帶有自適應(yīng)功能的單繞組直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

汪號(hào)芝

（廈門華聯(lián)電子有限公司，福建 廈門 361000）

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帶有自適應(yīng)功能的單繞組直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

汪號(hào)芝

（廈門華聯(lián)電子有限公司，福建 廈門 361000）

摘 要：直流無(wú)刷電機(jī)（即BLDC）具有高能效、低噪音的優(yōu)點(diǎn)，但成本較高；單繞組直流無(wú)刷電機(jī)兼具以上優(yōu)點(diǎn)，而且整體成本相對(duì)三相BLDC有所下降。帶有自適應(yīng)功能的單繞組BLDC驅(qū)動(dòng)板使得在不修改機(jī)組風(fēng)道的前提下直接替代交流感應(yīng)電機(jī)成為可能，有利于產(chǎn)品的大規(guī)模替代推廣。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)卫@組；BLDC；自適應(yīng)；風(fēng)量；冷量

一、單繞組電機(jī)的優(yōu)勢(shì)和驅(qū)動(dòng)板開(kāi)發(fā)難點(diǎn)

目前，中央空調(diào)的風(fēng)機(jī)盤管大部分所使用的電機(jī)為交流感應(yīng)抽頭電機(jī)或者直流無(wú)刷電機(jī)（即BLDC）。在現(xiàn)今提倡節(jié)能環(huán)保的大環(huán)境下，以及用戶對(duì)舒適性要求方面，交流感應(yīng)電機(jī)的短板已經(jīng)顯露無(wú)疑，低能效，高噪聲，這是交流感應(yīng)電機(jī)原理特性所決定的?，F(xiàn)在在市場(chǎng)中有一定比例使用的是直流無(wú)刷電機(jī)（主要是高端市場(chǎng)），一般為三相繞組，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。有沒(méi)有一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)工藝和成本相對(duì)低廉，但性能卻能與三相繞組BLDC相媲美的新型電機(jī)呢？答案是肯定的，目前單繞組直流無(wú)刷電機(jī)已經(jīng)得到實(shí)際驗(yàn)證。雖然相同輸出功率等級(jí)下繞制單相繞組線徑相對(duì)于三相繞組有略微加大，但由于繞制工藝的簡(jiǎn)化和驅(qū)動(dòng)部分硬件電路的簡(jiǎn)化，整體成本相對(duì)于三相繞組BLDC電機(jī)有較大優(yōu)勢(shì)。

另外一個(gè)問(wèn)題就是單相繞組BLDC在不改變?cè)酗L(fēng)道結(jié)構(gòu)的情況下如何直接替代交流感應(yīng)抽頭電機(jī)。交流感應(yīng)抽頭電機(jī)一般只有高、中、低三擋風(fēng)速，沒(méi)有速度反饋的抽頭電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)隨著負(fù)載變化而變化，通風(fēng)模式（也叫干態(tài)）時(shí)的轉(zhuǎn)速較制冷模式（也叫濕態(tài)）時(shí)的轉(zhuǎn)速低，而普通的BLDC一般只有恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行模式。目前在使用的機(jī)型大都使用的是交流感應(yīng)抽頭電機(jī)，如果直接更換成BLDC，就需要重新匹配整個(gè)機(jī)組的風(fēng)量和冷量，甚至可能涉及到整個(gè)風(fēng)道的重新設(shè)計(jì)。有沒(méi)有一種BLDC能模擬交流感應(yīng)電機(jī)的這種運(yùn)行特性，而又保留BLDC高效靜音等優(yōu)點(diǎn)呢？我們目前開(kāi)發(fā)的這款帶自適應(yīng)功能的單繞組直流風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)就可以滿足以上要求。

二、硬件部分設(shè)計(jì)

硬件部分設(shè)計(jì)，主要包含EMI濾波器、整流橋、開(kāi)關(guān)電源、4個(gè)IGBT組成的全橋逆變電路、電壓電流采樣電路、過(guò)溫保護(hù)電路、通信接口、主芯片和參數(shù)設(shè)置撥碼開(kāi)關(guān)。主芯片采用Spansion公司基于ARMCortex-M0核心的32位單片機(jī)S6E1A12C0A；開(kāi)關(guān)電源方案采用ST公司Viper12組成的Buck電路，電源輸出為+15V，200mA；母線電壓的濾波電容80W電機(jī)采用150UF/450VAC規(guī)格，120W電機(jī)采用180UF/450VAC規(guī)格，電容的選型計(jì)算參照電容規(guī)格書以及驅(qū)動(dòng)板使用環(huán)境要求，在此不再累述；全橋逆變電路由4個(gè)額定電流5A左右的IGBT組成，額定輸出功率可以達(dá)到200W（可以依據(jù)輸出功率要求更換其他型號(hào)的IGBT），IGBT的損耗由開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗組成，為了盡量降低損耗，我們選擇低Vce的IGBT器件，推薦型號(hào)有AOS公司的AOD5B6；電流采樣電路為單電阻采樣，選用軌對(duì)軌輸出的運(yùn)放電路，偏置電壓設(shè)置為1/2Vcc；選用的運(yùn)放為雙通道，另外多余的一個(gè)通道可以設(shè)計(jì)為帶比較功能的過(guò)流保護(hù)電路，出現(xiàn)過(guò)流時(shí)比較器輸出低電平，與比較器連接的芯片I/O口需要設(shè)置為最高優(yōu)先級(jí)的中斷口，一旦檢測(cè)到低電平，需要在最短時(shí)間內(nèi)將PWM輸出口關(guān)斷，防止IGBT功率管損壞；驅(qū)動(dòng)板上帶有一個(gè)霍爾信號(hào)輸入口，用于霍爾信號(hào)的接收以此來(lái)確定電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置；在IGBT本體銅箔邊沿處焊接一個(gè)NTC，作為過(guò)溫保護(hù)電路，當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定門限溫度時(shí)，電機(jī)會(huì)進(jìn)行降頻保護(hù)；相關(guān)的機(jī)組參數(shù)會(huì)全部寫入芯片F(xiàn)lash中，上電前撥動(dòng)驅(qū)動(dòng)板上的撥碼開(kāi)關(guān)可以進(jìn)行機(jī)組參數(shù)設(shè)置，若需要臨時(shí)調(diào)整機(jī)組參數(shù)，可以通過(guò)專門的工具將機(jī)組參數(shù)寫入EEPROM中；通常線控器與風(fēng)機(jī)之間的連線較長(zhǎng)，線線之間的距離較近，風(fēng)速檔位信號(hào)為強(qiáng)電交流信號(hào)，信號(hào)之間容易出現(xiàn)耦合干擾，所以在每個(gè)風(fēng)速檔位信號(hào)的電路中需要串聯(lián)去耦二極管（1N4007），這樣才能將線線之間的耦合電容隔離，不會(huì)出現(xiàn)相互干擾，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，通信連線之間的距離可以達(dá)到數(shù)百米。

三、自適應(yīng)功能軟件邏輯設(shè)計(jì)

軟件部分最重要的是關(guān)于電機(jī)自適應(yīng)算法的邏輯，主要的邏輯來(lái)自于在對(duì)電機(jī)和風(fēng)機(jī)機(jī)組測(cè)試數(shù)據(jù)的總結(jié)歸納。目前客戶使用的交流感應(yīng)電機(jī)的風(fēng)機(jī)盤管有63種機(jī)型（根據(jù)不同的靜壓和風(fēng)口大小區(qū)分），由這63種機(jī)型擬合出交流感應(yīng)電機(jī)在干濕工況下負(fù)載變化時(shí)的功率-轉(zhuǎn)速曲線和轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線，總結(jié)出幾種電機(jī)運(yùn)行的模式。第一種：干工況功率≤濕工況功率，干工況轉(zhuǎn)速＜濕工況轉(zhuǎn)速時(shí)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行在恒功率模式；第二種：干工況功率＞濕工況功率，干工況轉(zhuǎn)速=濕工況轉(zhuǎn)速時(shí)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)速模式；第三種：干工況功率＞濕工況功率，干工況轉(zhuǎn)速＜濕工況轉(zhuǎn)速時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載成線性關(guān)系。我們將以上的3種模式固化到軟件中，運(yùn)行哪種模式由設(shè)定機(jī)型時(shí)輸入的干濕工況的功率和轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，滿足以上哪個(gè)條件就運(yùn)行對(duì)應(yīng)的模式。能不能運(yùn)行在正確的模式下，能不能運(yùn)行在正確的轉(zhuǎn)速下，以滿足干濕工況下對(duì)風(fēng)量和冷量的需求，干濕工況轉(zhuǎn)換點(diǎn)的功率值和干濕工況下的轉(zhuǎn)速就要求設(shè)置準(zhǔn)確。如果功率值設(shè)置不準(zhǔn)確，驅(qū)動(dòng)板就無(wú)法根據(jù)負(fù)載變化準(zhǔn)確判斷實(shí)時(shí)的工況是干工況還是濕工況，如果空調(diào)實(shí)際已經(jīng)是制冷狀態(tài)了，風(fēng)機(jī)跑的卻是干工況的轉(zhuǎn)速，空調(diào)送出的風(fēng)量和冷量肯定是不達(dá)標(biāo)的；如果干濕工況設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速不準(zhǔn)確，空調(diào)送出的風(fēng)量和冷量也肯定是不達(dá)標(biāo)的。每一種機(jī)組干濕工況的功率值和轉(zhuǎn)速值，需要在焓差實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)工況下標(biāo)定并驗(yàn)證。

主程序邏輯為從EEPROM或者FLASH讀取干濕工況的轉(zhuǎn)速和功率設(shè)定參數(shù)后，判斷該機(jī)組目前工況下執(zhí)行的轉(zhuǎn)速指令還是功率指令，若是轉(zhuǎn)速指令得到的直接就是目標(biāo)轉(zhuǎn)速；若是功率指令，需要通過(guò)線性方程轉(zhuǎn)化為目標(biāo)轉(zhuǎn)速。通過(guò)電流檢測(cè)、速度檢測(cè)和位置檢測(cè)通過(guò)PID調(diào)節(jié)，輸出SVPWM調(diào)制波形，最終達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。主程序有兩個(gè)循環(huán)系統(tǒng)，一個(gè)是功率閉環(huán)和一個(gè)轉(zhuǎn)速閉環(huán)。主程序框圖及控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

四、電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分軟件邏輯設(shè)計(jì)

為了降低電機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪音和振動(dòng)，電機(jī)控制信號(hào)采用16K載波調(diào)制，調(diào)制方式采用空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM），輸出電流波形為正弦波形。要實(shí)現(xiàn)以上自適應(yīng)算法，很重要的一點(diǎn)就是輸出功率的計(jì)算要準(zhǔn)確。Po=U*I*COSφ，U為輸出電壓值，I由采樣電阻獲得實(shí)時(shí)電流值，φ為電壓與電流之間的夾角。每62.5us（16K載波）計(jì)算一次Po值并存儲(chǔ)，連續(xù)N次后將存儲(chǔ)值取平均（N的取值越大，Po輸出越穩(wěn)定，也越接近實(shí)際功率值）。在自適應(yīng)算法中，為了不讓輸出功率出現(xiàn)突然跳變的情況，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，延遲60s后依據(jù)負(fù)載變化情況調(diào)整輸出功率。另外，在啟動(dòng)過(guò)程中為了減小電機(jī)抖動(dòng)，在開(kāi)始的開(kāi)環(huán)運(yùn)行過(guò)程中就記錄并存儲(chǔ)PID調(diào)節(jié)的各項(xiàng)參數(shù)，到閉環(huán)階段將記錄的參數(shù)直接調(diào)用參與PID調(diào)節(jié)，這樣各項(xiàng)參數(shù)的初始值就不會(huì)為0，避免了電流和電壓的突變，抑制了電機(jī)啟動(dòng)階段的振動(dòng)。

結(jié)語(yǔ)

由于先天設(shè)計(jì)的原因，單繞組電機(jī)相對(duì)于三相BLDC電機(jī)在噪音控制方面難度更大，需要在異音測(cè)試室，對(duì)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速范圍進(jìn)行排查，通過(guò)修改電機(jī)內(nèi)部磁鋼結(jié)構(gòu)，降低異音發(fā)生的可能性，最為有效的方法是通過(guò)修改軟件，屏蔽掉有可能產(chǎn)生異音的頻率帶，所以前期的研發(fā)需要做到位，尤其是數(shù)據(jù)計(jì)算需要嚴(yán)謹(jǐn)，測(cè)試工作需要完整而且細(xì)致，只有經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)過(guò)的產(chǎn)品才能經(jīng)得起市場(chǎng)的檢驗(yàn)。該款單繞組BLDC產(chǎn)品目前已經(jīng)正式量產(chǎn)并投入市場(chǎng)，作為一款性價(jià)比較高的產(chǎn)品相信在一定會(huì)得到市場(chǎng)的認(rèn)可。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)：TM33

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A