基于dsPIC30F4012的冰箱制冷壓縮機(jī)控制器

摘要：基于dsPIC30F4012設(shè)計(jì)一種用于冰箱制冷壓縮機(jī)的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。其驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過三段式升頻升壓法啟動(dòng)，當(dāng)運(yùn)行至滿足自同步速度時(shí)，單片機(jī)通過檢測(cè)電機(jī)的端電壓獲取轉(zhuǎn)子的換相點(diǎn)，并通過PID算法提高系統(tǒng)的控制魯棒性。經(jīng)測(cè)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(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)(BLDC)；數(shù)字信號(hào)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(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般采用單相異步電動(dòng)機(jī)。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(duì)壓縮機(jī)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。無刷直流電機(jī)BLDC(brushless DC motor)既具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，又具有直流電機(jī)運(yùn)行效率高和調(diào)速性能好的優(yōu)點(diǎn)，因此，這里采用dsPIC30F4012設(shè)計(jì)一種用于冰箱制冷壓縮機(jī)的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)控制方案
    該系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)啟動(dòng)時(shí)反電勢(shì)為零或很小，采用三段式升頻升壓法使電機(jī)啟動(dòng)，這個(gè)過程主要由軟件實(shí)現(xiàn)，通過給被控電機(jī)提供頻率越來越高的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)不斷提高驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比，待電機(jī)達(dá)到一定速度時(shí)再轉(zhuǎn)向白同步運(yùn)行方式。自同步運(yùn)行時(shí)。單片機(jī)通過檢測(cè)反電勢(shì)過零點(diǎn)確定電機(jī)位置，再根據(jù)位置信號(hào)改寫OVDCON(控制寄存器)值，逆變器采用pwm_on調(diào)制方式，即各個(gè)功率器件在導(dǎo)通的前60°進(jìn)行PWM調(diào)制，后60°保持恒通的兩兩導(dǎo)通方式。該導(dǎo)通方式繞組利用率高，電機(jī)出力最大，平穩(wěn)性最好，且PWM調(diào)制方式控制簡(jiǎn)單，無控制死區(qū)，能有效抑制換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，顯著提高電機(jī)的運(yùn)行性能。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)通過檢測(cè)端電壓“過中點(diǎn)”得出轉(zhuǎn)子位置由dsPIC30F4012輸出PWM脈沖方波，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)功率管的通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的正確供電，使得電機(jī)正常運(yùn)行。
3．1 dsPIC30F4012簡(jiǎn)介
    dsPIC30F4012為Microchip公司一款帶DSP處理能力的高性能16位單片機(jī)，其獨(dú)特的模塊構(gòu)造和強(qiáng)大存儲(chǔ)性能使得將其運(yùn)用于無刷電機(jī)控制具有一定的優(yōu)勢(shì)。dsPIC30F4012具有片內(nèi)的電機(jī)專用PWM控制器(MCPWM)；通過編程可產(chǎn)生獨(dú)立的、具有相同頻率和工作方式的三相6路PWM波形，每個(gè)引腳驅(qū)動(dòng)電流達(dá)25 mA，并由RE口直接輸出給驅(qū)動(dòng)器，且三相互補(bǔ)不重疊。可防止同一橋臂上兩個(gè)功率管發(fā)生直通造成短路，該結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)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(duì)完成端電壓VDC的檢測(cè)，VDC／2即為端電壓“過中點(diǎn)”的電壓；電壓反饋通過3個(gè)電阻對(duì)來實(shí)現(xiàn)。
3．2 驅(qū)動(dòng)電路
    驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。IR2101是IR公司生產(chǎn)的一款高性價(jià)比的驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)效果好且操作簡(jiǎn)單。IR2101驅(qū)動(dòng)器可驅(qū)動(dòng)一組功率管，整個(gè)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(cè)電路
    電流反饋與故障檢測(cè)電路如圖3所示。電流反饋的第1個(gè)運(yùn)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(shí)現(xiàn)：將第1個(gè)運(yùn)算放大器的輸出接至第2個(gè)反比例運(yùn)算放大電路，用于電機(jī)故障檢測(cè)，當(dāng)母線電流過大時(shí)讓微處理器進(jìn)入故障處理。制方案和算法合理可行。

4 系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試
    圖4為系統(tǒng)的主程序流程，主程序主要是設(shè)置各個(gè)設(shè)備控制字，初始化各變量及標(biāo)志值，開啟相應(yīng)的中斷并調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。三相逆變驅(qū)動(dòng)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(fù)載的電流，可以改寫控制寄存器控制換相。dsPIC30F4012內(nèi)置電機(jī)專用PWM控制器結(jié)構(gòu)，可大大簡(jiǎn)化產(chǎn)生PWM波形的控制軟件和外部硬件設(shè)計(jì)。調(diào)試成功后用ICD2將程序下載到dsPIC30F4012中，組裝整個(gè)系統(tǒng)，經(jīng)過測(cè)試，該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和可控性，且響應(yīng)快速，運(yùn)行平穩(wěn)，具有較好的靜、動(dòng)態(tài)性能。圖5是采用4通道示波器采集的4個(gè)功率管的驅(qū)動(dòng)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(jié)束語
    經(jīng)過測(cè)試，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有良好的穩(wěn)定性和可控性，雖在低速啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)性能不如有傳感器無刷直流電機(jī)，而啟動(dòng)后性能與其性能相當(dāng)。整個(gè)系統(tǒng)硬件成本低，控制性能靈活，因此具有廣闊的市場(chǎng)前景。