直流风机驱动控制电路设计指引.doc

直流风机驱动控制电路设计指引（日期：2013-03-18）1.1 无刷直流电动机（内置驱动电路型） 无刷直流电动机是指供电电源为直流电，且无换向器的电动机。外壳可采用优质镀锌钢板或优质热固性塑料封装。电机电源电压正极用符号Vs（或Vm)表示，负极用GND表示，控制电路电源电压用符号Vcc表示，转速控制电压用符号Vsp表示，转速反馈信号用符号VFG(或FG)表示。2 总述目前采用的无刷直流电动机一般均为PWM调速电机（内置驱动电路）。PG脉冲特性如下：1） PG输出脉冲频率：12个/转；2） PG输出脉冲电平：VHVcc0.5V，VL0.5V3） PG输出脉冲占空：THn/Tn、TLn/Tn0.30.7；Tn/T=0.0670.100；(注：Ta25、n112)调整转速控制电压Vsp的大小，可控制电机转速；而转速反馈信号VFG 如上PG脉冲特性所述，电机每转一圈反馈12个脉冲。为了满足空调正常的运转，达到制冷、制热能力的平衡，所以必须保证室内、室外风机的转速满足系统的要求，并保持转速的稳定。为达到以上目的，可采用PWM调压调速的方法来调节风机的转速，并根据转速反馈信号得知实际转速，再按一定规则调整PWM占空比，从而使转速保持稳定。下面分别介绍各相关电路工作原理。3 电路原理3.1 直流风机驱动控制PWM调压调速工作原理简单介绍目前美的采用的无刷直流电动机均为PWM调速电机（内置驱动电路）。该类直流风机电机内置驱动电路，对外只提供电源电压、控制电路电源电压、转速控制电压及转速反馈信号四个接口。电源电压用直流电压，一般为高压280V或低压25V；用符号Vs表示。控制电路电源电压供内置驱动电路电源用，一般用直流电压15V，用符号VCC表示。电机电源电压与控制电路电源电压必须共地处理。转速控制电压用符号Vsp表示，电压范围一般在06.5V之间，实际调压范围视具体电机来定。所以当Vsp在1.7V6.1V范围内，输出能力从0100连续可调，转速在此范围内连续可调（具体技术参数请参看“无刷直流电机技术规范”）。转速反馈信号，用VFG表示，输出每转12个脉冲频率，用来反馈实际转速，根据实际转速调整Vsp电压来改变风机转速，以实现风机达到目标转速及稳定转速的目的。内置驱动电路型无刷直流电动机要控制转速只需提供内置驱动电路所需要的电源电压以及改变转速控制电压Vsp的大小，就可以方便地改变转速。因此，硬件电路设计要能方便有效地产生连续可调的Vsp。我们使用一定占空比的PWM脉冲波对电解电容冲放电，将芯片输出的PWM数字信号转化为相同比例的模拟信号，从而得到转速控制电压Vsp。调整PWM脉冲波的占空比，即改变了输入Vsp的模拟电压大小，从而使得风速连续可调，控制风机转速的高低。PWM波即脉宽调制波，在一定的载波频率下，占空比可调的矩形波，此PWM波由MCU编程控制产生。PWM载波频率越高对Vsp电压的调整越精确。具体硬件电路设计如下，见直流风机驱动控制电路原理图。对于上面PWM驱动电路，可从以下例子看出实际效果。例如。以下是由MCU编程产生，占空比为50的PWM波驱动信号，波形如下：在光耦的次级可得到模拟信号转速控制电压Vsp，该Vsp电压有效值为3.77V。如下图所示：当改变PWM波的占空比，可得到不同电压的Vsp。当直流电动机每转动一转，转速反馈信号VFG端会反馈12个方波脉冲，如下图所示：检测方波脉冲的周期，可得到脉冲的频率，算出转速。从而，可根据现时的转速对Vsp电压作出相应的调整，实现转速的升高、降低或微调稳定转速。3.2 电路设计3.2.1 转速控制电压Vsp调压驱动电路设计说明本电路采用光耦隔离驱动，光耦输入端通过MCU输入PWM脉冲波信号驱动，对光耦输出端电路电解电容冲放电，进而得到连续可调的Vsp 。PWM波由MCU编程控制产生。PWM载波频率越高对Vsp电压的调整越精确。具体要视需要和MCU资源所定。现4011方案载波频率用80Hz。CN1连接器各端分别对应直流风机各功能引出线；电机电源电压Vs与控制电路电源电压15V必须共地处理。IC1采样光耦TLP521实现强弱电隔离驱动。R1为芯片灌电流限流电阻，并要保证光耦输出端能得到足够驱动电流。R2，R3为15V分压电阻。在PWM输出占空比为100，光耦全导通情况下，要保证电阻R2上的电压在直流风机技术参数规定以内，以保护风机内置电路。E1电解电容为滤波整流电容，对R2电阻上的PWM电压波形整形为较为平滑的直流电压波形Vsp，供直流风机内置驱动电路采样控制风机转速用。电容容值选择应恰当，太大时充放电缓慢，会使速度调整慢；太小整流出来的Vsp电压不平整，纹波大，会引起风机转速变化，不稳定。内置驱动电路芯片资料规定Vsp纹波典型值是10mV，纹波范围要在4060mV内。所以选用电解电容时，要让Vsp电压纹波的范围控制在芯片规定的范围里。这里选了47F/25V（原来是47F/35V），已用在V型变频机上，效果理想。C1为0.1F陶瓷电容，滤除高频杂波用。DZ1为5.6V稳压管，把R2上的电压钳位在最高5.6V，保护风机内置电路。直流风机规格书中Vsp的电压范围一般规定在06.5V范围内。美的现有稳压管物料中只有5.6V适用。当Vsp输入为5.6V时已能满足系统风速要求，所以选用5.6V。这只是参考值，具体设计是具体要求而定。R4为限流电阻，保护风机内置电路，还能起到一定抗干扰作用。C3为103高频滤波电容，对EMI效果好；R8限流电阻；R10偏置电阻，增加三极管开关可靠性；Q1为增加芯片对光耦的启动能力；针对室外机是户外放置，由FUSE、D1、E2、R9组成风机供电电路，通过D1的单向导通特性，可以有效防止在断电情况下台风引起风机转动的发电现象，室内风机也可以在断电时防止风机转动使室内芯片工作。3.2.2 转速反馈电路设计说明转速反馈电路也是通过光耦隔离，风机转速反馈信号输入光耦输入端，光耦输出端得到转速反馈脉冲信号输入到MCU检测，进而得到风机实际转速。由原理图电路可知，当Vfg为低电平时，风机反馈检测也为低电平。IC2采样光耦TLP521实现强弱电隔离，根据是在使用情况，可以选用与TLP521相近型号的光耦，如TLP781等；R7为上拉及限流电阻，由于电机内部风速反馈端为集电极开路形式，所以需设计为上拉形式，电阻大小选择注意为光耦提供足够驱动电流。R6为光耦输出端限流电阻。R5为芯片灌电流限流电阻，还能起到一定抗干扰作用。C2为0.001F陶瓷电容，滤除高频杂波用。对于C2电容容值的选择，当用在噪声比较大的环境下（如变频机室外机），可以用示波器观察C2电容上的波形情况，如果波形不理想，可以把电容换成0.01F或0.1F。在V型变频机上，室内是用0.001F的，室外是用0.1F的。上面参考原理图给出了各元器件的参考值。电阻均选用1/4W，5精度的，高频电容均为瓷片电容，耐压50V的，光耦均为TLP521。具体设计时还需要根据设计需要而定。C3选用0.01uF对EMI效果明显；D1选用1N5408，运用二极管的单向导通特性；E1选用82u/450V，储能滤波；R9断电放电电阻，选用120K-2W，也可以使用RY-2W-150K5%。3.2.3 设计注意事项1 电机电源电压与控制电路电源电压必须进行共地处理，否则无法驱动风机正常运转。2 按照无刷直流电机的要求，输入的Vsp电压为连续可调的模拟电压，所以需增加滤波电容。同时注意E1电解电容的选择：对PWM脉冲波整流出来的电压的纹波大小，和PWM脉冲波占空比改变整流电压的反应速度，两者要兼顾考虑。内置驱动电路芯片资料规定Vsp纹波典型值是10mV，纹波范围要在4060mV内。所以选用电解电容时，要让Vsp电压纹波的范围控制在芯片规定的范围里。3 在噪声环境下工作要考虑风机反馈检测电路的抗干扰措施。4 在进行软件设计时需注意风速调整的精度问题，每次调整占空比时注意风机速度变化的大小，否则，容易造成风速波动。5 由于直流无刷