基于新型微控制器的空氣凈化器驅(qū)動電機控制系統(tǒng)設(shè)計

朱清祥，何舟 (長江大學電子信息學院，湖北 荊州 434023)

空氣凈化器電機驅(qū)動系統(tǒng)作為空氣凈化器最核心的部件，扮演著相當重要的角色，其性能的優(yōu)劣直接決定著風力的大小、凈化效果，還會影響機器的噪音和振動等。因此，驅(qū)動電機的控制性能對于空氣凈化器的效果和性能有著重要的影響[1]。針對空氣凈化器實際運行工況，筆者采用美國微芯公司的高性能低功耗控制芯片dsPIC30F4011，東芝公司的驅(qū)動電路智能功率模塊，設(shè)計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)動電機控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

所設(shè)計的驅(qū)動電機控制系統(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個部分：硬件部分包括控制電路、驅(qū)動電路及電壓、電流采樣電路；軟件設(shè)計采用無位置傳感器換相控制算法。

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

在驅(qū)動電機的起動階段，主控芯片負責轉(zhuǎn)子的初始位置確定及加速起動控制；在驅(qū)動電機的同步運行階段，主控芯片負責對反電動勢的過零點進行辨識以獲取電機轉(zhuǎn)子的實時位置并對電機的轉(zhuǎn)速進行估算以實現(xiàn)延時換相及電機轉(zhuǎn)速的實時控制等[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為在線串行編程時鐘輸入信號；PGD為在線串行編程數(shù)據(jù)輸入/輸出信號；TX為異步接收器/發(fā)送器通信模塊的發(fā)送信號；RX為異步接收器/發(fā)送器通信模塊的接收信號；HIN1/LIN1到HIN3/LIN3為三相六路PWM輸出信號；I_DC為經(jīng)放大后的直流母線電流采樣信號；VSP為用于給定轉(zhuǎn)速的外接電位器的電壓信號；FG為驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速輸出信號；VM1、VM2、VM3為分壓后的A、B、C三相端電壓信號；OSC1為外部晶振輸入；OSC2為外部晶振輸出信號；為方便對所設(shè)計的控制系統(tǒng)進行測試和調(diào)試，S1和S2為設(shè)計的按鍵輸入信號；為對控制系統(tǒng)進行保護，F(xiàn)LTA為系統(tǒng)的故障信號輸入。

圖2 主控芯片引腳分配圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 智能驅(qū)動模塊外圍電路設(shè)計

為對主控芯片保護及電氣隔離，主控芯片的引腳與電力電子功率開關(guān)器件不應有電氣聯(lián)系，控制系統(tǒng)往往需要專門的驅(qū)動電路對電力電子功率管進行隔離驅(qū)動[4]。TPD4135K包含的驅(qū)動部分由輸入邏輯部分、高側(cè)電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動器和低側(cè)驅(qū)動器組成，可以將主控芯片輸出的PWM進行電平變換，用以驅(qū)動TGBT。TPD4135K雖然包含過電流保護和故障信號輸出功能，但是需要外圍電路輔助實現(xiàn)這些功能，所設(shè)計的驅(qū)動電路如圖3所示。

在圖3中，C17、C18、C19為自舉電容，當下橋臂電力電子功率開關(guān)管導通時，VCC電源通過二極管對自舉電容充電，使電容很快達到電源的電壓(忽略二極管壓降)；下橋臂電力電子功率開關(guān)管關(guān)斷時，電容兩端電壓不變，可向上橋臂電力電子功率開關(guān)管提供偏移電壓，使其導通；R8為對母線電流進行檢測的精密電阻，通過串聯(lián)電阻對母線電流進行采樣后可以送入TPD4135K中實現(xiàn)過電流保護，經(jīng)過放大電路后可以送入主控芯片中實現(xiàn)電流閉環(huán)控制，提高了系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)點性[5]。

圖3 智能驅(qū)動模塊及外圍電路設(shè)計

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

在圖3中，通過電阻R8將母線電流轉(zhuǎn)換為電壓信號進行采樣，但得到的電壓值較小。因此，設(shè)計了放大電路將采樣得到的電壓經(jīng)過放大后送入主控芯片中以實現(xiàn)電流閉環(huán)控制，從保護主控芯片的角度來說，通過放大電路也可以隔離開主控電路與驅(qū)動電路的電氣連接。該電路采用低功耗運算放大器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)正常工作時對母線電流的采樣范圍，設(shè)計的電路如圖4所示。

2.3 端電壓采樣電路設(shè)計

所使用的驅(qū)動電機直流供電電壓為40～60V，而主控芯片的供電電壓為5V，因此，對端電壓采樣需要進行等比例降壓變換，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)對反電動勢過零點進行辨識，這樣可以避免相移的問題，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，送入主控芯片中用于反電動勢過零點檢測[6]。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 主程序與起動流程圖

所使用的驅(qū)動電機沒有裝配位置傳感器，在電機的起動階段，由于電機靜止或轉(zhuǎn)速較低，反電動勢沒有或較小，難以被控制系統(tǒng)檢測到，為解決該問題，采用三段式起動控制算法以實現(xiàn)電機的平穩(wěn)起步[8～10]。

當控制系統(tǒng)接收到電機起動指令后，執(zhí)行三段式起動算法：①導通設(shè)定的繞組，繞組導通一定的時間后即可實現(xiàn)轉(zhuǎn)子永磁鐵的預定位；②需要實現(xiàn)外同步加速，通過定時器確定導通繞組時間，在定時器結(jié)束后即可按順序切換導通繞組，隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)占空比與定時時間即可實現(xiàn)升壓升頻的外同步加速；③當電機到達一定的轉(zhuǎn)速后即可以切換至自同步運行。具體軟件設(shè)計流程圖如圖6所示。

3.2 驅(qū)動電機在無位置傳感器下的換相算法

電機的換相部分通過芯片的ADC模塊完成對三相端電壓的采集，對導通相電壓之和與非導通相電壓的2倍進行比較，再由PWM中斷利用擇多函數(shù)進行反電勢過零點的判別，若判別結(jié)果為真，則計算30°電角度時間并啟動定時器進行換相，由于反電勢過零檢測采用擇多函數(shù)進行判別，執(zhí)行程序耗費了一定的時間，需要進行補償，換相流程如圖7所示。

圖6 主程序與起動流程圖 圖7 無位置換相流程圖

4 試驗測試結(jié)果

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

將供電電壓設(shè)置為60V時，電機轉(zhuǎn)速為600rpm，得到電機運行時的相電壓波形如圖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，且波形沒有發(fā)生畸變，電機運行穩(wěn)定。

圖8 40V供電電壓下電機運行的線電壓波形 圖9 60V供電電壓下電機運行的相電壓波形

5 結(jié)語

筆者針對無位置傳感器電機控制系統(tǒng)的難點進行研究，提出了一種改進的反電動勢過零點檢測方法，并結(jié)合主控芯片dsPIC30F4011與驅(qū)動芯片TPD4135K的特性，設(shè)計開發(fā)了一套結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性能高的控制系統(tǒng)。經(jīng)在搭建的試驗平臺上進行測試，結(jié)果表明系統(tǒng)可以在無位置傳感器的條件下驅(qū)動電機正常起動并運行，且運行平穩(wěn)。