基于瑞薩單片機的交流感應電機驅(qū)動電路的設計

摘要：介紹一種用于家用電器交流感應電機調(diào)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，從功率驅(qū)動電路、速度檢測、電路保護及EMC等方面進行了分析?？刂破骱诵挠傻统杀靖咝阅艿?strong>瑞薩單片機和三相功率驅(qū)動芯片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)品中得到應用，整機具有良好的穩(wěn)定性和抗干擾性，通過了UL及國家家電安全標準檢驗。
關鍵詞：交流感應電機；瑞薩單片機；EMC；單電阻采樣

0 引言
    隨著電力電子技術和微控制器技術的飛速發(fā)展，現(xiàn)代交流變頻調(diào)速系統(tǒng)技術在電機控制系統(tǒng)中的應用也越來越廣，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)實現(xiàn)了通用化，具有調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、動態(tài)響應快、運行效率高、操作方便等優(yōu)點。變頻調(diào)速器的普及應用提高了現(xiàn)代工業(yè)的自動化水平，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和勞動效率，最大限度地節(jié)約了能源，因此符合國家發(fā)展建設和諧、節(jié)約型社會的方針。
    本文選用瑞薩公司推出的性價比較高的微控制器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FLASH，非常適合于空調(diào)、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(tǒng)的基本構架
    交流感應電機控制系統(tǒng)的原理構成如圖1所示，它包括主電路、控制單元、功率驅(qū)動單元、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(zhuǎn)矩和電流控制器等。Renesas單片機R5F21246以其價格低、功耗小、性能高、處理速度快等優(yōu)點成為交流感應電機控制系統(tǒng)控制核心的一種趨勢。功率驅(qū)動單元采用以驅(qū)動芯片IRS2136S，其內(nèi)部不但集成了驅(qū)動電路，同時具有過電壓、過電流、過熱、欠電壓等故障檢測保護電路，當系統(tǒng)出現(xiàn)問題時能及時進行自我保護，提高了系統(tǒng)的可靠性。各采集信號經(jīng)過反饋傳輸?shù)絉5F21246內(nèi)部，進行精確、快速的處理后輸出，以實現(xiàn)各個部件的實時控制。在主回路中還加入了軟啟動電路，以減小啟動過程對驅(qū)動器的沖擊。

2 交流感應電機系統(tǒng)的驅(qū)動電路設計
    功率驅(qū)動模塊作為交流感應電機控制系統(tǒng)的強電部分包括兩個單元：電源單元為整個系統(tǒng)的數(shù)字和模擬電路提供電源；功率驅(qū)動單元IRS2136S用于電機的驅(qū)動(見圖2)。

    功率板的設計中包括4個硬件保護功能，分別是過流(正反向電流)保護、母線過壓保護、母線欠壓保護和IGBT過熱保護，每種保護都有LED報警顯示。為了增強可靠性，保護動作發(fā)生后都會分別給MCU發(fā)送關斷信號，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，電阻R104～R109別C107與C106并聯(lián)，用來穩(wěn)定電容兩端電壓。直流母線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(shù)熱敏電阻NTC，當溫度過高時R379阻值就變小。通過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(tǒng)進行保護，如令驅(qū)動芯片停止工作，當溫度恢復正常時再解除保護。
2．3 電流檢測電路
    為了降低系統(tǒng)成本，該電路采用了單電阻采樣技術。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的每一個開關狀態(tài)，其流過的電流狀態(tài)如表1所示。

    在表1中，“0”表示開關管關斷，而“1”表示導通。由于電流在一個PWM周期內(nèi)幾乎不變，因此只需要在一個PWM周期內(nèi)采樣兩次即可得到該時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)域的時候，會存在占空比兩長一短和兩短一長以及三個幾乎一樣長的時刻。這樣，如果有效矢量持續(xù)的時間少于電流采樣時間，則會出錯。本方案采取的辦法是在相鄰邊界的時候插入固定時間的有效矢量，而在低速調(diào)制區(qū)域的時候，采用輪流插入有效矢量的方法。插入有效矢量會給電流波形帶來失真，這種情況下需要通過軟件來進行補償。
    單電阻采樣的優(yōu)點除了降低系統(tǒng)的成本，還有就是它檢測三相電流時都基于相同的增益和偏移，一致性好。缺點也是明顯的，對于MCU來說，算法復雜了其運算時間要增大，代碼比三電阻也要長一些；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(diào)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機中起著測定轉(zhuǎn)子位置及速度的作用，作為邏輯開關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轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一周給單片機輸入8個脈沖，從而控制交流感應電機運動并且使控制程序簡單。霍爾檢測電路如圖6所示。

3 EMC措施
    該硬件系統(tǒng)的電磁兼容(EMC)抗干擾設計主要有以下幾個方面：電源輸入的防雷、濾波處理，接地技術，屏蔽技術，隔離技術，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。這是一個低通濾波電路所構成的電源濾波器。實施對暫態(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，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，當工作電流超過額定電流時，濾波器中的電感磁芯會發(fā)生飽和現(xiàn)象，使實際電感量減小，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，取實際電流值的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保護電路
    如圖2所示為功率驅(qū)動放大電路，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，嚴重時引起誤導通。為抑制dv／dt的作用，在IGBT門級與柵極兩端并聯(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(tǒng)的供電較多，對模擬地、數(shù)字地等進行了妥善處理。此外還注意外殼接地，驅(qū)動芯片IRS2136S的每個輸入端增加了小電容，以提高可靠性。在PCB板設計的時，注意了走線方式，線寬、過孔處理等。

4 結語
    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，結合先進的三相功率驅(qū)動芯片IRS2136S，采用6個單管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——豐富的固件庫函數(shù)，縮短了開發(fā)周期。實踐應用表明，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，完全能夠滿足家用電器的實際使用要求。