(hù)和IGBT過熱保護(hù)，每種保護(hù)都有LED報(bào)警顯示。為了增強(qiáng)可靠性，保護(hù)動(dòng)作發(fā)生后都會(huì)分別給MCU發(fā)送關(guān)斷信號(hào)，保護(hù)功率器件IRS2136S，防止元件的損壞。這些信號(hào)必須由單獨(dú)的復(fù)位信號(hào)才能取消，否則保護(hù)電路會(huì)一直有效，以防止誤操作損壞設(shè)備和影響人身安全。
2．1 電源電路
    電源主電路如圖3所示。輸入電壓范圍：交流187～264 V，頻率范圍：48～53 Hz。直流母線電壓輸出穩(wěn)定在正常值310 V左右，肖特基二極管D110并聯(lián)在母線電壓兩端，防止母線過壓，濾波電容C110濾除干擾信號(hào)，電阻R104～R109別C107與C106并聯(lián)，用來(lái)穩(wěn)定電容兩端電壓。直流母線電壓輸出采用預(yù)充電回路，通電后的瞬間由限流電阻R102給整流橋D101和濾波電容C107，C108提供電流，減小了對(duì)整流橋的沖擊，濾波電容充電接近完成后通過繼電器K101旁路限流電阻。直流母線電壓通過VIPER12(U101)與LM78L05(U102)芯片產(chǎn)生16 V與5 V穩(wěn)定的直流電壓，分別給驅(qū)動(dòng)電路和其他電路供電，如圖4所示。

2．2 溫度檢測(cè)電路
    圖5為IGBT的溫度檢測(cè)電路。電路中R379為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTC，當(dāng)溫度過高時(shí)R379阻值就變小。通過檢測(cè)電路的電壓輸出故障信號(hào)反饋給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)分析處理后采取的措施對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，如令驅(qū)動(dòng)芯片停止工作，當(dāng)溫度恢復(fù)正常時(shí)再解除保護(hù)。
2．3 電流檢測(cè)電路
    為了降低系統(tǒng)成本，該電路采用了單電阻采樣技術(shù)。一般而言，矢量控制算法需要采集電機(jī)至少兩相電流，但單電阻采樣只需要采集負(fù)母線的電流即可。
    如圖2所示，單電阻R236采樣，采樣電流ishunt，對(duì)于下橋臂Q202，Q204，Q206的每一個(gè)開關(guān)狀態(tài)，其流過的電流狀態(tài)如表1所示。

    在表1中，“0”表示開關(guān)管關(guān)斷，而“1”表示導(dǎo)通。由于電流在一個(gè)PWM周期內(nèi)幾乎不變，因此只需要在一個(gè)PWM周期內(nèi)采樣兩次即可得到該時(shí)刻電機(jī)每一相電流的狀態(tài)，因?yàn)槿嚯娏髦蜑榱恪?br />     單電阻采樣會(huì)遇到一些挑戰(zhàn)，空間矢量脈寬調(diào)制器(SVPWM)在空間矢量的扇區(qū)邊界和低速調(diào)制區(qū)域的時(shí)候，會(huì)存在占空比兩長(zhǎng)一短和兩短一長(zhǎng)以及三個(gè)幾乎一樣長(zhǎng)的時(shí)刻。這樣，如果有效矢量持續(xù)的時(shí)間少于電流采樣時(shí)間，則會(huì)出錯(cuò)。本方案采取的辦法是在相鄰邊界的時(shí)候插入固定時(shí)間的有效矢量，而在低速調(diào)制區(qū)域的時(shí)候，采用輪流插入有效矢量的方法。插入有效矢量會(huì)給電流波形帶來(lái)失真，這種情況下需要通過軟件來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。
    單電阻采樣的優(yōu)點(diǎn)除了降低系統(tǒng)的成本，還有就是它檢測(cè)三相電流時(shí)都基于相同的增益和偏移，一致性好。缺點(diǎn)也是明顯的，對(duì)于MCU來(lái)說，算法復(fù)雜了其運(yùn)算時(shí)間要增大，代碼比三電阻也要長(zhǎng)一些；對(duì)于電流檢測(cè)而言，其波形失真比起三電阻方法要稍大。單電阻采樣的性能對(duì)于變頻空調(diào)的應(yīng)用是完全可以勝任的，而且成本低廉，這也就是大部分家電廠家都愿意選擇單電阻采樣的原因所在。
2．4 速度檢測(cè)電路
    位置式傳感器在交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中起著測(cè)定轉(zhuǎn)子位置及速度的作用，作為邏輯開關(guān)電路提供正確的位置信息，即將轉(zhuǎn)子磁鋼的磁極位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。然后去控制定子繞組換相。該設(shè)計(jì)采用FUS1881(霍爾傳感器)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一周給單片機(jī)輸入8個(gè)脈沖，從而控制交流感應(yīng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)并且使控制程序簡(jiǎn)單?；魻枡z測(cè)電路如圖6所示。

3 EMC措施
    該硬件系統(tǒng)的電磁兼容(EMC)抗干擾設(shè)計(jì)主要有以下幾個(gè)方面：電源輸入的防雷、濾波處理，接地技術(shù)，屏蔽技術(shù)，隔離技術(shù)，印刷電路板設(shè)計(jì)。
3．1 電源輸入的濾波處理
    如圖7所示，L101和C102與C103構(gòu)成了共模扼流圈。這是一個(gè)低通濾波電路所構(gòu)成的電源濾波器。實(shí)施對(duì)暫態(tài)電壓波形中高頻分量的初次衰減。它允許直流或50 Hz電流通過，對(duì)頻率較高的干擾信號(hào)有較大的衰減。由于干擾信號(hào)有差模和共模兩種，因此電源濾波器要對(duì)這兩種干擾都具有衰減作用。注意，當(dāng)工作電流超過額定電流時(shí)，濾波器中的電感磁芯會(huì)發(fā)生飽和現(xiàn)象，使實(shí)際電感量減小，導(dǎo)致濾波器的高頻濾波性能降低。因此，確定濾波器的額定工作電流時(shí)，取實(shí)際電流值的1．5倍。壓敏電阻V101起抑制差模過電壓與增加泄流限壓作用。

3．2 IGBT保護(hù)電路
    如圖2所示為功率驅(qū)動(dòng)放大電路，加在IGBT上的正向電壓上升率dv／dt如果過大，由于結(jié)電容的存在而產(chǎn)生較大的位移電流，該電流有可能起到觸發(fā)電流的作用，使IGBT正向阻斷能力下降，嚴(yán)重時(shí)引起誤導(dǎo)通。為抑制dv／dt的作用，在IGBT門級(jí)與柵極兩端并聯(lián)電阻吸收回路并增加雙向續(xù)流二極管回路，抑制較大的位移電流，并利用電阻把這部分能量消耗掉。同理，該保護(hù)回路對(duì)電路中的高頻騷擾信號(hào)也可以起到衰減和抑制的作用。
3．3 其他
    由于系統(tǒng)的供電較多，對(duì)模擬地、數(shù)字地等進(jìn)行了妥善處理。此外還注意外殼接地，驅(qū)動(dòng)芯片IRS2136S的每個(gè)輸入端增加了小電容，以提高可靠性。在PCB板設(shè)計(jì)的時(shí)，注意了走線方式，線寬、過孔處理等。

4 結(jié)語(yǔ)
    本文所設(shè)計(jì)的基于瑞薩單片機(jī)的交流感應(yīng)電機(jī)的控制電路，結(jié)合先進(jìn)的三相功率驅(qū)動(dòng)芯片IRS2136S，采用6個(gè)單管IGBT及單電阻采樣，降低了生產(chǎn)成本；增加EMC措施，使系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定、可靠。本文充分利用R8C／Tiny系列CPU內(nèi)核的優(yōu)勢(shì)——豐富的固件庫(kù)函數(shù)，縮短了開發(fā)周期。實(shí)踐應(yīng)用表明，基于瑞薩單片機(jī)的交流感應(yīng)電機(jī)控制電路具有良好的動(dòng)態(tài)性能，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，效率高、低成本，節(jié)能及噪音小等特點(diǎn)，完全能夠滿足家用電器的實(shí)際使用要求。