车载冰箱变频控制器的开发

车载冰箱变频控制器的开发黄列威消兵【摘要】Accordingtothefunctionalrequirementsofvehicularrefrigerator,theinvertercontrollerforvehicularrefrigeratorwhichcancontrolmotoraccordingtheuserinstructionsandtherefrigeratortemperaturewasdesigned,thecoreofwhichisTMS320F28G35producedbyTexasInstruments.Thecontrolleriscomposedofthreemodules:Thefirstoneisswitchingpowersupplymodulewhichmadeofboostcircuit,itcanhelpthe12/24Vcarpowersupplyvoltageupto40Vtosupplythemotordrivemodule.ThesecondoneismotordrivemodulewhichdrivethesensorlessbrushlessDCmotor.Thethirdoneiscommunicationmodulewhichhelpscontrollerandhostcomputercommunication.Testresultsshowthattheinvertercontrollerimplementsallthefunctionalityandhashighreliability,alsomeettherequirements.%根据车载冰箱的功能需求，以德州仪器公司的TMS320F28035芯片为主控制芯片,设计一款能根据用户的指令及冰箱的温度控制无刷直流电机变频调速的控制器；此控制器由3个模块组成:一是开关电源模块，采用boost升压电路，将12/24V的汽车电源电压升至40V供给电机驱动模块;二是电机驱动模块，通过反电动势法检测无刷直流电机的位置,控制电机启停及变频调速;三是通信模块,采用抗干扰能力强的485通信方式实现控制器与上位机的通信;实验结果表明，控制器的可靠性高，制冷能力强，最低温度可低于-19°C,比普通车载冰箱更节能，满足了使用的要求.【期刊名称】《计算机测量与控制》【年(卷)，期】2012(020)004【总页数】4页(P970-972,986)【关键词】车载冰箱;变频控制器;无刷直流电机;升压电路;反电动势【作者】黄列威消兵【作者单位】华南理工大学自动化学院，广东广州510640;华南理工大学自动化学院广东广州510640【正文语种】中文【中图分类】TP2710引言近年来，随着人们生活水平的提高，汽车产业的迅速发展，车载冰箱逐渐成为汽车配件的一个重要部分［1］，有很大的发展前景。其中，车载冰箱变频控制器是车载冰箱核心技术之一。车载冰箱不同于一般的家用冰箱，它主要依靠车上电源供电，考虑到车上电源的特殊性，车载冰箱要比普通家用冰箱更节能，更环保，因此采用变频技术是很好的选择。此外，车载冰箱工作环境更恶劣，经常在颠簸、震动状态下工作，必须具有很高的可靠性，能保证在恶劣的环境下正常运行。1变频控制器的总体框架采用德州仪器公司新推出的C2000系列芯片TMS320F28035作为主控制芯片，这款芯片最高工作频率可达60MHz，拥有16路12位的ADC转换通道及14路PWM发生器，TMS320F28035这些特点已能很好地满足变频控制器的需求。变频控制器的整体框架如图1所示，12/24V的汽车电源输入开关电源模块，模块内部采用boost升压电路［2］，将电压升至40V输出给电机驱动模块。电机驱动模块则根据主控芯片的信号控制电机启动、关闭、变频调速。温度模块将冰箱的温度信号转换成电信号，然后输给主控制芯片，主控制芯片根据采集到的电压信号进行运算后得到当前实际温度。上位机通过485通信方式与主控芯片进行交互通信，用户可以通过上位机将设定温度等信息传给主控芯片，同时主控芯片通过上位机将当前温度及故障信号显示给用户。主控芯片会根据用户设定的温度以及检测到的当前实际温度进行比较，然后对电机驱动模块做出控制。图1变频控制器的整体框架2控制器工作原理及硬件设计2.1开关电源模块工作原理及硬件设计开关电源模块采用boost型升压电路，此类电路存在电感电流连续及电感电流断续两种工作模式，设计的boost型升压电路处于电感电流连续工作模式。如图2所示，电路在一个PWM周期内经历两个状态，当PWM驱动信号处于高电平时，MOS管M导通，电感L的电流不断上升，电感储存的能量不断增加，同时二极管D承受负电压，导通截止，没有电流流过。当PWM驱动信号处于低电平时，MOS管M处于高阻状态，没有电流流过，二极管D开始导通，电感通过D向电容C及负载释放磁能，电感电流不断减少。boost型电路处于电感电流连续状态时，输出、输入电压与PWM信号的占空比D间如式（1）［2］所示：图2开关电源模块的硬件电路从上面公式可以得出，输出电压随着占空比增大而增大，改变占空比的大小就可以得到不同的输出电压。电源模块没有采用专门的开关电源芯片控制，而是用主控制芯片直接数字化控制。如图3所示，采用的控制模式是电压模式，即将输出电压作为反馈量，与设定电压相比较后得到误差电压，经过PI调节器后得到PWM信号的占空比，最后通过PWM模块控制boost电路输出电压。图3开关电源模块的控制结构2.2电机驱动模块工作原理及硬件设计电机驱动模块的驱动对象是无位置传感器的无刷直流电机，主硬件电路如图4所示。电机驱动模块采用全桥驱动电路，有六路PWM驱动信号，任上下两路PWM信号都是互补的。电机驱动模块以两两导通的方式驱动电机，即任一时刻电机都只有两相导通，第三相悬空，各相的导通顺序与时间由转子的位置信号决定。由于电机没有安装位置传感器，故采用反电动势法间接判断转子的位置。采用反电动势法需要采集三相绕组的端电压，所以在硬件中设计三路电路分别检测绕组的端电压Uu、Uv、Uw。为了更好的控制电机转矩及诊断电机运行时的故障，还必须检测三相绕组的电流。忽略一些次要因素，在电机正常运行时，任何时刻都只有两相绕组有电流通过，且大小相等，因此只需在全桥驱动电路下串接一个电流检测电阻R,同时设计一路电压检测电路检测电阻R的压降Uo，通过公式Uo=RI就可以得到绕组的电流I。图4电机驱动模块的硬件电路电机驱动模块采用反电动势法［3］检测无刷直流电机转子的位置，它的工作原理如下，无刷直流电机在一个周期内有6个换相点，每个换相点相隔60°电角度，同时三相绕组的3个反电动势在一个周期内有6个过零点，即电动势为零。6个换相点分别与6个反电动势过零点一一对应，同时换相点滞后于相对应的反电动势过零点30°电角度，因此只需检测到反电动势的过零点，再延迟30°电角度就可以得到电机的换相时间及换相状态，因此采用电动势法可以取代无位置传感器。无刷直流电机三相绕组的反电动势无法直接检测，故直接检测三相绕组的端电压，忽略一些次要因素后，它们关系如公式(2)~(4)[3]所示。UU、UV、UW、UN分别为三相端电压和中点电压，iU、iV、iW分别为三相绕组电流，R和L分别为三相电枢绕组的电阻和电感，EU、EV、EW分别为三相反电动势。当U、V相导通，W相悬空时，U相V相的反电动势及电流的关系为：将式(2)与式(3)相加得：W相悬空时，存在i=0,=0,式(7)代入式W(4)得：若W相反电动势过零点，EW=0，即从上式可得从公式(9)可以得出反电动势过零点时端电压之间的关系，因此检测端电压时，若存在上述关系就可以知道下一个换相的状态，同时再延迟30°电角度即可得到转子的换相时刻。电机驱动模块采用双闭环控制结构[4],外环为速度环，内环为电流环，具体工作过程如图5所示，反电动势过零检测得到相邻两个换相点的时间间隔，经过计算得到电机的转速，与给定速度比较得速度误差信号。速度误差信号经PI调节后得到电流给定值，与相电流比较得电流误差信号，电流误差信号经过PI调节后得到PWM的占空比。PWM模块根据占空比以及反电动势过零检测得到的转子位置信号控制六路PWM信号的输出，实现了电机的转速控制。这种控制结构有利于提高电机的响应速度，减少电机的转矩脉动。图5电机驱动模块的控制结构3控制器的软件设计3.1控制器的整体软件设计控制器软件由三大模块组成，分别是开关电源模块，电机驱动模块，通信模块。如图6所示，开关电源模块、电机驱动模块采用中断程序，通信模块则通过在主程序中不断循环实现。由于电机驱动模块需要快速连续的检测转子的位置，故程序的中断频率是最高的，达到10k，同时程序的优先级也是最高的。开关电源模块则采用2k的中断频率，优先级要比电机驱动模块要低。变频控制器的工作流程：上位机接受控制器发送过来的故障信息及目前温度信息，同时向控制器发送用户设定温度信息。控制器接收到用户设定温度信息后，首先判断设定温度是否小于目前温度，如是，则开始启动开关电源及无刷直流电机。启动顺序如下：首先启动开关电源，经过1秒钟后开关电源电压已保持稳定，此时驱动电机进行预定位，电机需要进行两次预定位才能将转子旋转到预定位置，此过程需要2秒时间。转子定位完成后，控制器控制电机定子产生频率不断加快的旋转磁场，定子跟随加速的旋转磁场运动，定子的速度不断的增加，当定子转速足够大时，所产生的反电动势也足以让控制器准确检测到，此时控制器通过反电动势法间接获取转子的位置继续驱动电机运转。当冰箱温度高于设定温度时，变频控制器控制电机全速运行，冰箱温度快速下降；当冰箱温度低于设定温度时，变频控制器逐渐降低电机的转速，使冰箱温度保持在设定温度范围附近，从而达到节能的目的。图6整体软件设计3.2开关电源模块的软件设计开关电源模块采用频率为50k的PWM输出，程序采用2k的中断频率，程序流程如图7所示。首先读取ADC模块采集到的数据——开关电源的实际输出电压，然后将目标电压与实际输出电压相比较，得到的电压误差信号当做PI模块的输入，经过PI模块计算后得到PWM的占空比，最后PWM模块根据占空比输出PWM波形。图7开关电源模块的软件流程图3.3电机驱动模块的软件设计电机驱动模块采用10k的中断频率，程序流程如图8所示。首先读取ADC模块采集到的数据，包括三相电压、电机电流。由于程序的中断频率最快，优先级也最高，故在ADC模块采集到数据后立即进行故障诊断。若存在三相电压过高或电机电流过大等极端情况就会引发报警，同时关闭开关电源及电机驱动。若故障诊断结果正常，则下一步程序将会利用三相端电压计算出转子的位置，接着将设定温度与当前冰箱温度相比较，经过一定的逻辑运算后得到目标速度，将目标速度与实际速度相比较得到速度误差信号，经PI模块计算后得到目标电流，目标电流与实际电流相比较得电流误差信号，经PI模块计算后得到PWM的占空比，PWM模块根据占空比以及转子的位置控制6路PWM的输出。最后是计算电机当前的转速。图8电机驱动模块的软件流程图3.4通信模块的软件设计通信模块采用485通信方式［5］，由于采用差分信号传送信息，抗干扰能力强，很适合在汽车上使用。采用SN75ALS176AD型号485通信芯片，此款芯片仅有一个通信通道，只能以半双工的方式工作。这种工作方式要求上位机与下位机有严格的通信时序，不然会导致通信失败。采取的工作方式是：上位机每隔1秒钟向控制器发送一次数据，发送完毕后处于接受等待状态，同时控制器一直处于等待状态，若接收完信息则延时一段时间，接着发送信息，发送完毕继续处于接受状态。上位机处于主动状态，控制器处于被动状态，只有上位机发送了信息并且控制器准确接收到了，控制器才会回发信息，这种通信时序有效地避免了两者同时发送信息所造成的通信失败。控制器的通信流程如图9所示，首先控制通信芯片处于接受状态，然后判断上位机发送过来的数据是否接受完整，若没有则结束程序，继续下一次循环，若已接受完整则控制通信芯片处于发送状态，接着发送数据给上位机，发送完毕重新使通信芯片处于接受状态，然后继续下一次循环。4控制器的测试波形开关电源模块的输出电压波形如图10所示，电源导通时，开关电源模块还没有启动，此时输出电压与电源输入电压一致，为24V，开关电源模块启动后，输出电压迅速升至额定电压40V，然后保持平稳，达到了设计的要求无刷直流电机在全速运行时U相的端电压波形如图11所示，实测的波形与理论的波形是一致的，达到了设计的要求。图9通信模块的软件流程图图10开关电源模块电压输出波形（横坐标：1s/div纵坐标：10V/div）5结论图11无刷直流电机端电压波形（横坐标：2ms/div纵坐标：20V/div）设计了一款以TMS320F28035芯片为核心的车载冰箱变频控制器，此控制器能根据用户的指令以及冰箱的温度控制无位置传感器的无刷直流电机变频调速，与只能以恒定速度控制电机旋转的控制器相比，它具有更高的灵活性及更节能。经过大量的测试，此款车载冰箱变频控制器能将温度降低到低于-19°C，同时具有较高的可