带有自适应功能的单绕组直流无刷电机驱动设计

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1、带有自适应功能的单绕组直流无刷电机驱动设计　　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　　中图分类号：TM33文献标识码：A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

2、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

3、大优势。5　　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

4、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5　　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/4

5、50VAC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

6、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

7、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

8、行的模式。第一种：干工况功率≤5湿工况功率，干工况转速湿工况功率，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