带有自适应功能的单绕组直流无刷电机驱动设计

汪号芝

（厦门华联电子有限公司，福建 厦门 361000）



带有自适应功能的单绕组直流无刷电机驱动设计

汪号芝

（厦门华联电子有限公司，福建 厦门 361000）

摘 要：直流无刷电机（即BLDC）具有高能效、低噪音的优点，但成本较高；单绕组直流无刷电机兼具以上优点，而且整体成本相对三相BLDC有所下降。带有自适应功能的单绕组BLDC驱动板使得在不修改机组风道的前提下直接替代交流感应电机成为可能，有利于产品的大规模替代推广。

关键词：单绕组；BLDC；自适应；风量；冷量

一、单绕组电机的优势和驱动板开发难点

目前，中央空调的风机盘管大部分所使用的电机为交流感应抽头电机或者直流无刷电机（即BLDC）。在现今提倡节能环保的大环境下，以及用户对舒适性要求方面，交流感应电机的短板已经显露无疑，低能效，高噪声，这是交流感应电机原理特性所决定的。现在在市场中有一定比例使用的是直流无刷电机（主要是高端市场），一般为三相绕组，结构复杂，成本较高。有没有一种结构简单，生产工艺和成本相对低廉，但性能却能与三相绕组BLDC相媲美的新型电机呢？答案是肯定的，目前单绕组直流无刷电机已经得到实际验证。虽然相同输出功率等级下绕制单相绕组线径相对于三相绕组有略微加大，但由于绕制工艺的简化和驱动部分硬件电路的简化，整体成本相对于三相绕组BLDC电机有较大优势。

另外一个问题就是单相绕组BLDC在不改变原有风道结构的情况下如何直接替代交流感应抽头电机。交流感应抽头电机一般只有高、中、低三挡风速，没有速度反馈的抽头电机的转速会随着负载变化而变化，通风模式（也叫干态）时的转速较制冷模式（也叫湿态）时的转速低，而普通的BLDC一般只有恒转速运行模式。目前在使用的机型大都使用的是交流感应抽头电机，如果直接更换成BLDC，就需要重新匹配整个机组的风量和冷量，甚至可能涉及到整个风道的重新设计。有没有一种BLDC能模拟交流感应电机的这种运行特性，而又保留BLDC高效静音等优点呢？我们目前开发的这款带自适应功能的单绕组直流风机驱动就可以满足以上要求。

二、硬件部分设计

硬件部分设计，主要包含EMI滤波器、整流桥、开关电源、4个IGBT组成的全桥逆变电路、电压电流采样电路、过温保护电路、通信接口、主芯片和参数设置拨码开关。主芯片采用Spansion公司基于ARMCortex-M0核心的32位单片机S6E1A12C0A；开关电源方案采用ST公司Viper12组成的Buck电路，电源输出为+15V，200mA；母线电压的滤波电容80W电机采用150UF/450VAC规格，120W电机采用180UF/450VAC规格，电容的选型计算参照电容规格书以及驱动板使用环境要求，在此不再累述；全桥逆变电路由4个额定电流5A左右的IGBT组成，额定输出功率可以达到200W（可以依据输出功率要求更换其他型号的IGBT），IGBT的损耗由开关损耗和导通损耗组成，为了尽量降低损耗，我们选择低Vce的IGBT器件，推荐型号有AOS公司的AOD5B6；电流采样电路为单电阻采样，选用轨对轨输出的运放电路，偏置电压设置为1/2Vcc；选用的运放为双通道，另外多余的一个通道可以设计为带比较功能的过流保护电路，出现过流时比较器输出低电平，与比较器连接的芯片I/O口需要设置为最高优先级的中断口，一旦检测到低电平，需要在最短时间内将PWM输出口关断，防止IGBT功率管损坏；驱动板上带有一个霍尔信号输入口，用于霍尔信号的接收以此来确定电机转速和转子位置；在IGBT本体铜箔边沿处焊接一个NTC，作为过温保护电路，当温度超过设定门限温度时，电机会进行降频保护；相关的机组参数会全部写入芯片Flash中，上电前拨动驱动板上的拨码开关可以进行机组参数设置，若需要临时调整机组参数，可以通过专门的工具将机组参数写入EEPROM中；通常线控器与风机之间的连线较长，线线之间的距离较近，风速档位信号为强电交流信号，信号之间容易出现耦合干扰，所以在每个风速档位信号的电路中需要串联去耦二极管（1N4007），这样才能将线线之间的耦合电容隔离，不会出现相互干扰，经过验证，通信连线之间的距离可以达到数百米。

三、自适应功能软件逻辑设计

软件部分最重要的是关于电机自适应算法的逻辑，主要的逻辑来自于在对电机和风机机组测试数据的总结归纳。目前客户使用的交流感应电机的风机盘管有63种机型（根据不同的静压和风口大小区分），由这63种机型拟合出交流感应电机在干湿工况下负载变化时的功率-转速曲线和转矩-转速曲线，总结出几种电机运行的模式。第一种：干工况功率≤湿工况功率，干工况转速＜湿工况转速时，风机运行在恒功率模式；第二种：干工况功率＞湿工况功率，干工况转速=湿工况转速时，风机运行在恒转速模式；第三种：干工况功率＞湿工况功率，干工况转速＜湿工况转速时，风机转速与负载成线性关系。我们将以上的3种模式固化到软件中，运行哪种模式由设定机型时输入的干湿工况的功率和转速决定，满足以上哪个条件就运行对应的模式。能不能运行在正确的模式下，能不能运行在正确的转速下，以满足干湿工况下对风量和冷量的需求，干湿工况转换点的功率值和干湿工况下的转速就要求设置准确。如果功率值设置不准确，驱动板就无法根据负载变化准确判断实时的工况是干工况还是湿工况，如果空调实际已经是制冷状态了，风机跑的却是干工况的转速，空调送出的风量和冷量肯定是不达标的；如果干湿工况设定的目标转速不准确，空调送出的风量和冷量也肯定是不达标的。每一种机组干湿工况的功率值和转速值，需要在焓差实验室的标准工况下标定并验证。

主程序逻辑为从EEPROM或者FLASH读取干湿工况的转速和功率设定参数后，判断该机组目前工况下执行的转速指令还是功率指令，若是转速指令得到的直接就是目标转速；若是功率指令，需要通过线性方程转化为目标转速。通过电流检测、速度检测和位置检测通过PID调节，输出SVPWM调制波形，最终达到目标转速。主程序有两个循环系统，一个是功率闭环和一个转速闭环。主程序框图及控制系统框图如图1所示。

四、电机驱动部分软件逻辑设计

为了降低电机运行时的噪音和振动，电机控制信号采用16K载波调制，调制方式采用空间矢量脉宽调制（SVPWM），输出电流波形为正弦波形。要实现以上自适应算法，很重要的一点就是输出功率的计算要准确。Po=U*I*COSφ，U为输出电压值，I由采样电阻获得实时电流值，φ为电压与电流之间的夹角。每62.5us（16K载波）计算一次Po值并存储，连续N次后将存储值取平均（N的取值越大，Po输出越稳定，也越接近实际功率值）。在自适应算法中，为了不让输出功率出现突然跳变的情况，当负载发生变化时，延迟60s后依据负载变化情况调整输出功率。另外，在启动过程中为了减小电机抖动，在开始的开环运行过程中就记录并存储PID调节的各项参数，到闭环阶段将记录的参数直接调用参与PID调节，这样各项参数的初始值就不会为0，避免了电流和电压的突变，抑制了电机启动阶段的振动。

结语

由于先天设计的原因，单绕组电机相对于三相BLDC电机在噪音控制方面难度更大，需要在异音测试室，对电机的额定转速范围进行排查，通过修改电机内部磁钢结构，降低异音发生的可能性，最为有效的方法是通过修改软件，屏蔽掉有可能产生异音的频率带，所以前期的研发需要做到位，尤其是数据计算需要严谨，测试工作需要完整而且细致，只有经过反复试验过的产品才能经得起市场的检验。该款单绕组BLDC产品目前已经正式量产并投入市场，作为一款性价比较高的产品相信在一定会得到市场的认可。

参考文献

［1］吴远骏，吴治国.AB单相无刷直流电动机和驱动控制器［J］.微电机，2002，35 （6）：16-18.

［2］付大金，杨玉波.单相自起动永磁同步电动机综述［J］.电机技术，2003：34-37.

［3］孟迎，印润远.基于MATLAB/SIMULINK的单相无刷直流电机的建模与仿真［J］.工业技术，2006：33-34.

中图分类号：TM33

文献标识码：A