基于瑞萨单片机的交流感应电机驱动电路的设计

  随着电力电子技术和微控制器技术的快速的提升，现代交流变频调速系统技术在电机控制管理系统中的应用也慢慢变得广，采用全控型器件IGBT的全数字控制的变频调速器已经实现了通用化，具有调速范围宽、调速精度高、动态响应快、运行效率高、操作便捷等优点。变频调速器的普及应用提高了现代工业的自动化水平，提高了产品质量和劳动效率，最大限度地节约了能源，因此符合国家发展建设和谐、节约型社会的方针。

  本文选用瑞萨公司推出的性价比较高的微控制器R5F21246 seties，嵌入R8C／Tiny系列CPU内核，R8C／Tiny系列中的所有MCU都集成了片上闪存，具有高性能和很好的易用性，1 MB地址空间，2 KB片上数据存储FLASH，非常适合于空调、洗衣机、冰箱等家电应用以及交流伺服马达等工业控制应用等。

  交流感应电机控制管理系统的原理构成如图1所示，它包括主电路、控制单元、功率驱动单元、保护单元以及信号反馈采集单元等。

  交流感应电机控制单元包括速度控制器、转矩和电流控制器等。Renesas单片机R5F21246以其价格低、功耗小、性能高、处理速度快等优点成为交流感应电机控制管理系统控制核心的一种趋势。功率驱动单元采用以驱动芯片IRS2136S，其内部不但集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、过热、欠电压等故障检验测试保护电路，当系统出现一些明显的异常问题时能及时进行自我保护，提高了系统的可靠性。各采集信号经过反馈传输到R5F21246内部，进行精确、快速的处理后输出，以实现各个部件的实时控制。在主回路中还加入了软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。

  功率驱动模块作为交流感应电机控制管理系统的强电部分包括两个单元：电源单元为总系统的数字和模拟电路提供电源；功率驱动单元IRS2136S用于电机的驱动(见图2)。

  功率板的设计中包括4个硬件保护功能，分别是过流(正反向电流)保护、母线过压保护、母线欠压保护和IGBT过热保护，每种保护都有LED报警显示。为增强可靠性，保护动作发生后都会分别给MCU发送关断信号，保护功率器件IRS2136S，防止元件的损坏。这些信号必须由单独的复位信号才能取消，否则保护电路会一直有效，以防止误操作损坏设备和影响人身安全。

  电源主电路如图3所示。输入电压范围：交流187～264 V，频率范围：48～53 Hz。直流母线 V左右，肖特基二极管D110并联在母线电压两端，防止母线并联，用来稳定电容两端电压。直流母线电压输出采用预充电回路，通电后的瞬间由限流电阻R102给整流桥D101和滤波电容C107，C108提供电流，减小了对整流桥的冲击，滤波电容充电接近完成后通过继电器K101旁路限流电阻。直流母线 V稳定的直流电压，分别给驱动电路和其他电路供电，如图4所示。

  图5为IGBT的温度检测电路。电路中R379为负温度系数热敏电阻NTC，当温度过高时R379阻值就变小。通过检验测试电路的电压输出故障信号反馈给单片机，经单片机分析处理后采取的措施对系统来进行保护，如令驱动芯片停止工作，当温度回到正常状态时再解除保护。