冰箱的直流无刷电机控制

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无刷直流（Brushless DC，BLDC）电机相对于感应电机具有很多优点。BLDC电机支持无级变速，这可以提高能效并降低噪声。BLDC电机的速度－扭矩特性曲线是平直的，这使电机可以在较低的速度下运行，无需消耗更高电流即可产生相同扭矩。 本文将讨论使用Microchip公司的PIC18FXX31系列单片机，进行冰箱中BLDC电机的有传感器和无传感器控制。BLDC电机控制BLDC电机的转子上具有北极（N）和南极（S）交替排列的永磁体。定子由刚片叠制而成，绕组线圈放置在槽里，槽沿轴边切割。要旋转BLDC电机，应按一定顺序对定子绕组进行励磁。为了执行换向序列，清楚转子位置非常重要。转子位置使用嵌入定子中的霍尔效应传感器进行检测。大多数电机会在定子的电机非驱动端嵌入三个霍尔传感器。每当转子磁极接近霍尔传感器时，传感器会产生高电平或低电平信号，指示N或S极接近传感器。根据这三个霍尔传感器的信号组合，可以确定准确的换向序列。表1给出了对应于霍尔传感器输入的典型换向序列。换向序列如表1所示，每个序列会将三相中的两相与电源连接，第三相保持开路。图1显示了简化的BLDC电机控制框图。在该示例中，使用Microchip公司的PIC18F2331闪存单片机来控制电源开关。匹配驱动器用于对电源开关进行相应的门控驱动。PIC18Fxx31系列具有6个脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）通道，PWM频率和占空比可进行编程。Q0至Q5连接构成三相逆变桥。A相、B相和C相分别与每个半H桥的中点连接，PWM0至PWM5分别控制电源开关Q0至Q5。PIC18Fxx31系列具有三个输入捕捉引脚，表示为IC1、IC2和IC3。输入捕捉模块具有一种工作模式，在该模式下，每次任意输入捕捉引脚上发生电平变化时，会捕捉Timer5的值。将霍尔传感器与单片机连接时，适合使用该模式。每次霍尔传感器发生电平变化时，将会产生中断，并捕捉Timer5的值。这个捕捉值对应于电机速度。表1:对应于霍尔传感器的典型换向序列  

当PWM0至PWM5所标记的信号根据序列开启或关闭时，电机将以额定速度运行（见图1）。这种情况假定，直流母线电压等于电机额定电压与开关两端所有电压损失的和。要改变速度，可以对这些信号进行脉宽调制，使信号频率远高于电机频率。通常，PWM频率应至少是电机最大频率的10倍。在序列中改变PWM频率的占空比时，向定子提供的平均电压会下降，从而降低速度。

图1 电机控制框图 使用PWM控制电机还有另一个优点。当直流母线电压远高于电机额定电压时，可以通过将PWM占空比限制为与电机额定电压对应的PWM占空比，将为电机提供的电压限制为电机额定电压。这样，冰箱控制电路就可以在具有不同交流输入的多个国家使用。交流电压输入使用二极管桥式整流器转换为直流，控制器的平均电压输出通过控制PWM占空比与电机额定电压匹配。有几种不同的控制方式。如果在单片机中限制PWM信号，则在相应序列期间，可以一直导通上方的开关，相应的下方开关可以通过所需的PWM占空比进行控制。在图1中，温度由用户设置。冰箱内部温度使用温度传感器进行测量。根据冰箱的尺寸，可能会有多个传感器位于冰箱内部的不同位置。设置温度和实际温度使用片上模数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）读取。当温差大于预定义的温度滞后值时（通常小于华氏2度），电机会以低速开始旋转。如果温差较大（例如，冰箱门打开），则电机应以较高速度运行。温差和速度之间的关系可以根据冰箱尺寸确定。当设置温度和实际温度之间的温差改变时，压缩机和风扇速度可以相应地改变。
                          
                       
                          
                                PIC18F2331上提供了通用I/O引脚，可用于LED、LCD、开关、继电器和小键盘。图2以流程图形式给出了固件概要。

图2 使用霍尔传感器换向进行BLDC电机控制的流程图 BLDC电机的无传感器控制BLDC电机的无传感器控制根据定子绕组中产生的反电动势（Electro Motive Force，EMF）进行换向。这种方法不需要霍尔传感器。无传感器控制有两个明显优点：可靠性更高、成本更低。元件较少的系统本身更为可靠。压缩机会产生热量，而温度上升会加速霍尔传感器工作失常或发生故障。在无传感器设计中，不仅不需要霍尔传感器，而且不需要霍尔传感器接线，这些都可以带来成本的节省（至少可以省去5条接线）。反电动势信号（而不是霍尔传感器）对BLDC电机进行换向，反电动势的大小取决于三个因素：转子的角速度、定子绕组中的线圈圈数以及转子磁场。完成电机设计之后，转子磁场和定子绕组线圈圈数将保持恒定。控制反电动势的因素是角速度或转子速度。反电动势与转子速度成正比。但是，对于给定速度，可以使用电机数据手册中提供的反电动势常量来估计反电动势。对应于相电压，霍尔传感器和反电动势之间的关系如图3所示。每个换向序列中会有一个绕组正励磁，第二个绕组负励磁，第三个保持开路。如图3，当反电动势的电压极性从正变为负或从负变为正时，霍尔传感器信号会改变状态（存在30°的相差）。在理想情况下，这种状况在反电动势过零时发生。但是，由于绕组特性的原因，会存在一定的延时，应通过单片机对该延时进行补偿。

图3 霍尔传感器信号、相电压、电流和反电动势之间的关系
                          
                       
                          
                                另一个需要考虑的方面是速度极低时的工作。因为反电动势与旋转速度成正比，所以速度极低时，用于检测过零点的反电动势很小。从停止状态开始工作时，需要以开环方式起动电机。当产生足够的反电动势，足以检测过零点时，应将控制切换为反电动势检测。可以检测反电动势的最小速度根据电机的反电动势常量进行计算。反电动势过零检测检测反电动势过零点对于无传感器控制系统非常关键。确定过零点可以使用几种不同的技术。如前面所述，每个换向序列都有一个非励磁绕组，在每个绕组通过非励磁状态时检测反电动势过零点。图4a、4b和4c显示了可以用于检测反电动势过零点的不同方案。在图4a中，A相与电源正极（DC+）连接， C相与电源负极（或回路DC-）连接，B相开路。观察B相上的反电动势，可以看到反电动势朝正电压上升，然后朝负电压下降。将它与直流母线电压的一半进行比较时，可以获得虚拟过零点。通过使用运放比较器，可以确定过零点。图4b显示了通过产生虚拟中性点来确定反电动势过零点的方法。虚拟中性点使用图中所示的梯形电阻网络产生，然后将非励磁绕组中的反电动势与该中性点进行比较。这使得在所有可测量速度下，可相对容易地确定过零点。图4a和4b显示了B相的过零检测电路。对于A相和C相，当其相应绕组未励磁时，应使用类似电路进行反电动势过零检测。

图4a 反电动势过零检测：与直流母线电压/2比较  

图4b 反电动势过零检测：与中性点比较  

图4c 反电动势过零检测：使用片上ADC读取 反电动势过零检测的另一种方案是使用ADC，如图4c中所示。PIC18F2331单片机具有可用于此用途的高速ADC。通过使用分压器，可以将反电动势信号降到单片机可测量的电平。使用片上ADC对该信号进行采样，不断将采样值与对应于零点的数字值进行比较。当这两个值匹配时，就更新换向序列。该方法的优点是能够使测量更为灵活。当速度改变时，绕组电压可能会波动，导致反电动势的变化。这种情况下，单片机可以完全控制过零点的确定。此外，还可以采用数字滤波器来滤除反电动势信号中的高频开关噪声成分。结论BLDC电机与生俱来的优点使其可用来控制冰箱的压缩机和风扇，提高冰箱能效和降低噪声，同时支持无级变速。但是，BLDC电机需要通过驱动电路来进行电子换向。使用驱动电路可实现变速操作。此外，与根据制冷负载间歇性地起动和停止压缩机的传统方式相比，系统功耗更低。使用Microchip的PIC18F2331系列单片机，可以实现几种以开环和闭环方式控制BLDC电机的方法，同时可以充分利用单片机中可用于电机控制的外设，减少所需的外部硬件。