冰箱的直流無(wú)刷電機控制

無(wú)刷直流（Brushless DC，BLDC）電機相對于感應電機具有很多優(yōu)點(diǎn)。BLDC電機支持無(wú)級變速，這可以提高能效并降低噪聲。BLDC電機的速度－扭矩特性曲線(xiàn)是平直的，這使電機可以在較低的速度下運行，無(wú)需消耗更高電流即可產(chǎn)生相同扭矩。
本文將討論使用Microchip公司的PIC18FXX31系列單片機，進(jìn)行冰箱中BLDC電機的有傳感器和無(wú)傳感器控制。

BLDC電機控制

BLDC電機的轉子上具有北極（N）和南極（S）交替排列的永磁體。定子由剛片疊制而成，繞組線(xiàn)圈放置在槽里，槽沿軸邊切割。要旋轉BLDC電機，應按一定順序對定子繞組進(jìn)行勵磁。為了執行換向序列，清楚轉子位置非常重要。轉子位置使用嵌入定子中的霍爾效應傳感器進(jìn)行檢測。大多數電機會(huì )在定子的電機非驅動(dòng)端嵌入三個(gè)霍爾傳感器。每當轉子磁極接近霍爾傳感器時(shí)，傳感器會(huì )產(chǎn)生高電平或低電平信號，指示N或S極接近傳感器。根據這三個(gè)霍爾傳感器的信號組合，可以確定準確的換向序列。表1給出了對應于霍爾傳感器輸入的典型換向序列。

換向序列

如表1所示，每個(gè)序列會(huì )將三相中的兩相與電源連接，第三相保持開(kāi)路。圖1顯示了簡(jiǎn)化的BLDC電機控制框圖。在該示例中，使用Microchip公司的PIC18F2331閃存單片機來(lái)控制電源開(kāi)關(guān)。匹配驅動(dòng)器用于對電源開(kāi)關(guān)進(jìn)行相應的門(mén)控驅動(dòng)。PIC18Fxx31系列具有6個(gè)脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）通道，PWM頻率和占空比可進(jìn)行編程。Q0至Q5連接構成三相逆變橋。A相、B相和C相分別與每個(gè)半H橋的中點(diǎn)連接，PWM0至PWM5分別控制電源開(kāi)關(guān)Q0至Q5。PIC18Fxx31系列具有三個(gè)輸入捕捉引腳，表示為IC1、IC2和IC3。輸入捕捉模塊具有一種工作模式，在該模式下，每次任意輸入捕捉引腳上發(fā)生電平變化時(shí)，會(huì )捕捉Timer5的值。將霍爾傳感器與單片機連接時(shí)，適合使用該模式。每次霍爾傳感器發(fā)生電平變化時(shí)，將會(huì )產(chǎn)生中斷，并捕捉Timer5的值。這個(gè)捕捉值對應于電機速度。

表1:對應于霍爾傳感器的典型換向序列

當PWM0至PWM5所標記的信號根據序列開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)，電機將以額定速度運行（見(jiàn)圖1）。這種情況假定，直流母線(xiàn)電壓等于電機額定電壓與開(kāi)關(guān)兩端所有電壓損失的和。要改變速度，可以對這些信號進(jìn)行脈寬調制，使信號頻率遠高于電機頻率。通常，PWM頻率應至少是電機最大頻率的10倍。在序列中改變PWM頻率的占空比時(shí)，向定子提供的平均電壓會(huì )下降，從而降低速度。

圖1 電機控制框圖

使用PWM控制電機還有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。當直流母線(xiàn)電壓遠高于電機額定電壓時(shí)，可以通過(guò)將PWM占空比限制為與電機額定電壓對應的PWM占空比，將為電機提供的電壓限制為電機額定電壓。這樣，冰箱控制電路就可以在具有不同交流輸入的多個(gè)國家使用。交流電壓輸入使用二極管橋式整流器轉換為直流，控制器的平均電壓輸出通過(guò)控制PWM占空比與電機額定電壓匹配。

有幾種不同的控制方式。如果在單片機中限制PWM信號，則在相應序列期間，可以一直導通上方的開(kāi)關(guān)，相應的下方開(kāi)關(guān)可以通過(guò)所需的PWM占空比進(jìn)行控制。

在圖1中，溫度由用戶(hù)設置。冰箱內部溫度使用溫度傳感器進(jìn)行測量。根據冰箱的尺寸，可能會(huì )有多個(gè)傳感器位于冰箱內部的不同位置。設置溫度和實(shí)際溫度使用片上模數轉換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）讀取。當溫差大于預定義的溫度滯后值時(shí)（通常小于華氏2度），電機會(huì )以低速開(kāi)始旋轉。如果溫差較大（例如，冰箱門(mén)打開(kāi)），則電機應以較高速度運行。溫差和速度之間的關(guān)系可以根據冰箱尺寸確定。當設置溫度和實(shí)際溫度之間的溫差改變時(shí)，壓縮機和風(fēng)扇速度可以相應地改變。