基于dsPIC30F4012的冰箱制冷压缩机控制器

摘要：基于dsPIC30F4012设计一种用于冰箱制冷压缩机的无刷直流电机控制系统。其驱动电机通过三段式升频升压法启动，当运行至满足自同步速度时，单片机通过检测电机的端电压获取转子的换相点，并通过PID算法提高系统的控制鲁棒性。经测试，该系统具有良好的稳定性和可控性，既降低成本，又控制灵活，具有较高的实用价值。
关键词：无刷直流电机(BLDC)；数字信号处理器(DSP)；脉冲宽度调制(PWM)；PID算法；dsPIC30F4012

1 引言
    家用冰箱压缩机的驱动电机一般采用单相异步电动机。为了提高冰箱的综合性能，省电降噪，提高冰箱制冷系统的工作效率，需对压缩机电机进行调速控制。无刷直流电机BLDC(brushless DC motor)既具有交流电机结构简单，运行可靠，维护方便的优点，又具有直流电机运行效率高和调速性能好的优点，因此，这里采用dsPIC30F4012设计一种用于冰箱制冷压缩机的无刷直流电机控制系统。

2 系统控制方案
    该系统设计采用转速、电流、位置三闭环控制方案，可获得良好的控制性能，控制原理如图1所示。

    由于电机启动时反电势为零或很小，采用三段式升频升压法使电机启动，这个过程主要由软件实现，通过给被控电机提供频率越来越高的驱动信号，同时不断提高驱动信号的占空比，待电机达到一定速度时再转向白同步运行方式。自同步运行时。单片机通过检测反电势过零点确定电机位置，再根据位置信号改写OVDCON(控制寄存器)值，逆变器采用pwm_on调制方式，即各个功率器件在导通的前60°进行PWM调制，后60°保持恒通的两两导通方式。该导通方式绕组利用率高，电机出力最大，平稳性最好，且PWM调制方式控制简单，无控制死区，能有效抑制换向转矩脉动，显著提高电机的运行性能。[!--empirenews.page--]

3 控制系统硬件设计
    该系统通过检测端电压“过中点”得出转子位置由dsPIC30F4012输出PWM脉冲方波，经驱动电路驱动相应功率管的通断，实现对电机的正确供电，使得电机正常运行。
3．1 dsPIC30F4012简介
    dsPIC30F4012为Microchip公司一款带DSP处理能力的高性能16位单片机，其独特的模块构造和强大存储性能使得将其运用于无刷电机控制具有一定的优势。dsPIC30F4012具有片内的电机专用PWM控制器(MCPWM)；通过编程可产生独立的、具有相同频率和工作方式的三相6路PWM波形，每个引脚驱动电流达25 mA，并由RE口直接输出给驱动器，且三相互补不重叠。可防止同一桥臂上两个功率管发生直通造成短路，该结构大大简化了产生PWM波形的控制软件和外部硬件，系统通过一电位器调节BLDC转速；电阻对完成端电压VDC的检测，VDC／2即为端电压“过中点”的电压；电压反馈通过3个电阻对来实现。
3．2 驱动电路
    驱动电路如图2所示。IR2101是IR公司生产的一款高性价比的驱动器，驱动效果好且操作简单。IR2101驱动器可驱动一组功率管，整个功率电路只需3块即可，这样不但节约制造成本，而且还提高系统稳定性。

3．3 电流反馈与故障检测电路
    电流反馈与故障检测电路如图3所示。电流反馈的第1个运算放大器通过采样母线上的电流，放大输入给dsPIC30F4012的AN2引脚实现：将第1个运算放大器的输出接至第2个反比例运算放大电路，用于电机故障检测，当母线电流过大时让微处理器进入故障处理。制方案和算法合理可行。

4 系统调试与测试
    图4为系统的主程序流程，主程序主要是设置各个设备控制字，初始化各变量及标志值，开启相应的中断并调节电机的转速。三相逆变驱动中，PWM占空比寄存器(PDCX)和改写控制寄存器(OVDCON)配合使用，占空比寄存器能够控制流经负载的电流，可以改写控制寄存器控制换相。dsPIC30F4012内置电机专用PWM控制器结构，可大大简化产生PWM波形的控制软件和外部硬件设计。调试成功后用ICD2将程序下载到dsPIC30F4012中，组装整个系统，经过测试，该系统具有良好的稳定性和可控性，且响应快速，运行平稳，具有较好的静、动态性能。图5是采用4通道示波器采集的4个功率管的驱动波形。波形表明系统采用的控制方案和算法合理可行。

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5 结束语
    经过测试，该系统设计具有良好的稳定性和可控性，虽在低速启动时，电机性能不如有传感器无刷直流电机，而启动后性能与其性能相当。整个系统硬件成本低，控制性能灵活，因此具有广阔的市场前景。