基于瑞萨单片机的交流感应电机驱动电路的设计

摘要：介绍一种用于家用电器交流感应电机调速的高性能、低成本变频控制器。针对交流感应电机的控制特点，从功率驱动电路、速度检测、电路保护及EMC等方面进行了分析。控制器核心由低成本高性能的瑞萨单片机和三相功率驱动芯片IRS2136S组成，降低了变频控制器的成本。速度检测采用位置传感器，缩短了软件开发周期。在电路中增加的EMC措施，大大增加了系统的可靠性。该电路已在某些家电产品中得到应用，整机具有良好的稳定性和抗干扰性，通过了UL及国家家电安全标准检验。
关键词：交流感应电机；瑞萨单片机；EMC；单电阻采样

0 引言
    随着电力电子技术和微控制器技术的飞速发展，现代交流变频调速系统技术在电机控制系统中的应用也越来越广，采用全控型器件IGBT的全数字控制的变频调速器已经实现了通用化，具有调速范围宽、调速精度高、动态响应快、运行效率高、操作方便等优点。变频调速器的普及应用提高了现代工业的自动化水平，提高了产品质量和劳动效率，最大限度地节约了能源，因此符合国家发展建设和谐、节约型社会的方针。
    本文选用瑞萨公司推出的性价比较高的微控制器R5F21246 seties，嵌入R8C／Tiny系列CPU内核，R8C／Tiny系列中的所有MCU都集成了片上闪存，具有高性能和很好的易用性，1 MB地址空间，2 KB片上数据存储FLASH，非常适合于空调、洗衣机、冰箱等家电应用以及交流伺服马达等工业控制应用等。

1 交流感应电机系统的基本构架
    交流感应电机控制系统的原理构成如图1所示，它包括主电路、控制单元、功率驱动单元、保护单元以及信号反馈采集单元等。

    交流感应电机控制单元包括速度控制器、转矩和电流控制器等。Renesas单片机R5F21246以其价格低、功耗小、性能高、处理速度快等优点成为交流感应电机控制系统控制核心的一种趋势。功率驱动单元采用以驱动芯片IRS2136S，其内部不但集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、过热、欠电压等故障检测保护电路，当系统出现问题时能及时进行自我保护，提高了系统的可靠性。各采集信号经过反馈传输到R5F21246内部，进行精确、快速的处理后输出，以实现各个部件的实时控制。在主回路中还加入了软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。

2 交流感应电机系统的驱动电路设计
    功率驱动模块作为交流感应电机控制系统的强电部分包括两个单元：电源单元为整个系统的数字和模拟电路提供电源；功率驱动单元IRS2136S用于电机的驱动(见图2)。

    功率板的设计中包括4个硬件保护功能，分别是过流(正反向电流)保护、母线过压保护、母线欠压保护和IGBT过热保护，每种保护都有LED报警显示。为了增强可靠性，保护动作发生后都会分别给MCU发送关断信号，保护功率器件IRS2136S，防止元件的损坏。这些信号必须由单独的复位信号才能取消，否则保护电路会一直有效，以防止误操作损坏设备和影响人身安全。
2．1 电源电路
    电源主电路如图3所示。输入电压范围：交流187～264 V，频率范围：48～53 Hz。直流母线电压输出稳定在正常值310 V左右，肖特基二极管D110并联在母线电压两端，防止母线过压，滤波电容C110滤除干扰信号，电阻R104～R109别C107与C106并联，用来稳定电容两端电压。直流母线电压输出采用预充电回路，通电后的瞬间由限流电阻R102给整流桥D101和滤波电容C107，C108提供电流，减小了对整流桥的冲击，滤波电容充电接近完成后通过继电器K101旁路限流电阻。直流母线电压通过VIPER12(U101)与LM78L05(U102)芯片产生16 V与5 V稳定的直流电压，分别给驱动电路和其他电路供电，如图4所示。

2．2 温度检测电路
    图5为IGBT的温度检测电路。电路中R379为负温度系数热敏电阻NTC，当温度过高时R379阻值就变小。通过检测电路的电压输出故障信号反馈给单片机，经单片机分析处理后采取的措施对系统进行保护，如令驱动芯片停止工作，当温度恢复正常时再解除保护。
2．3 电流检测电路
    为了降低系统成本，该电路采用了单电阻采样技术。一般而言，矢量控制算法需要采集电机至少两相电流，但单电阻采样只需要采集负母线的电流即可。
    如图2所示，单电阻R236采样，采样电流ishunt，对于下桥臂Q202，Q204，Q206的每一个开关状态，其流过的电流状态如表1所示。

    在表1中，“0”表示开关管关断，而“1”表示导通。由于电流在一个PWM周期内几乎不变，因此只需要在一个PWM周期内采样两次即可得到该时刻电机每一相电流的状态，因为三相电流之和为零。
    单电阻采样会遇到一些挑战，空间矢量脉宽调制器(SVPWM)在空间矢量的扇区边界和低速调制区域的时候，会存在占空比两长一短和两短一长以及三个几乎一样长的时刻。这样，如果有效矢量持续的时间少于电流采样时间，则会出错。本方案采取的办法是在相邻边界的时候插入固定时间的有效矢量，而在低速调制区域的时候，采用轮流插入有效矢量的方法。插入有效矢量会给电流波形带来失真，这种情况下需要通过软件来进行补偿。
    单电阻采样的优点除了降低系统的成本，还有就是它检测三相电流时都基于相同的增益和偏移，一致性好。缺点也是明显的，对于MCU来说，算法复杂了其运算时间要增大，代码比三电阻也要长一些；对于电流检测而言，其波形失真比起三电阻方法要稍大。单电阻采样的性能对于变频空调的应用是完全可以胜任的，而且成本低廉，这也就是大部分家电厂家都愿意选择单电阻采样的原因所在。
2．4 速度检测电路
    位置式传感器在交流感应电动机中起着测定转子位置及速度的作用，作为逻辑开关电路提供正确的位置信息，即将转子磁钢的磁极位置信号转换成电信号。然后去控制定子绕组换相。该设计采用FUS1881(霍尔传感器)，电机转子转动一周给单片机输入8个脉冲，从而控制交流感应电机运动并且使控制程序简单。霍尔检测电路如图6所示。

3 EMC措施
    该硬件系统的电磁兼容(EMC)抗干扰设计主要有以下几个方面：电源输入的防雷、滤波处理，接地技术，屏蔽技术，隔离技术，印刷电路板设计。
3．1 电源输入的滤波处理
    如图7所示，L101和C102与C103构成了共模扼流圈。这是一个低通滤波电路所构成的电源滤波器。实施对暂态电压波形中高频分量的初次衰减。它允许直流或50 Hz电流通过，对频率较高的干扰信号有较大的衰减。由于干扰信号有差模和共模两种，因此电源滤波器要对这两种干扰都具有衰减作用。注意，当工作电流超过额定电流时，滤波器中的电感磁芯会发生饱和现象，使实际电感量减小，导致滤波器的高频滤波性能降低。因此，确定滤波器的额定工作电流时，取实际电流值的1．5倍。压敏电阻V101起抑制差模过电压与增加泄流限压作用。

3．2 IGBT保护电路
    如图2所示为功率驱动放大电路，加在IGBT上的正向电压上升率dv／dt如果过大，由于结电容的存在而产生较大的位移电流，该电流有可能起到触发电流的作用，使IGBT正向阻断能力下降，严重时引起误导通。为抑制dv／dt的作用，在IGBT门级与栅极两端并联电阻吸收回路并增加双向续流二极管回路，抑制较大的位移电流，并利用电阻把这部分能量消耗掉。同理，该保护回路对电路中的高频骚扰信号也可以起到衰减和抑制的作用。
3．3 其他
    由于系统的供电较多，对模拟地、数字地等进行了妥善处理。此外还注意外壳接地，驱动芯片IRS2136S的每个输入端增加了小电容，以提高可靠性。在PCB板设计的时，注意了走线方式，线宽、过孔处理等。

4 结语
    本文所设计的基于瑞萨单片机的交流感应电机的控制电路，结合先进的三相功率驱动芯片IRS2136S，采用6个单管IGBT及单电阻采样，降低了生产成本；增加EMC措施，使系统工作更加稳定、可靠。本文充分利用R8C／Tiny系列CPU内核的优势——丰富的固件库函数，缩短了开发周期。实践应用表明，基于瑞萨单片机的交流感应电机控制电路具有良好的动态性能，系统工作稳定可靠，效率高、低成本，节能及噪音小等特点，完全能够满足家用电器的实际使用要求。