無感無刷直流風機控制器的設計

胡 飛, 唐賢傳, 李 敏

(蕪湖職業技術學院,安徽 蕪湖 241006)

風機作為日常生活中的必備產品,常見用于通風、散熱等場合,原有風機大多采用交流電機,但轉換效率偏低,而無刷直流電機(Brushless DC Motor,簡稱BLDC)具有效率高、噪音小、調速性能優良等優點。國外在各個領域廣泛采用無刷直流電機,其控制器也由分離式發展為集成一體式,國內無刷直流電機還主要應用于家電領域中,對可靠性和安全性要求更高的工業及汽車應用領域中仍然處于測試與驗證環節。

一般風機對轉速精度和響應時間要求較弱,出于成本的考慮,無刷直流風機普遍采用無位置傳感器的控制方式。常見的無刷直流風機控制方案采用“MCU(DSP)+預驅芯片+MOS(或IGBT)”結構,由于各個模塊分離,在成本方面不占優勢,且會造成較高的故障率。

1 系統的總體設計

風機是典型的恒功率負載,一般采用外轉子結構,既可以將扇葉和轉子同時設計,又可以使用風機為自身定子散熱;控制對象是一款額定電壓24 V、額定功率240 W的無感無刷直流風機,其定子繞組采用星形連接,轉子采用4對極永磁體對稱結構,主要用于配電箱或控制柜的散熱,經LCR測試儀測量電機參數為:相電阻Rs =0.032 2 Ω(50 Hz),相電感Ls =114.38 μH(1 kHz)。

設計采用“STM8S+PT2522”結構實現低成本、大功率的風機控制器,其系統結構如圖1所示。其中意法半導體的STM8S單片機價格低廉、性能穩定、外設豐富,被廣泛應用在各種工業應用領域中;PT2522是針對無感無刷直流電機的控制驅動芯片,基于測量電機的反電動勢(BEMF)過零點來實現換相,具有穩定的控制效果,不易受到電機的差異性影響;其軟切換技術可達到梯型波或類弦波電流波形,進一步降低電磁噪聲。

圖1 控制器系統組成結構圖

2 硬件設計

2.1 三相全橋電路

直流無刷風機控制器的原理是將直流電經電子換相結構變換為三相交變信號,由三相交變信號形成旋轉磁場,與永磁體的轉子相互作用,讓轉子實現跟隨轉動,電子換相結構主要由6只場效應管(MOS)構成三相全橋電路;NMOS具有內阻小、工作速度高等優點,單橋臂上下功率元件一般均為NMOS,采用6塊NCE4060K構成如圖2所示的全橋電路。

圖2 三相全橋電路

場效應管驅動電路設計的原則是減少開關損耗、驅動波形振蕩小、過沖小;PT2522內部集成有柵極驅動電路,為避免柵極驅動在脈沖激勵下產生振蕩,通過接入小阻值驅動電阻使振蕩迅速衰減,同時能調節功率器件的開關速度,經試驗確定為22 Ω;為減少柵極回路電感值,將驅動電阻盡可能靠近對應驅動的MOS管;為改善MOS管的米勒效應,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來實現母線電流采樣;其封裝為2512,阻值0.001 Ω(精度±1%),可通過對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應用電路

PT2522應用電路原理如圖3所示,其內部集成有柵極驅動電路,其柵極驅動的自舉二極管和自舉電容需外置,自舉二極管應選擇快恢復二極管并有較高的反向擊穿電壓,系統采用DHE1J超快恢復二極管作為自舉二極管,根據經驗自舉電容為4.7 μF,經實驗驗證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應用電路圖

PT2522通過反電動勢過零信號實現換相,但系統噪聲或反電動勢信號太弱都會影響過零信號判斷的準確性,可調整外部濾波電容和內置數字濾波器參數的方法來調整換相時間,進而實現120°～150°的換相角度;其中FLT引腳外接濾波電容(作調整換相時間用),根據風機特性調整對應濾波電容的大小。

2.3 母線電流與電壓采樣

為實現恒流控制及過流保護,需實時感知電機的工作電流,通過采集圖2中IBus點對應的電壓值可計算得出電機工作電流,但由于采樣電阻阻值小,對應壓降易受噪聲影響,采用單電源運放TLV316構成信號放大電路,同時前置濾波電路和偽差分調理電路;風機運行過程中相電流存在波動,對測量數值作軟件濾波處理,得到其平均工作電流值;通過對電壓+VM按照10∶1的比例經模數轉換器(ADC)采集,計算出工作電壓值,用于欠壓和過壓保護,當電壓低于12 V或高于26 V時,風機不啟動。

2.4 硬件布線

在風機控制器的實際布線中,指導思想是大電流和小電流分開設計、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層結構,板厚1.6 mm,外層1 oz,芯層0.5 oz;大電流優先走線,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;為增強其工作的適應性,加入TVS二極管(SMBJ30CA)應對可能出現的瞬態電壓,作為測量溫度的NTC熱敏電阻,需靠近貼放NMOS附近。

3 軟件設計

3.1 電機功能調試

PT2522內置無刷直流電機的梯形波算法,但需根據風機特性調整參數,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試界面。涉及主要參數有初始化、啟動參數、轉速穩定到停止相關的設定、保護參數以及芯片本身的時鐘校準等,通過軟件修改電機不同運行階段的參數設置,使其達到預期的控制效果。

無感無刷直流風機的運行過程主要分為啟動、加速以及減速環節,其中啟動過程最為復雜,由于啟動初始階段的電機轉速較低,反電動勢過小,無法提供可靠的過零信號用于穩定換相;系統中使用三段式啟動法,通過給定幅值、恒定不變的脈沖組合形成恒定磁通將轉子預定位到固定位置,繼而通過升頻升壓的方法使電機加速,以形成穩定的反電動勢過零信號用于換相。

風機應用需考慮順逆風工況,在啟動前應判斷順逆風狀態,相應會延長加速到最高速的時間,特別是逆風工況,首先要剎停風機后再提供更大的啟動轉矩;調試中通過電流鉗獲得穩定轉速下的相電流波形,調整提前換相角度以及對應死區時間,使得相電流波形盡可能對稱;對稱的相電流波形反映出參數設置是適宜的;其中保護參數主要涉及過流、過壓以及堵轉保護,根據外置電路參數設置對應值。

通過可視化界面,調整各項參數,使無刷直流風機的控制達到預期目標,并通過OTP燒錄方式將相應參數固化至PT2522內部ROM中。

3.2 STM8S編程

微控制器可通過模擬電壓、脈沖寬度調制(PWM)及I2C通信三種方式經PT2522控制無刷直流風機,STM8S微控制器內部無DAC功能,因此選擇“脈沖寬度調制(PWM)+I2C通信”相結合的方式實現轉速控制;使用定時器2實現頻率固定(1 kHz),占空比可變的脈沖,STM8S通過I2C接口與PT2522通信,可得到電機轉速、工作狀態;可視化界面調整的參數均可以通過I2C接口實時在線修改;為實時獲取電機運行參數,通過0.96寸OLED顯示屏顯示當前的電機運行參數。

常見風機的控制方式為本地控制以及遙控控制,采用矩陣鍵盤來實現本地控制,按鍵功能分別為開關機、加減速以及參數設置,采用超外差接收器LR45B實現遙控控制,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 數據采集

實驗測試平臺包括基于“STM8S+PT2522”的實驗DEMO板、無刷直流風機、SPI接口OLED顯示屏、矩陣鍵盤、LR45B接收器等;數據采集有示波器、電流鉗和PTC BLDC UI Kit模塊。

由于風機較長時間會工作在低速段,極限情況下才會全時段工作在高速段,因此低速檔位設置需密集,可通過鍵盤或遙控器切換不同檔位;通過對啟動時間測量,在設置有順逆風判斷條件下,從靜止加速到最高速約9 s,滿足風機應用場合的需求。

如圖5所示,記錄了不同轉速下的相電流波形,控制器在高轉速下已實現了梯形波換相,達到了類弦波的控制效果,很好地達到了設計目標。

圖5 不同速度段對應的相電流波形

5 結 論

無感無刷直流風機相較原有有刷風機在噪音、節能方面均更具優勢,由場效應管構成的電子換相結構延長了其使用壽命。基于“STM8S+PT2522”的架構設計的無感無刷直流風機控制器,較原有分離元件組成的風機控制器集成度更高、故障率更低,在風機的低速段容易啟動、高速段能夠提供更大風量,同時實現了風機工作數據的可視化。經過各個速度段的實驗驗證,在啟動時間、運行電流、加速響應、保護機制等性能指標均符合風機使用需求,且成本低廉適合大規模推廣應用。