采用瑞萨单片机交流感应电机控制电路实现交流感应电机系统的原理-德赢Vwin官网网

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。

采用瑞萨单片机交流感应电机控制电路实现交流感应电机系统的原理

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vwin 电路提供电源;功率驱动单元IRS2136S用于电机的驱动(见图2)。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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