基于瑞薩單片機的交流感應電機驅動(dòng)電路的設計

摘要：介紹一種用于家用電器交流感應電機調速的高性能、低成本變頻控制器。針對交流感應電機的控制特點(diǎn)，從功率驅動(dòng)電路、速度檢測、電路保護及EMC等方面進(jìn)行了分析?？刂破骱诵挠傻统杀靖咝阅艿娜鹚_單片機和三相功率驅動(dòng)芯片IRS2136S組成，降低了變頻控制器的成本。速度檢測采用位置傳感器，縮短了軟件開(kāi)發(fā)周期。在電路中增加的EMC措施，大大增加了系統的可靠性。該電路已在某些家電產(chǎn)品中得到應用，整機具有良好的穩定性和抗干擾性，通過(guò)了UL及國家家電安全標準檢驗。
關(guān)鍵詞：交流感應電機；瑞薩單片機；EMC；單電阻采樣

0 引言
隨著(zhù)電力電子技術(shù)和微控制器技術(shù)的飛速發(fā)展，現代交流變頻調速系統技術(shù)在電機控制系統中的應用也越來(lái)越廣，采用全控型器件IGBT的全數字控制的變頻調速器已經(jīng)實(shí)現了通用化，具有調速范圍寬、調速精度高、動(dòng)態(tài)響應快、運行效率高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。變頻調速器的普及應用提高了現代工業(yè)的自動(dòng)化水平，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)效率，最大限度地節約了能源，因此符合國家發(fā)展建設和諧、節約型社會(huì )的方針。
本文選用瑞薩公司推出的性?xún)r(jià)比較高的微控制器R5F21246 seties，嵌入R8C／Tiny系列CPU內核，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片上數據存儲FLASH，非常適合于空調、洗衣機、冰箱等家電應用以及交流伺服馬達等工業(yè)控制應用等。

1 交流感應電機系統的基本構架
交流感應電機控制系統的原理構成如圖1所示，它包括主電路、控制單元、功率驅動(dòng)單元、保護單元以及信號反饋采集單元等。

交流感應電機控制單元包括速度控制器、轉矩和電流控制器等。Renesas單片機R5F21246以其價(jià)格低、功耗小、性能高、處理速度快等優(yōu)點(diǎn)成為交流感應電機控制系統控制核心的一種趨勢。功率驅動(dòng)單元采用以驅動(dòng)芯片IRS2136S，其內部不但集成了驅動(dòng)電路，同時(shí)具有過(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)熱、欠電壓等故障檢測保護電路，當系統出現問(wèn)題時(shí)能及時(shí)進(jìn)行自我保護，提高了系統的可靠性。各采集信號經(jīng)過(guò)反饋傳輸到R5F21246內部，進(jìn)行精確、快速的處理后輸出，以實(shí)現各個(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(guò)程對驅動(dòng)器的沖擊。

2 交流感應電機系統的驅動(dòng)電路設計
功率驅動(dòng)模塊作為交流感應電機控制系統的強電部分包括兩個(gè)單元：電源單元為整個(gè)系統的數字和模擬電路提供電源；功率驅動(dòng)單元IRS2136S用于電機的驅動(dòng)(見(jiàn)圖2)。

功率板的設計中包括4個(gè)硬件保護功能，分別是過(guò)流(正反向電流)保護、母線(xiàn)過(guò)壓保護、母線(xiàn)欠壓保護和IGBT過(guò)熱保護，每種保護都有LED報警顯示。為了增強可靠性，保護動(dòng)作發(fā)生后都會(huì )分別給MCU發(fā)送關(guān)斷信號，保護功率器件IRS2136S，防止元件的損壞。這些信號必須由單獨的復位信號才能取消，否則保護電路會(huì )一直有效，以防止誤操作損壞設備和影響人身安全。
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(xiàn)電壓輸出穩定在正常值310 V左右，肖特基二極管D110并聯(lián)在母線(xiàn)電壓兩端，防止母線(xiàn)過(guò)壓，濾波電容C110濾除干擾信號，電阻R104～R109別C107與C106并聯(lián)，用來(lái)穩定電容兩端電壓。直流母線(xiàn)電壓輸出采用預充電回路，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，減小了對整流橋的沖擊，濾波電容充電接近完成后通過(guò)繼電器K101旁路限流電阻。直流母線(xiàn)電壓通過(guò)VIPER12(U101)與LM78L05(U102)芯片產(chǎn)生16 V與5 V穩定的直流電壓，分別給驅動(dòng)電路和其他電路供電，如圖4所示。

2．2 溫度檢測電路
圖5為IGBT的溫度檢測電路。電路中R379為負溫度系數熱敏電阻NTC，當溫度過(guò)高時(shí)R379阻值就變小。通過(guò)檢測電路的電壓輸出故障信號反饋給單片機，經(jīng)單片機分析處理后采取的措施對系統進(jìn)行保護，如令驅動(dòng)芯片停止工作，當溫度恢復正常時(shí)再解除保護。
2．3 電流檢測電路
為了降低系統成本，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至少兩相電流，但單電阻采樣只需要采集負母線(xiàn)的電流即可。
如圖2所示，單電阻R236采樣，采樣電流ishunt，對于下橋臂Q202，Q204，Q206的每一個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其流過(guò)的電流狀態(tài)如表1所示。

在表1中，“0”表示開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，而“1”表示導通。由于電流在一個(gè)PWM周期內幾乎不變，因此只需要在一個(gè)PWM周期內采樣兩次即可得到該時(shí)刻電機每一相電流的狀態(tài)，因為三相電流之和為零。
單電阻采樣會(huì )遇到一些挑戰，空間矢量脈寬調制器(SVPWM)在空間矢量的扇區邊界和低速調制區域的時(shí)候，會(huì )存在占空比兩長(cháng)一短和兩短一長(cháng)以及三個(gè)幾乎一樣長(cháng)的時(shí)刻。這樣，如果有效矢量持續的時(shí)間少于電流采樣時(shí)間，則會(huì )出錯。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，而在低速調制區域的時(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(guò)軟件來(lái)進(jìn)行補償。
單電阻采樣的優(yōu)點(diǎn)除了降低系統的成本，還有就是它檢測三相電流時(shí)都基于相同的增益和偏移，一致性好。缺點(diǎn)也是明顯的，對于MCU來(lái)說(shuō)，算法復雜了其運算時(shí)間要增大，代碼比三電阻也要長(cháng)一些；對于電流檢測而言，其波形失真比起三電阻方法要稍大。單電阻采樣的性能對于變頻空調的應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(chǎng)家都愿意選擇單電阻采樣的原因所在。
2．4 速度檢測電路
位置式傳感器在交流感應電動(dòng)機中起著(zhù)測定轉子位置及速度的作用，作為邏輯開(kāi)關(guān)電路提供正確的位置信息，即將轉子磁鋼的磁極位置信號轉換成電信號。然后去控制定子繞組換相。該設計采用FUS1881(霍爾傳感器)，電機轉子轉動(dòng)一周給單片機輸入8個(gè)脈沖，從而控制交流感應電機運動(dòng)并且使控制程序簡(jiǎn)單?；魻枡z測電路如圖6所示。

3 EMC措施
該硬件系統的電磁兼容(EMC)抗干擾設計主要有以下幾個(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)，印刷電路板設計。
3．1 電源輸入的濾波處理
如圖7所示，L101和C102與C103構成了共模扼流圈。這是一個(gè)低通濾波電路所構成的電源濾波器。實(shí)施對暫態(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(guò)，對頻率較高的干擾信號有較大的衰減。由于干擾信號有差模和共模兩種，因此電源濾波器要對這兩種干擾都具有衰減作用。注意，當工作電流超過(guò)額定電流時(shí)，濾波器中的電感磁芯會(huì )發(fā)生飽和現象，使實(shí)際電感量減小，導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(guò)電壓與增加泄流限壓作用。

3．2 IGBT保護電路
如圖2所示為功率驅動(dòng)放大電路，加在IGBT上的正向電壓上升率dv／dt如果過(guò)大，由于結電容的存在而產(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，嚴重時(shí)引起誤導通。為抑制dv／dt的作用，在IGBT門(mén)級與柵極兩端并聯(lián)電阻吸收回路并增加雙向續流二極管回路，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，該保護回路對電路中的高頻騷擾信號也可以起到衰減和抑制的作用。
3．3 其他
由于系統的供電較多，對模擬地、數字地等進(jìn)行了妥善處理。此外還注意外殼接地，驅動(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板設計的時(shí)，注意了走線(xiàn)方式，線(xiàn)寬、過(guò)孔處理等。

4 結語(yǔ)
本文所設計的基于瑞薩單片機的交流感應電機的控制電路，結合先進(jìn)的三相功率驅動(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，使系統工作更加穩定、可靠。本文充分利用R8C／Tiny系列CPU內核的優(yōu)勢——豐富的固件庫函數，縮短了開(kāi)發(fā)周期。實(shí)踐應用表明，基于瑞薩單片機的交流感應電機控制電路具有良好的動(dòng)態(tài)性能，系統工作穩定可靠，效率高、低成本，節能及噪音小等特點(diǎn)，完全能夠滿(mǎn)足家用電器的實(shí)際使用要求。