基于瑞薩單片機(jī)的交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

0 引言
隨著電力電子技術(shù)和微控制器技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代交流變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)在電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越廣，采用全控型器件IGBT的全數(shù)字控制的變頻調(diào)速器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了通用化，具有調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)行效率高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。變頻調(diào)速器的普及應(yīng)用提高了現(xiàn)代工業(yè)的自動(dòng)化水平，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)效率，最大限度地節(jié)約了能源，因此符合國(guó)家發(fā)展建設(shè)和諧、節(jié)約型社會(huì)的方針。
本文選用瑞薩公司推出的性價(jià)比較高的微控制器R5F21246 seties，嵌入R8C／Tiny系列CPU內(nèi)核，R8C／Tiny系列中的所有MCU都集成了片上閃存，具有高性能和很好的易用性，1 MB地址空間，2 KB片上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)FLASH，非常適合于空調(diào)、洗衣機(jī)、冰箱等家電應(yīng)用以及交流伺服馬達(dá)等工業(yè)控制應(yīng)用等。

1 交流感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)的基本構(gòu)架
交流感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)的原理構(gòu)成如圖1所示，它包括主電路、控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、保護(hù)單元以及信號(hào)反饋采集單元等。

交流感應(yīng)電機(jī)控制單元包括速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器等。Renesas單片機(jī)R5F21246以其價(jià)格低、功耗小、性能高、處理速度快等優(yōu)點(diǎn)成為交流感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)控制核心的一種趨勢(shì)。功率驅(qū)動(dòng)單元采用以驅(qū)動(dòng)芯片IRS2136S，其內(nèi)部不但集成了驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)具有過電壓、過電流、過熱、欠電壓等故障檢測(cè)保護(hù)電路，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)能及時(shí)進(jìn)行自我保護(hù)，提高了系統(tǒng)的可靠性。各采集信號(hào)經(jīng)過反饋傳輸?shù)絉5F21246內(nèi)部，進(jìn)行精確、快速的處理后輸出，以實(shí)現(xiàn)各個(gè)部件的實(shí)時(shí)控制。在主回路中還加入了軟啟動(dòng)電路，以減小啟動(dòng)過程對(duì)驅(qū)動(dòng)器的沖擊。

2 交流感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
功率驅(qū)動(dòng)模塊作為交流感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)的強(qiáng)電部分包括兩個(gè)單元：電源單元為整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)字和模擬電路提供電源；功率驅(qū)動(dòng)單元IRS2136S用于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)(見圖2)。

功率板的設(shè)計(jì)中包括4個(gè)硬件保護(hù)功能，分別是過流(正反向電流)保護(hù)、母線過壓保護(hù)、母線欠壓保護(hù)和IGBT過熱保護(hù)，每種保護(hù)都有LED報(bào)警顯示。為了增強(qiáng)可靠性，保護(hù)動(dòng)作發(fā)生后都會(huì)分別給MCU發(fā)送關(guān)斷信號(hào)，保護(hù)功率器件IRS2136S，防止元件的損壞。這些信號(hào)必須由單獨(dú)的復(fù)位信號(hào)才能取消，否則保護(hù)電路會(huì)一直有效，以防止誤操作損壞設(shè)備和影響人身安全。
2．1 電源電路
電源主電路如圖3所示。輸入電壓范圍：交流187～264 V，頻率范圍：48～53 Hz。直流母線電壓輸出穩(wěn)定在正常值310 V左右，肖特基二極管D110并聯(lián)在母線電壓兩端，防止母線過壓，濾波電容C110濾除干擾信號(hào)，電阻R104～R109別C107與C106并聯(lián)，用來穩(wěn)定電容兩端電壓。直流母線電壓輸出采用預(yù)充電回路，通電后的瞬間由限流電阻R102給整流橋D101和濾波電容C107，C108提供電流，減小了對(duì)整流橋的沖擊，濾波電容充電接近完成后通過繼電器K101旁路限流電阻。直流母線電壓通過VIPER12(U101)與LM78L05(U102)芯片產(chǎn)生16 V與5 V穩(wěn)定的直流電壓，分別給驅(qū)動(dòng)電路和其他電路供電，如圖4所示。

2．2 溫度檢測(cè)電路
圖5為IGBT的溫度檢測(cè)電路。電路中R379為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTC，當(dāng)溫度過高時(shí)R379阻值就變小。通過檢測(cè)電路的電壓輸出故障信號(hào)反饋給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)分析處理后采取的措施對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，如令驅(qū)動(dòng)芯片停止工作，當(dāng)溫度恢復(fù)正常時(shí)再解除保護(hù)。