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無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的高速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
2015/7/9 14:45:33
摘　要：先容了利用無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)控制器TDA5142T結(jié)合電機(jī)專用功率逆變橋MP6403在無(wú)位置傳感器BLDCM調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，它是電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的一種新的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可靠地實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷直流電機(jī)的起動(dòng)和速度控制。
關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機(jī)；無(wú)位置傳感器；驅(qū)動(dòng)；速度控制 

1　引 言

無(wú)刷直流電機(jī)（BLDCM）是當(dāng)前工農(nóng)業(yè)上應(yīng)用最為廣泛的電機(jī)之一，它具有體積小、重量輕、無(wú)換相火花、易于調(diào)速控制等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電機(jī)大都以霍爾元件作為位置傳感器，并與電機(jī)的定子繞組內(nèi)嵌在一起，這使系統(tǒng)的維護(hù)和制造都很不方便，加上霍爾元件的溫度特性不好，且具有一定程度的磁不敏感區(qū)，因此，對(duì)于環(huán)境要求較苛刻的場(chǎng)所，大都采用無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)。

TDA5142T是Philips公司生產(chǎn)的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)專用控制芯片，該芯片內(nèi)含起動(dòng)電路，全波換相電路和保護(hù)電路，可方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)的起動(dòng)和控制。MP6403是東芝公司生產(chǎn)的一種高功率逆變橋模塊，專用于三相電機(jī)和雙極脈沖電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，最大的額定漏極電流ID＝±5A［1］。MP6403與TDA5142T兩者的結(jié)合可大大簡(jiǎn)化無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)起動(dòng)和控制。

本文將先容一種適用于產(chǎn)業(yè)控制中的無(wú)位置傳感器BLDCM調(diào)速系統(tǒng)，并著重先容了TDA5142T的換相技術(shù)、起動(dòng)技術(shù)和速度控制技術(shù)。 

2　無(wú)位置傳感器BLDCM專用芯片TDA5142T的調(diào)速原理

TDA5142T是一種用于驅(qū)動(dòng)三相全波無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的雙極型集成電路，采用24腳雙列表面SOL封裝［2］。TDA5142T主要由起動(dòng)振蕩器、3個(gè)反電動(dòng)勢(shì)比較器、自適應(yīng)換相時(shí)延電路、獨(dú)立運(yùn)算放大器（OTA）和換相邏輯電路組成。

起動(dòng)振蕩器可方便地解決無(wú)位置傳感器BLDCM的起動(dòng)題目；3個(gè)反電動(dòng)勢(shì)比較器和自適應(yīng)換相時(shí)延電路主要用于獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子的精確的位置信號(hào)；位置信號(hào)送給換相邏輯電路以后，被轉(zhuǎn)換成6路驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)，3路上側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)（OUT－PA，OUT－PB，OUT－PC）和3路下側(cè)輸出信號(hào)（OUT－NA，OUT－NB，OUT－NC）。這6路信號(hào)均具有0．2A的驅(qū)動(dòng)電流，可直接帶動(dòng)外接功率MOSFET或雙極晶體管，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

TDA5142T的調(diào)速主要由OTA和外搭的放大電路實(shí)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)電位計(jì)R9，改變MOSFET的電源電壓VMOT，進(jìn)而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，圖1為系統(tǒng)工作原理圖。

2．1　換相技術(shù)

換相是通過改變定子繞組電流方向，使得轉(zhuǎn)子一直朝某一固定的方向運(yùn)轉(zhuǎn)（順時(shí)針或逆時(shí)針），TDA5142T的換相時(shí)刻主要通過3個(gè)反電動(dòng)勢(shì)比較器檢測(cè)三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)來實(shí)現(xiàn)。在任一周期，3個(gè)繞組中必有2個(gè)繞組分別處于高壓（H）態(tài)或低壓（L）態(tài)，只有1個(gè)繞組處于高阻（F）態(tài)，F(xiàn)態(tài)的反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)既可提供電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息FG，又可控制繞組的換相。理論上，換相時(shí)刻與F態(tài)的過零點(diǎn)時(shí)刻相差30°電角度；實(shí)際上，正確的換相時(shí)刻還得由自適應(yīng)換相時(shí)延電路電容CAP－CD、CAP－DC進(jìn)行修正，2個(gè)電容的值決定了電機(jī)的最佳換相時(shí)刻。在任一換相周期CAP－CD電容先被充電，后被放電，電壓范圍為（0．9V，2．7V），充電電流為Ic＝8．1μA，放電電流為If＝16．2μA；電容CAP－DC則用于重復(fù)CAP－CD的充放電過程，只是Ic＝If＝15．5μA。圖2為電機(jī)繞組波形圖，實(shí)驗(yàn)中CAP－CD電容值可以即是CAP－DC電容值，此值決定了電機(jī)的換相頻率，即電機(jī)的轉(zhuǎn)速，下式為其與換相頻率的關(guān)系。

2．2　起動(dòng)技術(shù)

無(wú)位置傳感器BLDCM在靜止及低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)為零或近似為零，H、L、F態(tài)三者無(wú)法通過檢測(cè)區(qū)別，假如通過外搭電路實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平滑起動(dòng)、電流換向和速度檢測(cè)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)將十分繁瑣，即使設(shè)計(jì)成功，系統(tǒng)的效率也很難得到保證。采用TDA5142T芯片，則可大大簡(jiǎn)化上述設(shè)計(jì)題目，只需選定一個(gè)起動(dòng)電容CAP－ST即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平滑起動(dòng)，而且系統(tǒng)響應(yīng)速度快、起動(dòng)電流小。

TDA5142T主要采用起動(dòng)振蕩器換相脈沖的激勵(lì)方法進(jìn)行起動(dòng)，振蕩器只在電機(jī)剛起動(dòng)時(shí)工作，一旦反電動(dòng)勢(shì)足夠大，振蕩器立即停止工作，電機(jī)起動(dòng)完成。剛起動(dòng)時(shí)，從振蕩器產(chǎn)生的每個(gè)脈沖都引起TDA5142T的6個(gè)輸出腳從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，從而激勵(lì)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。假如反電動(dòng)勢(shì)不夠大，電動(dòng)機(jī)將再轉(zhuǎn)一步，并在新的位置下振蕩［3］。為防止脈沖在錯(cuò)誤的振蕩相位到達(dá)，振蕩幅值必須在下個(gè)脈沖到達(dá)之前有足夠大的衰減。電機(jī)起動(dòng)振蕩頻率f和起動(dòng)電容的選取如下：

式中kt——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)
I——電流
P——電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)
J——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

假如電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不知道，可以按以下方法選定起動(dòng)電容：

（1）先使CAP－ST＝1μF，假如電機(jī)轉(zhuǎn)子不動(dòng)，則說明起動(dòng)電容過小，增大1/2的起動(dòng)電容值，即使CAP－ST＝2μF。
（2）假如電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)良好，減少1/2的起動(dòng)電容值，即使CAP－ST＝0．5μF。
（3）按照上述的1/2增減法，增長(zhǎng)率大或減少CAP-ST的大小，直至電機(jī)由靜止變?yōu)檗D(zhuǎn)動(dòng)或由轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)殪o止，則最后一次換電容之前的值即為最佳起動(dòng)電容值。

需留意的是，起動(dòng)電容過大，電機(jī)也能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但起動(dòng)時(shí)間將拉長(zhǎng)，起動(dòng)時(shí)效降低。

2．3　電機(jī)速度控制

TDA5142T可以通過兩種方式改變電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速：

第一種是在電壓一定下，通過改變自適應(yīng)換相時(shí)延電路電容CAP－CD、CAP－DC來改變換相頻率，進(jìn)而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，它們與速度的關(guān)系式如下：

第二種方式是利用TDA5142T內(nèi)部的獨(dú)立運(yùn)算放大器OTA進(jìn)行模擬方式或數(shù)字（PWM）方式控制，以下簡(jiǎn)稱OTA控制。

前者是在額定電壓下通過改變最佳換相時(shí)刻，而直接改變電機(jī)的換相頻率fc，進(jìn)而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速n；后者是通過改變驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)的電源電壓VMOT而實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，圖3為OTA控制電路原理圖。此電路屬典型的模擬分壓電路，所有的三極管均工作在放大狀態(tài)，R6和680Ω電阻為三極管BD436提供基極電流，對(duì)于不同的三極管，R6的取值應(yīng)不同，但最重要的是保證BD436工作在線性放大狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，TDA5142T的17腳電壓若與VMOT電壓之比為1∶5時(shí)，則說明工作正常，否則R6選取不當(dāng)。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)所采用的是三相Y型直流無(wú)刷電機(jī)，額定的直流供電電壓為14V，最大工作電流為5A，額定轉(zhuǎn)速為15000r/min，極對(duì)數(shù)為4，電樞回路電阻Rs＝0．04Ω。以下圖形是在CAP－DC＝CAP－CD＝0．01μF，CAT－ST＝0．34μF，CT1＝10nF下測(cè)得的波形。其中圖4為電機(jī)工作在14 000r／min時(shí)電機(jī)的一相繞組波形圖，從波形可知，系統(tǒng)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下工作穩(wěn)定。圖5為空載時(shí)電機(jī)的調(diào)速特性曲線，表明利用此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)工作平穩(wěn)可靠，很好地實(shí)現(xiàn)了無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)起動(dòng)和控制。

3　結(jié)　論

采用TDA5142T芯片和MP6403芯片構(gòu)成的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)單實(shí)用，在產(chǎn)業(yè)控制中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。