朱清祥，何舟 (長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

空氣凈化器電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為空氣凈化器最核心的部件，扮演著相當(dāng)重要的角色，其性能的優(yōu)劣直接決定著風(fēng)力的大小、凈化效果，還會(huì)影響機(jī)器的噪音和振動(dòng)等。因此，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制性能對(duì)于空氣凈化器的效果和性能有著重要的影響[1]。針對(duì)空氣凈化器實(shí)際運(yùn)行工況，筆者采用美國(guó)微芯公司的高性能低功耗控制芯片dsPIC30F4011，東芝公司的驅(qū)動(dòng)電路智能功率模塊，設(shè)計(jì)了一套軟硬件控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1 空氣凈化器驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

控制系統(tǒng)包括硬件和軟件2個(gè)部分：硬件部分包括控制電路、驅(qū)動(dòng)電路及電壓、電流采樣電路；軟件設(shè)計(jì)采用無(wú)位置傳感器換相控制算法。

控制器采用美國(guó)微芯公司的高性價(jià)比dsPIC系列芯片dsPIC30F4011作為主控芯片，該控制芯片是一種具有數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)運(yùn)算功能的電機(jī)專用數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)，芯片卓越的性能及合理的配置為設(shè)計(jì)不同精度、不同轉(zhuǎn)速范圍、不同控制策略的電機(jī)控制提供了理想的低成本解決方案[2]。

在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的起動(dòng)階段，主控芯片負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)子的初始位置確定及加速起動(dòng)控制；在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的同步運(yùn)行階段，主控芯片負(fù)責(zé)對(duì)反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行辨識(shí)以獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)位置并對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行估算以實(shí)現(xiàn)延時(shí)換相及電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制等[3]。

圖2展示了主控芯片的引腳分配。其中，VDD為主控芯片的供電電壓(5V)；PGC為在線串行編程時(shí)鐘輸入信號(hào)；PGD為在線串行編程數(shù)據(jù)輸入/輸出信號(hào)；TX為異步接收器/發(fā)送器通信模塊的發(fā)送信號(hào)；RX為異步接收器/發(fā)送器通信模塊的接收信號(hào)；HIN1/LIN1到HIN3/LIN3為三相六路PWM輸出信號(hào)；I_DC為經(jīng)放大后的直流母線電流采樣信號(hào)；VSP為用于給定轉(zhuǎn)速的外接電位器的電壓信號(hào)；FG為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出信號(hào)；VM1、VM2、VM3為分壓后的A、B、C三相端電壓信號(hào)；OSC1為外部晶振輸入；OSC2為外部晶振輸出信號(hào)；為方便對(duì)所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和調(diào)試，S1和S2為設(shè)計(jì)的按鍵輸入信號(hào)；為對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，F(xiàn)LTA為系統(tǒng)的故障信號(hào)輸入。

圖2 主控芯片引腳分配圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 智能驅(qū)動(dòng)模塊外圍電路設(shè)計(jì)

為對(duì)主控芯片保護(hù)及電氣隔離，主控芯片的引腳與電力電子功率開(kāi)關(guān)器件不應(yīng)有電氣聯(lián)系，控制系統(tǒng)往往需要專門(mén)的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)電力電子功率管進(jìn)行隔離驅(qū)動(dòng)[4]。TPD4135K包含的驅(qū)動(dòng)部分由輸入邏輯部分、高側(cè)電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)器和低側(cè)驅(qū)動(dòng)器組成，可以將主控芯片輸出的PWM進(jìn)行電平變換，用以驅(qū)動(dòng)TGBT。TPD4135K雖然包含過(guò)電流保護(hù)和故障信號(hào)輸出功能，但是需要外圍電路輔助實(shí)現(xiàn)這些功能，所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

在圖3中，C17、C18、C19為自舉電容，當(dāng)下橋臂電力電子功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，VCC電源通過(guò)二極管對(duì)自舉電容充電，使電容很快達(dá)到電源的電壓(忽略二極管壓降)；下橋臂電力電子功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電容兩端電壓不變，可向上橋臂電力電子功率開(kāi)關(guān)管提供偏移電壓，使其導(dǎo)通；R8為對(duì)母線電流進(jìn)行檢測(cè)的精密電阻，通過(guò)串聯(lián)電阻對(duì)母線電流進(jìn)行采樣后可以送入TPD4135K中實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù)，經(jīng)過(guò)放大電路后可以送入主控芯片中實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制，提高了系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)點(diǎn)性[5]。

圖3 智能驅(qū)動(dòng)模塊及外圍電路設(shè)計(jì)

圖4 母線電流隔離放大電路

圖5 端電壓采樣電路

2.2 母線電流隔離放大電路設(shè)計(jì)

在圖3中，通過(guò)電阻R8將母線電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，但得到的電壓值較小。因此，設(shè)計(jì)了放大電路將采樣得到的電壓經(jīng)過(guò)放大后送入主控芯片中以實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制，從保護(hù)主控芯片的角度來(lái)說(shuō)，通過(guò)放大電路也可以隔離開(kāi)主控電路與驅(qū)動(dòng)電路的電氣連接。該電路采用低功耗運(yùn)算放大器LM258為核心器件構(gòu)成母線電流隔離放大器電路，由于母線電流最高為額定電流的4～7倍，主控芯片的供電電壓為5V，因此，放大倍數(shù)選用11倍，滿足系統(tǒng)正常工作時(shí)對(duì)母線電流的采樣范圍，設(shè)計(jì)的電路如圖4所示。

2.3 端電壓采樣電路設(shè)計(jì)

所使用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)直流供電電壓為40～60V，而主控芯片的供電電壓為5V，因此，對(duì)端電壓采樣需要進(jìn)行等比例降壓變換，最為方便的方法是采用電阻網(wǎng)絡(luò)分壓[7]。采樣電路采用純電阻組成的分壓網(wǎng)絡(luò)，采用擇多函數(shù)對(duì)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行辨識(shí)，這樣可以避免相移的問(wèn)題，端電壓采樣電路如圖5所示。其中，W為端電壓，R10和R11組成純電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，VM1為分壓后的端電壓信號(hào)，送入主控芯片中用于反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)[6]。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序與起動(dòng)流程圖

所使用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)沒(méi)有裝配位置傳感器，在電機(jī)的起動(dòng)階段，由于電機(jī)靜止或轉(zhuǎn)速較低，反電動(dòng)勢(shì)沒(méi)有或較小，難以被控制系統(tǒng)檢測(cè)到，為解決該問(wèn)題，采用三段式起動(dòng)控制算法以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平穩(wěn)起步[8～10]。

當(dāng)控制系統(tǒng)接收到電機(jī)起動(dòng)指令后，執(zhí)行三段式起動(dòng)算法：①導(dǎo)通設(shè)定的繞組，繞組導(dǎo)通一定的時(shí)間后即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子永磁鐵的預(yù)定位；②需要實(shí)現(xiàn)外同步加速，通過(guò)定時(shí)器確定導(dǎo)通繞組時(shí)間，在定時(shí)器結(jié)束后即可按順序切換導(dǎo)通繞組，隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)占空比與定時(shí)時(shí)間即可實(shí)現(xiàn)升壓升頻的外同步加速；③當(dāng)電機(jī)到達(dá)一定的轉(zhuǎn)速后即可以切換至自同步運(yùn)行。具體軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

3.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)在無(wú)位置傳感器下的換相算法

電機(jī)的換相部分通過(guò)芯片的ADC模塊完成對(duì)三相端電壓的采集，對(duì)導(dǎo)通相電壓之和與非導(dǎo)通相電壓的2倍進(jìn)行比較，再由PWM中斷利用擇多函數(shù)進(jìn)行反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的判別，若判別結(jié)果為真，則計(jì)算30°電角度時(shí)間并啟動(dòng)定時(shí)器進(jìn)行換相，由于反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)采用擇多函數(shù)進(jìn)行判別，執(zhí)行程序耗費(fèi)了一定的時(shí)間，需要進(jìn)行補(bǔ)償，換相流程如圖7所示。

圖6 主程序與起動(dòng)流程圖 圖7 無(wú)位置換相流程圖

4 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

將供電電壓設(shè)置為40V時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為400rpm，得到電機(jī)運(yùn)行時(shí)的線電壓波形如圖8所示。從圖8中可以看出，線電壓波形清晰沒(méi)有發(fā)生畸變，電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。

將供電電壓設(shè)置為60V時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為600rpm，得到電機(jī)運(yùn)行時(shí)的相電壓波形如圖9所示。從圖9中可以看出，相電壓呈現(xiàn)辨析度極高的梯形波，且波形沒(méi)有發(fā)生畸變，電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。

圖8 40V供電電壓下電機(jī)運(yùn)行的線電壓波形 圖9 60V供電電壓下電機(jī)運(yùn)行的相電壓波形

5 結(jié)語(yǔ)

筆者針對(duì)無(wú)位置傳感器電機(jī)控制系統(tǒng)的難點(diǎn)進(jìn)行研究，提出了一種改進(jìn)的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)方法，并結(jié)合主控芯片dsPIC30F4011與驅(qū)動(dòng)芯片TPD4135K的特性，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性能高的控制系統(tǒng)。經(jīng)在搭建的試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明系統(tǒng)可以在無(wú)位置傳感器的條件下驅(qū)動(dòng)電機(jī)正常起動(dòng)并運(yùn)行，且運(yùn)行平穩(wěn)。