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基于瑞萨单片机的交流感应电机驱动电路的设计

所属分类:凤凰彩票平台新闻 发布时间:2019-01-25 01:20 作者:凤凰彩票_凤凰彩票 文章来源:凤凰彩票平台

  摘要:介绍一种用于家用电器调速的高性能、低成本变频控制器。针对的控制特点,从功率、速度检测、芯片IRS2136S组成,降低了变频控制器的成本。速度检测采用位置传感器,缩短了软件开发周期。在中增加的EMC措施,大大增加了系统的可靠性。该电路已在某些家电产品中得到应用,整机具有良好的稳定性和抗干扰性,通过了UL及国家家电安全标准检验。

  随着电力电子技术和微控制器技术的飞速发展,现代交流变频调速系统技术在电机控制系统中的应用也越来越广,采用全控型器件IGBT的全数字控制的变频调速器已经实现了通用化,具有调速范围宽、调速精度高、动态响应快、运行效率高、操作方便等优点。变频调速器的普及应用提高了现代工业的自动化水平,提高了产品质量和劳动效率,最大限度地节约了能源,因此符合国家发展建设和谐、节约型社会的方针。

  本文选用瑞萨公司推出的性价比较高的微控制器R5F21246 seties,嵌入R8C/Tiny系列CPU内核,R8C/Tiny系列中的所有MCU都集成了片上闪存,具有高性能和很好的易用性,1 MB地址空间,2 KB片上数据存储FLASH,非常适合于空调、洗衣机、冰箱等家电应用以及交流伺服马达等工业控制应用等。

  交流感应电机控制系统的原理构成如图1所示,它包括主电路、控制单元、功率驱动单元、保护单元以及信号反馈采集单元等。

  交流感应电机控制单元包括速度控制器、转矩和电流控制器等。Renesas单片机R5F21246以其价格低、功耗小、性能高、处理速度快等优点成为交流感应电机控制系统控制核心的一种趋势。功率驱动单元采用以驱动芯片IRS2136S,其内部不但集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠电压等故障检测保护电路,当系统出现问题时能及时进行自我保护,提高了系统的可靠性。各采集信号经过反馈传输到R5F21246内部,进行精确、快速的处理后输出,以实现各个部件的实时控制。在主回路中还加入了软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。

  功率驱动模块作为交流感应电机控制系统的强电部分包括两个单元:电源单元为整个系统的数字和模拟电路提供电源;功率驱动单元IRS2136S用于电机的驱动(见图2)。

  功率板的设计中包括4个硬件保护功能,分别是过流(正反向电流)保护、母线过压保护、母线欠压保护和IGBT过热保护,每种保护都有LED报警显示。为了增强可靠性,保护动作发生后都会分别给MCU发送关断信号,保护功率器件IRS2136S,防止元件的损坏。这些信号必须由单独的复位信号才能取消,否则保护电路会一直有效,以防止误操作损坏设备和影响人身安全。

  电源主电路如图3所示。输入电压范围:交流187~264 V,频率范围:48~53 Hz。直流母线 V左右,肖特基二极管D110并联在母线电压两端,防止母线并联,用来稳定电容两端电压。直流母线电压输出采用预充电回路,通电后的瞬间由限流电阻R102给整流桥D101和滤波电容C107,C108提供电流,减小了对整流桥的冲击,滤波电容充电接近完成后通过继电器K101旁路限流电阻。直流母线 V稳定的直流电压,分别给驱动电路和其他电路供电,如图4所示。

  图5为IGBT的温度检测电路。电路中R379为负温度系数热敏电阻NTC,当温度过高时R379阻值就变小。通过检测电路的电压输出故障信号反馈给单片机,经单片机分析处理后采取的措施对系统进行保护,如令驱动芯片停止工作,当温度恢复正常时再解除保护。

  为了降低系统成本,该电路采用了单电阻采样技术。一般而言,矢量控制算法需要采集电机至少两相电流,但单电阻采样只需要采集负母线采样,采样电流ishunt,对于下桥臂Q202,Q204,Q206的每一个开关状态,其流过的电流状态如表1所示。

  在表1中,“0”表示开关管关断,而“1”表示导通。由于电流在一个PWM周期内几乎不变,因此只需要在一个PWM周期内采样两次即可得到该时刻电机每一相电流的状态,因为三相电流之和为零。

  单电阻采样会遇到一些挑战,空间矢量脉宽调制器(SVPWM)在空间矢量的扇区边界和低速调制区域的时候,会存在占空比两长一短和两短一长以及三个几乎一样长的时刻。这样,如果有效矢量持续的时间少于电流采样时间,则会出错。本方案采取的办法是在相邻边界的时候插入固定时间的有效矢量,而在低速调制区域的时候,采用轮流插入有效矢量的方法。插入有效矢量会给电流波形带来失真,这种情况下需要通过软件来进行补偿。

  基于相同的增益和偏移,一致性好。缺点也是明显的,对于MCU来说,算法复杂了其运算时间要增大,代码比三电阻也要长一些;对于电流检测而言,其波形失真比起三电阻方法要稍大。单电阻采样的性能对于变频空调的应用是完全可以胜任的,而且成本低廉,这也就是大部分家电厂家都愿意选择单电阻采样的原因所在。2.4 速度检测电路

  位置式传感器在交流感应电动机中起着测定转子位置及速度的作用,作为逻辑开关电路提供正确的位置信息,即将转子磁钢的磁极位置信号转换成电信号。然后去控制定子绕组换相。该

  设计采用FUS1881(霍尔传感器),电机转子转动一周给单片机输入8个脉冲,从而控制交流感应电机运动并且使控制程序简单。霍尔检测电路如图6所示。

  该硬件系统的电磁兼容(EMC)抗干扰设计主要有以下几个方面:电源输入的防雷、滤波处理,接地技术,屏蔽技术,隔离技术,印刷电路板设计。

  如图7所示,L101和C102与C103构成了共模扼流圈。这是一个低通滤波电路所构成的电源滤波器。实施对暂态电压波形中高频分量的初次衰减。它允许直流或50 Hz电流通过,对频率较高的干扰信号有较大的衰减。由于干扰信号有差模和共模两种,因此电源滤波器要对这两种干扰都具有衰减作用。注意,当工作电流超过额定电流时,滤波器中的电感磁芯会发生饱和现象,使实际电感量减小,导致滤波器的高频滤波性能降低。因此,确定滤波器的额定工作电流时,取实际电流值的1.5倍。压敏电阻V101起抑制差模过电压与增加泄流限压作用。

  如图2所示为功率驱动放大电路,加在IGBT上的正向电压上升率dv/dt如果过大,由于结电容的存在而产生较大的位移电流,该电流有可能起到触发电流的作用,使IGBT正向阻断能力下降,严重时引起误导通。为抑制dv/dt的作用,在IGBT门级与栅极两端并联电阻吸收回路并增加双向续流二极管回路,抑制较大的位移电流,并利用电阻把这部分能量消耗掉。同理,该保护回路对电路中的高频骚扰信号也可以起到衰减和抑制的作用。

  由于系统的供电较多,对模拟地、数字地等进行了妥善处理。此外还注意外壳接地,驱动芯片IRS2136S的每个输入端增加了小电容,以提高可靠性。在PCB板设计的时,注意了走线方式,线 结语

  瑞萨单片机的交流感应电机的控制电路,结合先进的三相功率驱动芯片IRS2136S,采用6个单管IGBT及单电阻采样,降低了生产成本;增加EMC措施,使系统工作更加稳定、可靠。本文充分利用R8C/Tiny系列CPU内核的优势丰富的固件库函数,缩短了开发周期。实践应用表明,

  基于瑞萨单片机的交流感应电机控制电路具有良好的动态性能,系统工作稳定可靠,效率高、低成本,节能及噪音小等特点,完全能够满足家用电器的实际使用要求。

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