基于瑞薩單片機的交流感應電機驅動電路的設計

0 引言
隨著電力電子技術和微控制器技術的飛速發(fā)展，現(xiàn)代交流變頻調速系統(tǒng)技術在電機控制系統(tǒng)中的應用也越來越廣，采用全控型器件IGBT的全數(shù)字控制的變頻調速器已經實現(xiàn)了通用化，具有調速范圍寬、調速精度高、動態(tài)響應快、運行效率高、操作方便等優(yōu)點。變頻調速器的普及應用提高了現(xiàn)代工業(yè)的自動化水平，提高了產品質量和勞動效率，最大限度地節(jié)約了能源，因此符合國家發(fā)展建設和諧、節(jié)約型社會的方針。
本文選用瑞薩公司推出的性價比較高的微控制器R5F21246 seties，嵌入R8C／Tiny系列CPU內核，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FLASH，非常適合于空調、洗衣機、冰箱等家電應用以及交流伺服馬達等工業(yè)控制應用等。

1 交流感應電機系統(tǒng)的基本構架
交流感應電機控制系統(tǒng)的原理構成如圖1所示，它包括主電路、控制單元、功率驅動單元、保護單元以及信號反饋采集單元等。

交流感應電機控制單元包括速度控制器、轉矩和電流控制器等。Renesas單片機R5F21246以其價格低、功耗小、性能高、處理速度快等優(yōu)點成為交流感應電機控制系統(tǒng)控制核心的一種趨勢。功率驅動單元采用以驅動芯片IRS2136S，其內部不但集成了驅動電路，同時具有過電壓、過電流、過熱、欠電壓等故障檢測保護電路，當系統(tǒng)出現(xiàn)問題時能及時進行自我保護，提高了系統(tǒng)的可靠性。各采集信號經過反饋傳輸?shù)絉5F21246內部，進行精確、快速的處理后輸出，以實現(xiàn)各個部件的實時控制。在主回路中還加入了軟啟動電路，以減小啟動過程對驅動器的沖擊。

2 交流感應電機系統(tǒng)的驅動電路設計
功率驅動模塊作為交流感應電機控制系統(tǒng)的強電部分包括兩個單元：電源單元為整個系統(tǒng)的數(shù)字和模擬電路提供電源；功率驅動單元IRS2136S用于電機的驅動(見圖2)。

功率板的設計中包括4個硬件保護功能，分別是過流(正反向電流)保護、母線過壓保護、母線欠壓保護和IGBT過熱保護，每種保護都有LED報警顯示。為了增強可靠性，保護動作發(fā)生后都會分別給MCU發(fā)送關斷信號，保護功率器件IRS2136S，防止元件的損壞。這些信號必須由單獨的復位信號才能取消，否則保護電路會一直有效，以防止誤操作損壞設備和影響人身安全。
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，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)芯片產生16 V與5 V穩(wěn)定的直流電壓，分別給驅動電路和其他電路供電，如圖4所示。

2．2 溫度檢測電路
圖5為IGBT的溫度檢測電路。電路中R379為負溫度系數(shù)熱敏電阻NTC，當溫度過高時R379阻值就變小。通過檢測電路的電壓輸出故障信號反饋給單片機，經單片機分析處理后采取的措施對系統(tǒng)進行保護，如令驅動芯片停止工作，當溫度恢復正常時再解除保護。