压缩机故障检测比较回路

　　无刷直流电机（BLDCM）是具有梯形波的永磁同步电机，调速性能优越，且体积小、质量轻、效率高、反馈装置简单、功率密度高、输出转矩大、控制结构简单、不存在励磁损耗。变频空调器、冰箱通过改变频率来控制无刷直流电机的转速，从而有效地控制其输出功率，以达到提高效率（可比定速节能5% 30%）、降低噪声、提高制冷、制热效果和舒适性的目的。变频控制系统核心是微控制器MCU，国内现有的变频控制系统较多采用是美国MICROCHIP的通用MCU.其模块集成度较低，很多功能需通过外围电路来实现。东芝公司TMP80PH40属于变频专用芯片，相对于通用的MCU，具有特有的PMD（Programmable Motor Driver）模块，功能强大，大幅度简化了外围电路，开发相对简单。

　　介绍了一套用TMP80PH40单片机作为控制核心的压缩机直流变频控制系统，探讨了系统结构、硬件和软件的设计。通过实验验证，它完全可以应用到小功率变频节能领域中。

　　1基本原理系统采用三相全控接法，其原理框图如所示。由6只功率MOSFET组成三相全控桥，其中3只上管共漏极，3只下管共源极。

　　在任一时刻，只有不同桥臂上的1只上管和1只下管导通，压缩机定子绕组中对应这两只桥臂的两项绕组通电，另一绕组不通电，通电部分构成闭合回路。定子绕组产生的磁场与转子磁场相互垂直时，产生的力矩*大。当转子磁场转到2个定子之间的位置时，产生的力矩*小，定子绕组上的感应电动势也*小。系统通过检测回路检测到这一时刻，按一定的相序关断一个桥臂，触发另一个桥臂，使定子磁场切换到能继续驱动转子旋转下去的位置，即可实现压缩机的驱动。

　　无刷直流电机的运行是通过逆变器功率器件随转子的不同位置相应地改变其不同的触发组合状态来实现的，因此准确检测转子的位置并根据转子位置准时切换功率器件的触发组合状态是控制直流无刷电机正常运行的关键。反电势法检测转子位置，是通过检测定子绕组的未导通相的感应电势，来间接得到转子位置信号。定子绕组的感应电势通过检测定子端电压，间接获得反电势。

　　无刷直流电机在静止及低速运行时难以正确测到反电势，三段式启动技术能解决电机静止启动和同步切换的问题。

　　三段式启动技术即按他控式同步电动机的运行状态从静止开始加速，直至转速足够大，再切换至无刷直流电动机运行方式，包括转子定位、加速和切换3个阶段。定位时，电机静止时把逆变器某两相导通，并控制电流，通电一定时间后，转子到达该导通相对应的预知位置，完成转子定位。加速时，转子已到初始位置后，根据电机转向，触发逆变器的两个功率器件，使两相转子导通，电机正向旋转，逐渐增大触发信号频率，电机在不失步的前提下转子速度也逐渐提高。切换时，必须满足两个条件：**、根据检测到的反电动势所确定的功率器件角发信号的时序必须与已确定的逻辑导通时序相对应；第二、逐渐减小外施电压，使转速平衡，进行切换。

　　系统通过将定子绕组上的电势与给定的基准电压比较，给出相位信号，TMP88PH40通过PMD功能模块判断转子的位置，根据位置信号产生PWM输出波形，实现压缩机定子绕组的准确换相和调速。

　　2系统实现系统包含硬件部分和软件设计部分，系统硬件实现整个系统的信号的产生回路和压缩机驱动实现，系统软件处理信号，根据特定的算法给出控制触发信号，并产生驱动所需的正弦波。

　　2. 1系统硬件系统的硬件包括信号控制回路和压缩机驱动回路2大部分。

　　系统信号控制回路采用数字模拟混合式结构。数字部分由单片机TMP88PH40以及相应接口电路组成，主要完成换相时刻捕获，换相触发脉冲给定，转速调节，温度检测信号处理，保护信号给定等一系列功能；模拟部分包括压缩机定子输入端的电动势比较回路、温度检测回路、故障保护回路等外围电路。

　　2. 1. 1 TMP88PH40 TMP88PH40是基于TLCS- 870/ X系列CPU核的高速、高集成度的8位微控制器。指令执行时间*小为0 2 us.

　　TMP88PH40具有19个中断源（1个外部中断源，18个内部中断源）。19个输入/输出端口，其中14个端口的输出电流达20 mA，可直接驱动LED.具有1路16位16位计时/计数器（TC1）和2路8位计时/计数器（TC3、TC4）。4路10位模数转换器（A/ D converter）。

　　如所示，TMP88PH40相对于通用MCU，具有1路特有的PMD（Programmable motor driver）。该功能模块可产生驱动正弦波（基于RAM的正弦波数据），实现电机位置功能，具有电机控制的计数器和捕获触发信号功能，实现过载保护，全自动实现通信和位置检测。

　　2. 1. 2换相检测实现该回路将电机定子绕组输入端的3路信号处理后分别接到3个运算放大器的输入端，与一定的电压（0 5 V M）比较，以获得电位差的过零信号，再将此信号输入到MCU的P40 P42口（即引脚15 17），根据特定的算法，确定压缩机的换相时刻。

　　压缩机转子位置检测通过检测转子的过零点（zero cross）来实现，如所示。绕组三相对应于U相、W相、V相。系统的V M = 12 V.

　　2. 1. 3故障检测比较回路如所示，该回路产生故障保护信号，PH40根据此信号切断场效应管的触发回路，关断MOSFET.保护电路通过将回路电压与设定的电压进行比较，通过LM358比较器，产生故障保护信号。一旦输出为高电平有效，则PH40则封锁6个输出通道，实现在过流情况下，通过封锁驱动输出信号达到保护回路的目的。

　　2. 1. 4功率MOSFET驱动电路驱动芯片采用压栅极驱动器IR2103.采用此芯片电路基于自举驱动方法，驱动延时为ns级，直接驱动功率MOSTFET.

　　实现整个系统数字、模拟各部分的电压输入以及压缩机的驱动、调速、过流、过压保护等功能。其驱动回路如所示。高压侧的功率MOSFET的栅电容由自举电容提供，自举电容C在器件断态时通过自举二极管SF104被12 V充电。该电容在为悬浮驱动器提供全部能量后，维持足够的电荷，以避免关闭，防止欠压自锁。自举二级管SF1O4属于超快恢复二级管。当高压测导通时，SF104承受主电路的高电压，减小在高压侧功率MOSFET导通时刻，电容C反馈进主电路电源的电荷数量。

　　W为输出相，驱动电机。

　　2. 2系统软件系统软件由主控程序、压缩机控制模块等部分组成。主控程序实现各端口初始化，通信命令处理，压缩机转速处理，各模块、中断子程序调用，保护信号处理，压缩机控制命令给定等一系列功能。

　　压缩机控制模块由压缩控制子程序、换相时刻捕获、压缩机运行状态判别和触发脉冲发生等模块组成，完成压缩机的启动、调速、运行、停机等任务。其流程图如所示。

　　在程序中，主函数有PMD2G Init、PMD2G Stop、PMD2G Start.笔者将电机运行过程分为7个状态，对应相应的7个阶段：Stop state、Standby state、Standby off state、Positioning state、Forced state、Running state、Break state.电机运行状态之间的切换通过PMD2G 10ms函数实现。PMD2G T10ms是一个内部计时器中断程序，负责电机在各状态间的转换。在PMD2G T10ms中断程序中，standbyoff state实现电机启动。当电机转子运行达到一定速度，进入中断INTTMR3，forced state启动位置检测功能，并设置电机进入正常运行调速状态，然后转入中断INTPDC，running state实现电机由位置检测信号控制的正常运行。

　　电机能否正常工作，主要取决于电机能否实现7个状态的转换。Forced state和Running state是这个7个状态中尤其重要的两个状态。在PMD2G PDC函数实现Forced state与Running state之转换。从Forced state转换到Running state通过检验位置检测的次数是否符合设定值来实现。电机正常运行时，从Running state进入Forced state，再从Forced state进入到Running state，如此反复循环。

　　3实验结果根据该方案制成一套直流变频控制模块。模块供电为12 V直流。电机为车载空调直流无刷压缩机，转速范围为2 000 3 500 r/ min.电机处于空载状态。示波器型号为TDS1002.电机三相输入为梯形波，调速通过改变其占空比来实现，为观察到占空比的变化，调整示波器的采样频率，采集了一个周期的局部波形，实验效果如所示。从中看出，所测相电压幅值为48 V，随着电机PWM波的占空比的增大，占空比由60%增大为80%，电机转速随之上升，电机电枢的反电动势随之变化，调速效果明显。

　　4结束语TMP88PH40的输入/输出口较多，因此扩充诸如温度检测、保护回路等外围电路及方法非常方便，系统的可扩展性好。而其特有PMD功能模块让变频控制系统的开发更加简单。基于TMP88PH40单片机的变频控制模块，实现了功率MOSFET触发脉冲的产生、调速运行等功能集中于单片机内部完成。整个系统稳定、可靠。