帶有自適應功能的單繞組直流無刷電機驅動設計

汪號芝

（廈門華聯電子有限公司，福建 廈門 361000）

?

帶有自適應功能的單繞組直流無刷電機驅動設計

汪號芝

（廈門華聯電子有限公司，福建 廈門 361000）

摘 要：直流無刷電機（即BLDC）具有高能效、低噪音的優點，但成本較高；單繞組直流無刷電機兼具以上優點，而且整體成本相對三相BLDC有所下降。帶有自適應功能的單繞組BLDC驅動板使得在不修改機組風道的前提下直接替代交流感應電機成為可能，有利于產品的大規模替代推廣。

關鍵詞：單繞組；BLDC；自適應；風量；冷量

一、單繞組電機的優勢和驅動板開發難點

目前，中央空調的風機盤管大部分所使用的電機為交流感應抽頭電機或者直流無刷電機（即BLDC）。在現今提倡節能環保的大環境下，以及用戶對舒適性要求方面，交流感應電機的短板已經顯露無疑，低能效，高噪聲，這是交流感應電機原理特性所決定的。現在在市場中有一定比例使用的是直流無刷電機（主要是高端市場），一般為三相繞組，結構復雜，成本較高。有沒有一種結構簡單，生產工藝和成本相對低廉，但性能卻能與三相繞組BLDC相媲美的新型電機呢？答案是肯定的，目前單繞組直流無刷電機已經得到實際驗證。雖然相同輸出功率等級下繞制單相繞組線徑相對于三相繞組有略微加大，但由于繞制工藝的簡化和驅動部分硬件電路的簡化，整體成本相對于三相繞組BLDC電機有較大優勢。

另外一個問題就是單相繞組BLDC在不改變原有風道結構的情況下如何直接替代交流感應抽頭電機。交流感應抽頭電機一般只有高、中、低三擋風速，沒有速度反饋的抽頭電機的轉速會隨著負載變化而變化，通風模式（也叫干態）時的轉速較制冷模式（也叫濕態）時的轉速低，而普通的BLDC一般只有恒轉速運行模式。目前在使用的機型大都使用的是交流感應抽頭電機，如果直接更換成BLDC，就需要重新匹配整個機組的風量和冷量，甚至可能涉及到整個風道的重新設計。有沒有一種BLDC能模擬交流感應電機的這種運行特性，而又保留BLDC高效靜音等優點呢？我們目前開發的這款帶自適應功能的單繞組直流風機驅動就可以滿足以上要求。

二、硬件部分設計

硬件部分設計，主要包含EMI濾波器、整流橋、開關電源、4個IGBT組成的全橋逆變電路、電壓電流采樣電路、過溫保護電路、通信接口、主芯片和參數設置撥碼開關。主芯片采用Spansion公司基于ARMCortex-M0核心的32位單片機S6E1A12C0A；開關電源方案采用ST公司Viper12組成的Buck電路，電源輸出為+15V，200mA；母線電壓的濾波電容80W電機采用150UF/450VAC規格，120W電機采用180UF/450VAC規格，電容的選型計算參照電容規格書以及驅動板使用環境要求，在此不再累述；全橋逆變電路由4個額定電流5A左右的IGBT組成，額定輸出功率可以達到200W（可以依據輸出功率要求更換其他型號的IGBT），IGBT的損耗由開關損耗和導通損耗組成，為了盡量降低損耗，我們選擇低Vce的IGBT器件，推薦型號有AOS公司的AOD5B6；電流采樣電路為單電阻采樣，選用軌對軌輸出的運放電路，偏置電壓設置為1/2Vcc；選用的運放為雙通道，另外多余的一個通道可以設計為帶比較功能的過流保護電路，出現過流時比較器輸出低電平，與比較器連接的芯片I/O口需要設置為最高優先級的中斷口，一旦檢測到低電平，需要在最短時間內將PWM輸出口關斷，防止IGBT功率管損壞；驅動板上帶有一個霍爾信號輸入口，用于霍爾信號的接收以此來確定電機轉速和轉子位置；在IGBT本體銅箔邊沿處焊接一個NTC，作為過溫保護電路，當溫度超過設定門限溫度時，電機會進行降頻保護；相關的機組參數會全部寫入芯片Flash中，上電前撥動驅動板上的撥碼開關可以進行機組參數設置，若需要臨時調整機組參數，可以通過專門的工具將機組參數寫入EEPROM中；通常線控器與風機之間的連線較長，線線之間的距離較近，風速檔位信號為強電交流信號，信號之間容易出現耦合干擾，所以在每個風速檔位信號的電路中需要串聯去耦二極管（1N4007），這樣才能將線線之間的耦合電容隔離，不會出現相互干擾，經過驗證，通信連線之間的距離可以達到數百米。

三、自適應功能軟件邏輯設計

軟件部分最重要的是關于電機自適應算法的邏輯，主要的邏輯來自于在對電機和風機機組測試數據的總結歸納。目前客戶使用的交流感應電機的風機盤管有63種機型（根據不同的靜壓和風口大小區分），由這63種機型擬合出交流感應電機在干濕工況下負載變化時的功率-轉速曲線和轉矩-轉速曲線，總結出幾種電機運行的模式。第一種：干工況功率≤濕工況功率，干工況轉速＜濕工況轉速時，風機運行在恒功率模式；第二種：干工況功率＞濕工況功率，干工況轉速=濕工況轉速時，風機運行在恒轉速模式；第三種：干工況功率＞濕工況功率，干工況轉速＜濕工況轉速時，風機轉速與負載成線性關系。我們將以上的3種模式固化到軟件中，運行哪種模式由設定機型時輸入的干濕工況的功率和轉速決定，滿足以上哪個條件就運行對應的模式。能不能運行在正確的模式下，能不能運行在正確的轉速下，以滿足干濕工況下對風量和冷量的需求，干濕工況轉換點的功率值和干濕工況下的轉速就要求設置準確。如果功率值設置不準確，驅動板就無法根據負載變化準確判斷實時的工況是干工況還是濕工況，如果空調實際已經是制冷狀態了，風機跑的卻是干工況的轉速，空調送出的風量和冷量肯定是不達標的；如果干濕工況設定的目標轉速不準確，空調送出的風量和冷量也肯定是不達標的。每一種機組干濕工況的功率值和轉速值，需要在焓差實驗室的標準工況下標定并驗證。

主程序邏輯為從EEPROM或者FLASH讀取干濕工況的轉速和功率設定參數后，判斷該機組目前工況下執行的轉速指令還是功率指令，若是轉速指令得到的直接就是目標轉速；若是功率指令，需要通過線性方程轉化為目標轉速。通過電流檢測、速度檢測和位置檢測通過PID調節，輸出SVPWM調制波形，最終達到目標轉速。主程序有兩個循環系統，一個是功率閉環和一個轉速閉環。主程序框圖及控制系統框圖如圖1所示。

四、電機驅動部分軟件邏輯設計

為了降低電機運行時的噪音和振動，電機控制信號采用16K載波調制，調制方式采用空間矢量脈寬調制（SVPWM），輸出電流波形為正弦波形。要實現以上自適應算法，很重要的一點就是輸出功率的計算要準確。Po=U*I*COSφ，U為輸出電壓值，I由采樣電阻獲得實時電流值，φ為電壓與電流之間的夾角。每62.5us（16K載波）計算一次Po值并存儲，連續N次后將存儲值取平均（N的取值越大，Po輸出越穩定，也越接近實際功率值）。在自適應算法中，為了不讓輸出功率出現突然跳變的情況，當負載發生變化時，延遲60s后依據負載變化情況調整輸出功率。另外，在啟動過程中為了減小電機抖動，在開始的開環運行過程中就記錄并存儲PID調節的各項參數，到閉環階段將記錄的參數直接調用參與PID調節，這樣各項參數的初始值就不會為0，避免了電流和電壓的突變，抑制了電機啟動階段的振動。

結語

由于先天設計的原因，單繞組電機相對于三相BLDC電機在噪音控制方面難度更大，需要在異音測試室，對電機的額定轉速范圍進行排查，通過修改電機內部磁鋼結構，降低異音發生的可能性，最為有效的方法是通過修改軟件，屏蔽掉有可能產生異音的頻率帶，所以前期的研發需要做到位，尤其是數據計算需要嚴謹，測試工作需要完整而且細致，只有經過反復試驗過的產品才能經得起市場的檢驗。該款單繞組BLDC產品目前已經正式量產并投入市場，作為一款性價比較高的產品相信在一定會得到市場的認可。

參考文獻

［1］吳遠駿，吳治國.AB單相無刷直流電動機和驅動控制器［J］.微電機，2002，35 （6）：16-18.

［2］付大金，楊玉波.單相自起動永磁同步電動機綜述［J］.電機技術，2003：34-37.

［3］孟迎，印潤遠.基于MATLAB/SIMULINK的單相無刷直流電機的建模與仿真［J］.工業技術，2006：33-34.

中圖分類號：TM33

文獻標識碼：A