冰箱的直流無刷電機(jī)控制

無刷直流（Brushless DC，BLDC）電機(jī)相對(duì)于感應(yīng)電機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)。BLDC電機(jī)支持無級(jí)變速，這可以提高能效并降低噪聲。BLDC電機(jī)的速度－扭矩特性曲線是平直的，這使電機(jī)可以在較低的速度下運(yùn)行，無需消耗更高電流即可產(chǎn)生相同扭矩。
本文將討論使用Microchip公司的PIC18FXX31系列單片機(jī)，進(jìn)行冰箱中BLDC電機(jī)的有傳感器和無傳感器控制。

BLDC電機(jī)控制

BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)子上具有北極（N）和南極（S）交替排列的永磁體。定子由剛片疊制而成，繞組線圈放置在槽里，槽沿軸邊切割。要旋轉(zhuǎn)BLDC電機(jī)，應(yīng)按一定順序?qū)Χㄗ永@組進(jìn)行勵(lì)磁。為了執(zhí)行換向序列，清楚轉(zhuǎn)子位置非常重要。轉(zhuǎn)子位置使用嵌入定子中的霍爾效應(yīng)傳感器進(jìn)行檢測(cè)。大多數(shù)電機(jī)會(huì)在定子的電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端嵌入三個(gè)霍爾傳感器。每當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極接近霍爾傳感器時(shí)，傳感器會(huì)產(chǎn)生高電平或低電平信號(hào)，指示N或S極接近傳感器。根據(jù)這三個(gè)霍爾傳感器的信號(hào)組合，可以確定準(zhǔn)確的換向序列。表1給出了對(duì)應(yīng)于霍爾傳感器輸入的典型換向序列。

換向序列

如表1所示，每個(gè)序列會(huì)將三相中的兩相與電源連接，第三相保持開路。圖1顯示了簡化的BLDC電機(jī)控制框圖。在該示例中，使用Microchip公司的PIC18F2331閃存單片機(jī)來控制電源開關(guān)。匹配驅(qū)動(dòng)器用于對(duì)電源開關(guān)進(jìn)行相應(yīng)的門控驅(qū)動(dòng)。PIC18Fxx31系列具有6個(gè)脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）通道，PWM頻率和占空比可進(jìn)行編程。Q0至Q5連接構(gòu)成三相逆變橋。A相、B相和C相分別與每個(gè)半H橋的中點(diǎn)連接，PWM0至PWM5分別控制電源開關(guān)Q0至Q5。PIC18Fxx31系列具有三個(gè)輸入捕捉引腳，表示為IC1、IC2和IC3。輸入捕捉模塊具有一種工作模式，在該模式下，每次任意輸入捕捉引腳上發(fā)生電平變化時(shí)，會(huì)捕捉Timer5的值。將霍爾傳感器與單片機(jī)連接時(shí)，適合使用該模式。每次霍爾傳感器發(fā)生電平變化時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生中斷，并捕捉Timer5的值。這個(gè)捕捉值對(duì)應(yīng)于電機(jī)速度。

表1:對(duì)應(yīng)于霍爾傳感器的典型換向序列

當(dāng)PWM0至PWM5所標(biāo)記的信號(hào)根據(jù)序列開啟或關(guān)閉時(shí)，電機(jī)將以額定速度運(yùn)行（見圖1）。這種情況假定，直流母線電壓等于電機(jī)額定電壓與開關(guān)兩端所有電壓損失的和。要改變速度，可以對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行脈寬調(diào)制，使信號(hào)頻率遠(yuǎn)高于電機(jī)頻率。通常，PWM頻率應(yīng)至少是電機(jī)最大頻率的10倍。在序列中改變PWM頻率的占空比時(shí)，向定子提供的平均電壓會(huì)下降，從而降低速度。

圖1 電機(jī)控制框圖

使用PWM控制電機(jī)還有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)直流母線電壓遠(yuǎn)高于電機(jī)額定電壓時(shí)，可以通過將PWM占空比限制為與電機(jī)額定電壓對(duì)應(yīng)的PWM占空比，將為電機(jī)提供的電壓限制為電機(jī)額定電壓。這樣，冰箱控制電路就可以在具有不同交流輸入的多個(gè)國家使用。交流電壓輸入使用二極管橋式整流器轉(zhuǎn)換為直流，控制器的平均電壓輸出通過控制PWM占空比與電機(jī)額定電壓匹配。

有幾種不同的控制方式。如果在單片機(jī)中限制PWM信號(hào)，則在相應(yīng)序列期間，可以一直導(dǎo)通上方的開關(guān)，相應(yīng)的下方開關(guān)可以通過所需的PWM占空比進(jìn)行控制。

在圖1中，溫度由用戶設(shè)置。冰箱內(nèi)部溫度使用溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)冰箱的尺寸，可能會(huì)有多個(gè)傳感器位于冰箱內(nèi)部的不同位置。設(shè)置溫度和實(shí)際溫度使用片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）讀取。當(dāng)溫差大于預(yù)定義的溫度滯后值時(shí)（通常小于華氏2度），電機(jī)會(huì)以低速開始旋轉(zhuǎn)。如果溫差較大（例如，冰箱門打開），則電機(jī)應(yīng)以較高速度運(yùn)行。溫差和速度之間的關(guān)系可以根據(jù)冰箱尺寸確定。當(dāng)設(shè)置溫度和實(shí)際溫度之間的溫差改變時(shí)，壓縮機(jī)和風(fēng)扇速度可以相應(yīng)地改變。