冰箱的直流无刷电机控制

时间：2014-12-19 07:38:23 【原创】

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 Widt插件电感器h电感生产 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电感器制作模式，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贴片电感器对应的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。