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.doc

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1、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　　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R5F21246seties，嵌入R8C/Tiny系列CPU内核，R8C/Tin

2、y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，1MB地址空间，2KB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，

3、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

4、)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187～264V，频率范围：48～53Hz。直流母线电压输出稳定在正常值310V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

5、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16V与5V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

6、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

7、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

8、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