車載冰箱變頻控制器的開發(fā)

車載冰箱變頻控制器的開發(fā)黃列威消兵【摘要】Accordingtothefunctionalrequirementsofvehicularrefrigerator,theinvertercontrollerforvehicularrefrigeratorwhichcancontrolmotoraccordingtheuserinstructionsandtherefrigeratortemperaturewasdesigned,thecoreofwhichisTMS320F28G35producedbyTexasInstruments.Thecontrolleriscomposedofthreemodules:Thefirstoneisswitchingpowersupplymodulewhichmadeofboostcircuit,itcanhelpthe12/24Vcarpowersupplyvoltageupto40Vtosupplythemotordrivemodule.ThesecondoneismotordrivemodulewhichdrivethesensorlessbrushlessDCmotor.Thethirdoneiscommunicationmodulewhichhelpscontrollerandhostcomputercommunication.Testresultsshowthattheinvertercontrollerimplementsallthefunctionalityandhashighreliability,alsomeettherequirements.%根據(jù)車載冰箱的功能需求，以德州儀器公司的TMS320F28035芯片為主控制芯片,設(shè)計一款能根據(jù)用戶的指令及冰箱的溫度控制無刷直流電機(jī)變頻調(diào)速的控制器；此控制器由3個模塊組成:一是開關(guān)電源模塊，采用boost升壓電路，將12/24V的汽車電源電壓升至40V供給電機(jī)驅(qū)動模塊;二是電機(jī)驅(qū)動模塊，通過反電動勢法檢測無刷直流電機(jī)的位置,控制電機(jī)啟停及變頻調(diào)速;三是通信模塊,采用抗干擾能力強(qiáng)的485通信方式實(shí)現(xiàn)控制器與上位機(jī)的通信;實(shí)驗結(jié)果表明，控制器的可靠性高，制冷能力強(qiáng)，最低溫度可低于-19°C,比普通車載冰箱更節(jié)能，滿足了使用的要求.【期刊名稱】《計算機(jī)測量與控制》【年(卷)，期】2012(020)004【總頁數(shù)】4頁(P970-972,986)【關(guān)鍵詞】車載冰箱;變頻控制器;無刷直流電機(jī);升壓電路;反電動勢【作者】黃列威消兵【作者單位】華南理工大學(xué)自動化學(xué)院，廣東廣州510640;華南理工大學(xué)自動化學(xué)院廣東廣州510640【正文語種】中文【中圖分類】TP2710引言近年來，隨著人們生活水平的提高，汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，車載冰箱逐漸成為汽車配件的一個重要部分［1］，有很大的發(fā)展前景。其中，車載冰箱變頻控制器是車載冰箱核心技術(shù)之一。車載冰箱不同于一般的家用冰箱，它主要依靠車上電源供電，考慮到車上電源的特殊性，車載冰箱要比普通家用冰箱更節(jié)能，更環(huán)保，因此采用變頻技術(shù)是很好的選擇。此外，車載冰箱工作環(huán)境更惡劣，經(jīng)常在顛簸、震動狀態(tài)下工作，必須具有很高的可靠性，能保證在惡劣的環(huán)境下正常運(yùn)行。1變頻控制器的總體框架采用德州儀器公司新推出的C2000系列芯片TMS320F28035作為主控制芯片，這款芯片最高工作頻率可達(dá)60MHz，擁有16路12位的ADC轉(zhuǎn)換通道及14路PWM發(fā)生器，TMS320F28035這些特點(diǎn)已能很好地滿足變頻控制器的需求。變頻控制器的整體框架如圖1所示，12/24V的汽車電源輸入開關(guān)電源模塊，模塊內(nèi)部采用boost升壓電路［2］，將電壓升至40V輸出給電機(jī)驅(qū)動模塊。電機(jī)驅(qū)動模塊則根據(jù)主控芯片的信號控制電機(jī)啟動、關(guān)閉、變頻調(diào)速。溫度模塊將冰箱的溫度信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后輸給主控制芯片，主控制芯片根據(jù)采集到的電壓信號進(jìn)行運(yùn)算后得到當(dāng)前實(shí)際溫度。上位機(jī)通過485通信方式與主控芯片進(jìn)行交互通信，用戶可以通過上位機(jī)將設(shè)定溫度等信息傳給主控芯片，同時主控芯片通過上位機(jī)將當(dāng)前溫度及故障信號顯示給用戶。主控芯片會根據(jù)用戶設(shè)定的溫度以及檢測到的當(dāng)前實(shí)際溫度進(jìn)行比較，然后對電機(jī)驅(qū)動模塊做出控制。圖1變頻控制器的整體框架2控制器工作原理及硬件設(shè)計2.1開關(guān)電源模塊工作原理及硬件設(shè)計開關(guān)電源模塊采用boost型升壓電路，此類電路存在電感電流連續(xù)及電感電流斷續(xù)兩種工作模式，設(shè)計的boost型升壓電路處于電感電流連續(xù)工作模式。如圖2所示，電路在一個PWM周期內(nèi)經(jīng)歷兩個狀態(tài)，當(dāng)PWM驅(qū)動信號處于高電平時，MOS管M導(dǎo)通，電感L的電流不斷上升，電感儲存的能量不斷增加，同時二極管D承受負(fù)電壓，導(dǎo)通截止，沒有電流流過。當(dāng)PWM驅(qū)動信號處于低電平時，MOS管M處于高阻狀態(tài)，沒有電流流過，二極管D開始導(dǎo)通，電感通過D向電容C及負(fù)載釋放磁能，電感電流不斷減少。boost型電路處于電感電流連續(xù)狀態(tài)時，輸出、輸入電壓與PWM信號的占空比D間如式（1）［2］所示：圖2開關(guān)電源模塊的硬件電路從上面公式可以得出，輸出電壓隨著占空比增大而增大，改變占空比的大小就可以得到不同的輸出電壓。電源模塊沒有采用專門的開關(guān)電源芯片控制，而是用主控制芯片直接數(shù)字化控制。如圖3所示，采用的控制模式是電壓模式，即將輸出電壓作為反饋量，與設(shè)定電壓相比較后得到誤差電壓，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后得到PWM信號的占空比，最后通過PWM模塊控制boost電路輸出電壓。圖3開關(guān)電源模塊的控制結(jié)構(gòu)2.2電機(jī)驅(qū)動模塊工作原理及硬件設(shè)計電機(jī)驅(qū)動模塊的驅(qū)動對象是無位置傳感器的無刷直流電機(jī)，主硬件電路如圖4所示。電機(jī)驅(qū)動模塊采用全橋驅(qū)動電路，有六路PWM驅(qū)動信號，任上下兩路PWM信號都是互補(bǔ)的。電機(jī)驅(qū)動模塊以兩兩導(dǎo)通的方式驅(qū)動電機(jī)，即任一時刻電機(jī)都只有兩相導(dǎo)通，第三相懸空，各相的導(dǎo)通順序與時間由轉(zhuǎn)子的位置信號決定。由于電機(jī)沒有安裝位置傳感器，故采用反電動勢法間接判斷轉(zhuǎn)子的位置。采用反電動勢法需要采集三相繞組的端電壓，所以在硬件中設(shè)計三路電路分別檢測繞組的端電壓Uu、Uv、Uw。為了更好的控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩及診斷電機(jī)運(yùn)行時的故障，還必須檢測三相繞組的電流。忽略一些次要因素，在電機(jī)正常運(yùn)行時，任何時刻都只有兩相繞組有電流通過，且大小相等，因此只需在全橋驅(qū)動電路下串接一個電流檢測電阻R,同時設(shè)計一路電壓檢測電路檢測電阻R的壓降Uo，通過公式Uo=RI就可以得到繞組的電流I。圖4電機(jī)驅(qū)動模塊的硬件電路電機(jī)驅(qū)動模塊采用反電動勢法［3］檢測無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，它的工作原理如下，無刷直流電機(jī)在一個周期內(nèi)有6個換相點(diǎn)，每個換相點(diǎn)相隔60°電角度，同時三相繞組的3個反電動勢在一個周期內(nèi)有6個過零點(diǎn)，即電動勢為零。6個換相點(diǎn)分別與6個反電動勢過零點(diǎn)一一對應(yīng)，同時換相點(diǎn)滯后于相對應(yīng)的反電動勢過零點(diǎn)30°電角度，因此只需檢測到反電動勢的過零點(diǎn)，再延遲30°電角度就可以得到電機(jī)的換相時間及換相狀態(tài)，因此采用電動勢法可以取代無位置傳感器。無刷直流電機(jī)三相繞組的反電動勢無法直接檢測，故直接檢測三相繞組的端電壓，忽略一些次要因素后，它們關(guān)系如公式(2)~(4)[3]所示。UU、UV、UW、UN分別為三相端電壓和中點(diǎn)電壓，iU、iV、iW分別為三相繞組電流，R和L分別為三相電樞繞組的電阻和電感，EU、EV、EW分別為三相反電動勢。當(dāng)U、V相導(dǎo)通，W相懸空時，U相V相的反電動勢及電流的關(guān)系為：將式(2)與式(3)相加得：W相懸空時，存在i=0,=0,式(7)代入式W(4)得：若W相反電動勢過零點(diǎn)，EW=0，即從上式可得從公式(9)可以得出反電動勢過零點(diǎn)時端電壓之間的關(guān)系，因此檢測端電壓時，若存在上述關(guān)系就可以知道下一個換相的狀態(tài)，同時再延遲30°電角度即可得到轉(zhuǎn)子的換相時刻。電機(jī)驅(qū)動模塊采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)[4],外環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，具體工作過程如圖5所示，反電動勢過零檢測得到相鄰兩個換相點(diǎn)的時間間隔，經(jīng)過計算得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速，與給定速度比較得速度誤差信號。速度誤差信號經(jīng)PI調(diào)節(jié)后得到電流給定值，與相電流比較得電流誤差信號，電流誤差信號經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后得到PWM的占空比。PWM模塊根據(jù)占空比以及反電動勢過零檢測得到的轉(zhuǎn)子位置信號控制六路PWM信號的輸出，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。這種控制結(jié)構(gòu)有利于提高電機(jī)的響應(yīng)速度，減少電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動。圖5電機(jī)驅(qū)動模塊的控制結(jié)構(gòu)3控制器的軟件設(shè)計3.1控制器的整體軟件設(shè)計控制器軟件由三大模塊組成，分別是開關(guān)電源模塊，電機(jī)驅(qū)動模塊，通信模塊。如圖6所示，開關(guān)電源模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊采用中斷程序，通信模塊則通過在主程序中不斷循環(huán)實(shí)現(xiàn)。由于電機(jī)驅(qū)動模塊需要快速連續(xù)的檢測轉(zhuǎn)子的位置，故程序的中斷頻率是最高的，達(dá)到10k，同時程序的優(yōu)先級也是最高的。開關(guān)電源模塊則采用2k的中斷頻率，優(yōu)先級要比電機(jī)驅(qū)動模塊要低。變頻控制器的工作流程：上位機(jī)接受控制器發(fā)送過來的故障信息及目前溫度信息，同時向控制器發(fā)送用戶設(shè)定溫度信息?？刂破鹘邮盏接脩粼O(shè)定溫度信息后，首先判斷設(shè)定溫度是否小于目前溫度，如是，則開始啟動開關(guān)電源及無刷直流電機(jī)。啟動順序如下：首先啟動開關(guān)電源，經(jīng)過1秒鐘后開關(guān)電源電壓已保持穩(wěn)定，此時驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行預(yù)定位，電機(jī)需要進(jìn)行兩次預(yù)定位才能將轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到預(yù)定位置，此過程需要2秒時間。轉(zhuǎn)子定位完成后，控制器控制電機(jī)定子產(chǎn)生頻率不斷加快的旋轉(zhuǎn)磁場，定子跟隨加速的旋轉(zhuǎn)磁場運(yùn)動，定子的速度不斷的增加，當(dāng)定子轉(zhuǎn)速足夠大時，所產(chǎn)生的反電動勢也足以讓控制器準(zhǔn)確檢測到，此時控制器通過反電動勢法間接獲取轉(zhuǎn)子的位置繼續(xù)驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)冰箱溫度高于設(shè)定溫度時，變頻控制器控制電機(jī)全速運(yùn)行，冰箱溫度快速下降；當(dāng)冰箱溫度低于設(shè)定溫度時，變頻控制器逐漸降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使冰箱溫度保持在設(shè)定溫度范圍附近，從而達(dá)到節(jié)能的目的。圖6整體軟件設(shè)計3.2開關(guān)電源模塊的軟件設(shè)計開關(guān)電源模塊采用頻率為50k的PWM輸出，程序采用2k的中斷頻率，程序流程如圖7所示。首先讀取ADC模塊采集到的數(shù)據(jù)——開關(guān)電源的實(shí)際輸出電壓，然后將目標(biāo)電壓與實(shí)際輸出電壓相比較，得到的電壓誤差信號當(dāng)做PI模塊的輸入，經(jīng)過PI模塊計算后得到PWM的占空比，最后PWM模塊根據(jù)占空比輸出PWM波形。圖7開關(guān)電源模塊的軟件流程圖3.3電機(jī)驅(qū)動模塊的軟件設(shè)計電機(jī)驅(qū)動模塊采用10k的中斷頻率，程序流程如圖8所示。首先讀取ADC模塊采集到的數(shù)據(jù)，包括三相電壓、電機(jī)電流。由于程序的中斷頻率最快，優(yōu)先級也最高，故在ADC模塊采集到數(shù)據(jù)后立即進(jìn)行故障診斷。若存在三相電壓過高或電機(jī)電流過大等極端情況就會引發(fā)報警，同時關(guān)閉開關(guān)電源及電機(jī)驅(qū)動。若故障診斷結(jié)果正常，則下一步程序?qū)萌喽穗妷河嬎愠鲛D(zhuǎn)子的位置，接著將設(shè)定溫度與當(dāng)前冰箱溫度相比較，經(jīng)過一定的邏輯運(yùn)算后得到目標(biāo)速度，將目標(biāo)速度與實(shí)際速度相比較得到速度誤差信號，經(jīng)PI模塊計算后得到目標(biāo)電流，目標(biāo)電流與實(shí)際電流相比較得電流誤差信號，經(jīng)PI模塊計算后得到PWM的占空比，PWM模塊根據(jù)占空比以及轉(zhuǎn)子的位置控制6路PWM的輸出。最后是計算電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速。圖8電機(jī)驅(qū)動模塊的軟件流程圖3.4通信模塊的軟件設(shè)計通信模塊采用485通信方式［5］，由于采用差分信號傳送信息，抗干擾能力強(qiáng)，很適合在汽車上使用。采用SN75ALS176AD型號485通信芯片，此款芯片僅有一個通信通道，只能以半雙工的方式工作。這種工作方式要求上位機(jī)與下位機(jī)有嚴(yán)格的通信時序，不然會導(dǎo)致通信失敗。采取的工作方式是：上位機(jī)每隔1秒鐘向控制器發(fā)送一次數(shù)據(jù)，發(fā)送完畢后處于接受等待狀態(tài)，同時控制器一直處于等待狀態(tài)，若接收完信息則延時一段時間，接著發(fā)送信息，發(fā)送完畢繼續(xù)處于接受狀態(tài)。上位機(jī)處于主動狀態(tài)，控制器處于被動狀態(tài)，只有上位機(jī)發(fā)送了信息并且控制器準(zhǔn)確接收到了，控制器才會回發(fā)信息，這種通信時序有效地避免了兩者同時發(fā)送信息所造成的通信失敗?？刂破鞯耐ㄐ帕鞒倘鐖D9所示，首先控制通信芯片處于接受狀態(tài)，然后判斷上位機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)是否接受完整，若沒有則結(jié)束程序，繼續(xù)下一次循環(huán)，若已接受完整則控制通信芯片處于發(fā)送狀態(tài)，接著發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機(jī)，發(fā)送完畢重新使通信芯片處于接受狀態(tài)，然后繼續(xù)下一次循環(huán)。4控制器的測試波形開關(guān)電源模塊的輸出電壓波形如圖10所示，電源導(dǎo)通時，開關(guān)電源模塊還沒有啟動，此時輸出電壓與電源輸入電壓一致，為24V，開關(guān)電源模塊啟動后，輸出電壓迅速升至額定電壓40V，然后保持平穩(wěn)，達(dá)到了設(shè)計的要求無刷直流電機(jī)在全速運(yùn)行時U相的端電壓波形如圖11所示，實(shí)測的波形與理論的波形是一致的，達(dá)到了設(shè)計的要求。圖9通信模塊的軟件流程圖圖10開關(guān)電源模塊電壓輸出波形（橫坐標(biāo)：1s/div縱坐標(biāo)：10V/div）5結(jié)論圖11無刷直流電機(jī)端電壓波形（橫坐標(biāo)：2ms/div縱坐標(biāo)：20V/div）設(shè)計了一款以TMS320F28035芯片為核心的車載冰箱變頻控制器，此控制器能根據(jù)用戶的指令以及冰箱的溫度控制無位置傳感器的無刷直流電機(jī)變頻調(diào)速，與只能以恒定速度控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)的控制器相比，它具有更高的靈活性及更節(jié)能。經(jīng)過大量的測試，此款車載冰箱變頻控制器能將溫度降低到低于-19°C，同時具有較高的可