冰箱的直流無刷電機控制

無刷直流（Brushless DC，BLDC）電機相對于感應(yīng)電機具有很多優(yōu)點。BLDC電機支持無級變速，這可以提高能效并降低噪聲。BLDC電機的速度－扭矩特性曲線是平直的，這使電機可以在較低的速度下運行，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，進行冰箱中BLDC電機的有傳感器和無傳感器控制。

BLDC電機控制

BLDC電機的轉(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，應(yīng)按一定順序?qū)Χㄗ永@組進行勵磁。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)傳感器進行檢測。大多數(shù)電機會在定子的電機非驅(qū)動端嵌入三個霍爾傳感器。每當轉(zhuǎn)子磁極接近霍爾傳感器時，傳感器會產(chǎn)生高電平或低電平信號，指示N或S極接近傳感器。根據(jù)這三個霍爾傳感器的信號組合，可以確定準確的換向序列。表1給出了對應(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，每個序列會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電機控制框圖。在該示例中，使用Microchip公司的PIC18F2331閃存單片機來控制電源開關(guān)。匹配驅(qū)動器用于對電源開關(guān)進行相應(yīng)的門控驅(qū)動。PIC18Fxx31系列具有6個脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）通道，PWM頻率和占空比可進行編程。Q0至Q5連接構(gòu)成三相逆變橋。A相、B相和C相分別與每個半H橋的中點連接，PWM0至PWM5分別控制電源開關(guān)Q0至Q5。PIC18Fxx31系列具有三個輸入捕捉引腳，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，會捕捉Timer5的值。將霍爾傳感器與單片機連接時，適合使用該模式。每次霍爾傳感器發(fā)生電平變化時，將會產(chǎn)生中斷，并捕捉Timer5的值。這個捕捉值對應(yīng)于電機速度。

表1:對應(yīng)于霍爾傳感器的典型換向序列

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

圖1 電機控制框圖

使用PWM控制電機還有另一個優(yōu)點。當直流母線電壓遠高于電機額定電壓時，可以通過將PWM占空比限制為與電機額定電壓對應(yīng)的PWM占空比，將為電機提供的電壓限制為電機額定電壓。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占空比與電機額定電壓匹配。

有幾種不同的控制方式。如果在單片機中限制PWM信號，則在相應(yīng)序列期間，可以一直導通上方的開關(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行測量。根據(jù)冰箱的尺寸，可能會有多個傳感器位于冰箱內(nèi)部的不同位置。設(shè)置溫度和實際溫度使用片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）讀取。當溫差大于預(yù)定義的溫度滯后值時（通常小于華氏2度），電機會以低速開始旋轉(zhuǎn)。如果溫差較大（例如，冰箱門打開），則電機應(yīng)以較高速度運行。溫差和速度之間的關(guān)系可以根據(jù)冰箱尺寸確定。當設(shè)置溫度和實際溫度之間的溫差改變時，壓縮機和風扇速度可以相應(yīng)地改變。