無感無刷直流風(fēng)機(jī)控制器的設(shè)計(jì)

胡 飛, 唐賢傳, 李 敏

(蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 蕪湖 241006)

風(fēng)機(jī)作為日常生活中的必備產(chǎn)品,常見用于通風(fēng)、散熱等場(chǎng)合,原有風(fēng)機(jī)大多采用交流電機(jī),但轉(zhuǎn)換效率偏低,而無刷直流電機(jī)(Brushless DC Motor,簡(jiǎn)稱BLDC)具有效率高、噪音小、調(diào)速性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)外在各個(gè)領(lǐng)域廣泛采用無刷直流電機(jī),其控制器也由分離式發(fā)展為集成一體式,國(guó)內(nèi)無刷直流電機(jī)還主要應(yīng)用于家電領(lǐng)域中,對(duì)可靠性和安全性要求更高的工業(yè)及汽車應(yīng)用領(lǐng)域中仍然處于測(cè)試與驗(yàn)證環(huán)節(jié)。

一般風(fēng)機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)速精度和響應(yīng)時(shí)間要求較弱,出于成本的考慮,無刷直流風(fēng)機(jī)普遍采用無位置傳感器的控制方式。常見的無刷直流風(fēng)機(jī)控制方案采用“MCU(DSP)+預(yù)驅(qū)芯片+MOS(或IGBT)”結(jié)構(gòu),由于各個(gè)模塊分離,在成本方面不占優(yōu)勢(shì),且會(huì)造成較高的故障率。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)是典型的恒功率負(fù)載,一般采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),既可以將扇葉和轉(zhuǎn)子同時(shí)設(shè)計(jì),又可以使用風(fēng)機(jī)為自身定子散熱;控制對(duì)象是一款額定電壓24 V、額定功率240 W的無感無刷直流風(fēng)機(jī),其定子繞組采用星形連接,轉(zhuǎn)子采用4對(duì)極永磁體對(duì)稱結(jié)構(gòu),主要用于配電箱或控制柜的散熱,經(jīng)LCR測(cè)試儀測(cè)量電機(jī)參數(shù)為:相電阻Rs =0.032 2 Ω(50 Hz),相電感Ls =114.38 μH(1 kHz)。

設(shè)計(jì)采用“STM8S+PT2522”結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)低成本、大功率的風(fēng)機(jī)控制器,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中意法半導(dǎo)體的STM8S單片機(jī)價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定、外設(shè)豐富,被廣泛應(yīng)用在各種工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中;PT2522是針對(duì)無感無刷直流電機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)芯片,基于測(cè)量電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)(BEMF)過零點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)換相,具有穩(wěn)定的控制效果,不易受到電機(jī)的差異性影響;其軟切換技術(shù)可達(dá)到梯型波或類弦波電流波形,進(jìn)一步降低電磁噪聲。

圖1 控制器系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 三相全橋電路

直流無刷風(fēng)機(jī)控制器的原理是將直流電經(jīng)電子換相結(jié)構(gòu)變換為三相交變信號(hào),由三相交變信號(hào)形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),與永磁體的轉(zhuǎn)子相互作用,讓轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)跟隨轉(zhuǎn)動(dòng),電子換相結(jié)構(gòu)主要由6只場(chǎng)效應(yīng)管(MOS)構(gòu)成三相全橋電路;NMOS具有內(nèi)阻小、工作速度高等優(yōu)點(diǎn),單橋臂上下功率元件一般均為NMOS,采用6塊NCE4060K構(gòu)成如圖2所示的全橋電路。

圖2 三相全橋電路

場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的原則是減少開關(guān)損耗、驅(qū)動(dòng)波形振蕩小、過沖小;PT2522內(nèi)部集成有柵極驅(qū)動(dòng)電路,為避免柵極驅(qū)動(dòng)在脈沖激勵(lì)下產(chǎn)生振蕩,通過接入小阻值驅(qū)動(dòng)電阻使振蕩迅速衰減,同時(shí)能調(diào)節(jié)功率器件的開關(guān)速度,經(jīng)試驗(yàn)確定為22 Ω;為減少柵極回路電感值,將驅(qū)動(dòng)電阻盡可能靠近對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)的MOS管;為改善MOS管的米勒效應(yīng),在MOS管的柵極和源極接入10 kΩ電阻;采用高精度低阻值的合金采樣電阻R16來實(shí)現(xiàn)母線電流采樣;其封裝為2512,阻值0.001 Ω(精度±1%),可通過對(duì)采樣電阻的端電壓放大平滑后得到母線平均電流值IBus。

2.2 PT2522應(yīng)用電路

PT2522應(yīng)用電路原理如圖3所示,其內(nèi)部集成有柵極驅(qū)動(dòng)電路,其柵極驅(qū)動(dòng)的自舉二極管和自舉電容需外置,自舉二極管應(yīng)選擇快恢復(fù)二極管并有較高的反向擊穿電壓,系統(tǒng)采用DHE1J超快恢復(fù)二極管作為自舉二極管,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)自舉電容為4.7 μF,經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證2.2 μF～10 μF的自舉電容均可以讓自舉升壓電路正常工作。

圖3 PT2522應(yīng)用電路圖

PT2522通過反電動(dòng)勢(shì)過零信號(hào)實(shí)現(xiàn)換相,但系統(tǒng)噪聲或反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)太弱都會(huì)影響過零信號(hào)判斷的準(zhǔn)確性,可調(diào)整外部濾波電容和內(nèi)置數(shù)字濾波器參數(shù)的方法來調(diào)整換相時(shí)間,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)120°～150°的換相角度;其中FLT引腳外接濾波電容(作調(diào)整換相時(shí)間用),根據(jù)風(fēng)機(jī)特性調(diào)整對(duì)應(yīng)濾波電容的大小。

2.3 母線電流與電壓采樣

為實(shí)現(xiàn)恒流控制及過流保護(hù),需實(shí)時(shí)感知電機(jī)的工作電流,通過采集圖2中IBus點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓值可計(jì)算得出電機(jī)工作電流,但由于采樣電阻阻值小,對(duì)應(yīng)壓降易受噪聲影響,采用單電源運(yùn)放TLV316構(gòu)成信號(hào)放大電路,同時(shí)前置濾波電路和偽差分調(diào)理電路;風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中相電流存在波動(dòng),對(duì)測(cè)量數(shù)值作軟件濾波處理,得到其平均工作電流值;通過對(duì)電壓+VM按照10∶1的比例經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)采集,計(jì)算出工作電壓值,用于欠壓和過壓保護(hù),當(dāng)電壓低于12 V或高于26 V時(shí),風(fēng)機(jī)不啟動(dòng)。

2.4 硬件布線

在風(fēng)機(jī)控制器的實(shí)際布線中,指導(dǎo)思想是大電流和小電流分開設(shè)計(jì)、減小大電流回路面積使電磁干擾減小、電流采樣采用開爾文接法減小共模干擾等,線路板采用4層結(jié)構(gòu),板厚1.6 mm,外層1 oz,芯層0.5 oz;大電流優(yōu)先走線,并盡可能使回路面積較小,減小因換相造成電磁干擾;母線回路放置大容量鋁電解電容(采用2顆1 000 μF/35 V)去耦以減小換相過程中造成的電壓波動(dòng);為增強(qiáng)其工作的適應(yīng)性,加入TVS二極管(SMBJ30CA)應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的瞬態(tài)電壓,作為測(cè)量溫度的NTC熱敏電阻,需靠近貼放NMOS附近。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 電機(jī)功能調(diào)試

PT2522內(nèi)置無刷直流電機(jī)的梯形波算法,但需根據(jù)風(fēng)機(jī)特性調(diào)整參數(shù),使用PTC BLDC UI Kit通過USB接口與電腦相連,其功能類似于仿真器,在電腦端使用可視化圖形調(diào)試界面。涉及主要參數(shù)有初始化、啟動(dòng)參數(shù)、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到停止相關(guān)的設(shè)定、保護(hù)參數(shù)以及芯片本身的時(shí)鐘校準(zhǔn)等,通過軟件修改電機(jī)不同運(yùn)行階段的參數(shù)設(shè)置,使其達(dá)到預(yù)期的控制效果。

無感無刷直流風(fēng)機(jī)的運(yùn)行過程主要分為啟動(dòng)、加速以及減速環(huán)節(jié),其中啟動(dòng)過程最為復(fù)雜,由于啟動(dòng)初始階段的電機(jī)轉(zhuǎn)速較低,反電動(dòng)勢(shì)過小,無法提供可靠的過零信號(hào)用于穩(wěn)定換相;系統(tǒng)中使用三段式啟動(dòng)法,通過給定幅值、恒定不變的脈沖組合形成恒定磁通將轉(zhuǎn)子預(yù)定位到固定位置,繼而通過升頻升壓的方法使電機(jī)加速,以形成穩(wěn)定的反電動(dòng)勢(shì)過零信號(hào)用于換相。

風(fēng)機(jī)應(yīng)用需考慮順逆風(fēng)工況,在啟動(dòng)前應(yīng)判斷順逆風(fēng)狀態(tài),相應(yīng)會(huì)延長(zhǎng)加速到最高速的時(shí)間,特別是逆風(fēng)工況,首先要?jiǎng)x停風(fēng)機(jī)后再提供更大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩;調(diào)試中通過電流鉗獲得穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下的相電流波形,調(diào)整提前換相角度以及對(duì)應(yīng)死區(qū)時(shí)間,使得相電流波形盡可能對(duì)稱;對(duì)稱的相電流波形反映出參數(shù)設(shè)置是適宜的;其中保護(hù)參數(shù)主要涉及過流、過壓以及堵轉(zhuǎn)保護(hù),根據(jù)外置電路參數(shù)設(shè)置對(duì)應(yīng)值。

通過可視化界面,調(diào)整各項(xiàng)參數(shù),使無刷直流風(fēng)機(jī)的控制達(dá)到預(yù)期目標(biāo),并通過OTP燒錄方式將相應(yīng)參數(shù)固化至PT2522內(nèi)部ROM中。

3.2 STM8S編程

微控制器可通過模擬電壓、脈沖寬度調(diào)制(PWM)及I2C通信三種方式經(jīng)PT2522控制無刷直流風(fēng)機(jī),STM8S微控制器內(nèi)部無DAC功能,因此選擇“脈沖寬度調(diào)制(PWM)+I2C通信”相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制;使用定時(shí)器2實(shí)現(xiàn)頻率固定(1 kHz),占空比可變的脈沖,STM8S通過I2C接口與PT2522通信,可得到電機(jī)轉(zhuǎn)速、工作狀態(tài);可視化界面調(diào)整的參數(shù)均可以通過I2C接口實(shí)時(shí)在線修改;為實(shí)時(shí)獲取電機(jī)運(yùn)行參數(shù),通過0.96寸OLED顯示屏顯示當(dāng)前的電機(jī)運(yùn)行參數(shù)。

常見風(fēng)機(jī)的控制方式為本地控制以及遙控控制,采用矩陣鍵盤來實(shí)現(xiàn)本地控制,按鍵功能分別為開關(guān)機(jī)、加減速以及參數(shù)設(shè)置,采用超外差接收器LR45B實(shí)現(xiàn)遙控控制,微控制器的工作流程如圖4所示。

圖4 微控制器中軟件工作流程圖

4 數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)包括基于“STM8S+PT2522”的實(shí)驗(yàn)DEMO板、無刷直流風(fēng)機(jī)、SPI接口OLED顯示屏、矩陣鍵盤、LR45B接收器等;數(shù)據(jù)采集有示波器、電流鉗和PTC BLDC UI Kit模塊。

由于風(fēng)機(jī)較長(zhǎng)時(shí)間會(huì)工作在低速段,極限情況下才會(huì)全時(shí)段工作在高速段,因此低速檔位設(shè)置需密集,可通過鍵盤或遙控器切換不同檔位;通過對(duì)啟動(dòng)時(shí)間測(cè)量,在設(shè)置有順逆風(fēng)判斷條件下,從靜止加速到最高速約9 s,滿足風(fēng)機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合的需求。

如圖5所示,記錄了不同轉(zhuǎn)速下的相電流波形,控制器在高轉(zhuǎn)速下已實(shí)現(xiàn)了梯形波換相,達(dá)到了類弦波的控制效果,很好地達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖5 不同速度段對(duì)應(yīng)的相電流波形

5 結(jié) 論

無感無刷直流風(fēng)機(jī)相較原有有刷風(fēng)機(jī)在噪音、節(jié)能方面均更具優(yōu)勢(shì),由場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的電子換相結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)了其使用壽命?；凇癝TM8S+PT2522”的架構(gòu)設(shè)計(jì)的無感無刷直流風(fēng)機(jī)控制器,較原有分離元件組成的風(fēng)機(jī)控制器集成度更高、故障率更低,在風(fēng)機(jī)的低速段容易啟動(dòng)、高速段能夠提供更大風(fēng)量,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)工作數(shù)據(jù)的可視化。經(jīng)過各個(gè)速度段的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,在啟動(dòng)時(shí)間、運(yùn)行電流、加速響應(yīng)、保護(hù)機(jī)制等性能指標(biāo)均符合風(fēng)機(jī)使用需求,且成本低廉適合大規(guī)模推廣應(yīng)用。