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無位置傳感器無刷直流電動機的高速驅(qū)動系統(tǒng)
2015/7/9 14:45:33
摘　要：先容了利用無位置傳感器無刷直流電機控制器TDA5142T結合電機專用功率逆變橋MP6403在無位置傳感器BLDCM調(diào)速系統(tǒng)中的應用，它是電機驅(qū)動控制的一種新的方法。實驗結果表明，該方法可靠地實現(xiàn)了無刷直流電機的起動和速度控制。
關鍵詞：無刷直流電機；無位置傳感器；驅(qū)動；速度控制 

1　引 言

無刷直流電機（BLDCM）是當前工農(nóng)業(yè)上應用最為廣泛的電機之一，它具有體積小、重量輕、無換相火花、易于調(diào)速控制等優(yōu)點。傳統(tǒng)的無刷直流電機大都以霍爾元件作為位置傳感器，并與電機的定子繞組內(nèi)嵌在一起，這使系統(tǒng)的維護和制造都很不方便，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，對于環(huán)境要求較苛刻的場所，大都采用無位置傳感器無刷直流電機。

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

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

2　無位置傳感器BLDCM專用芯片TDA5142T的調(diào)速原理

TDA5142T是一種用于驅(qū)動三相全波無位置傳感器無刷直流電動機的雙極型集成電路，采用24腳雙列表面SOL封裝［2］。TDA5142T主要由起動振蕩器、3個反電動勢比較器、自適應換相時延電路、獨立運算放大器（OTA）和換相邏輯電路組成。

起動振蕩器可方便地解決無位置傳感器BLDCM的起動題目；3個反電動勢比較器和自適應換相時延電路主要用于獲取電機轉(zhuǎn)子的精確的位置信號；位置信號送給換相邏輯電路以后，被轉(zhuǎn)換成6路驅(qū)動輸出信號，3路上側驅(qū)動輸出信號（OUT－PA，OUT－PB，OUT－PC）和3路下側輸出信號（OUT－NA，OUT－NB，OUT－NC）。這6路信號均具有0．2A的驅(qū)動電流，可直接帶動外接功率MOSFET或雙極晶體管，驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。

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

2．1　換相技術

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轉(zhuǎn)（順時針或逆時針），TDA5142T的換相時刻主要通過3個反電動勢比較器檢測三相繞組的反電動勢來實現(xiàn)。在任一周期，3個繞組中必有2個繞組分別處于高壓（H）態(tài)或低壓（L）態(tài)，只有1個繞組處于高阻（F）態(tài)，F(xiàn)態(tài)的反電動勢過零點既可提供電機的轉(zhuǎn)速信息FG，又可控制繞組的換相。理論上，換相時刻與F態(tài)的過零點時刻相差30°電角度；實際上，正確的換相時刻還得由自適應換相時延電路電容CAP－CD、CAP－DC進行修正，2個電容的值決定了電機的最佳換相時刻。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CAP－CD的充放電過程，只是Ic＝If＝15．5μA。圖2為電機繞組波形圖，實驗中CAP－CD電容值可以即是CAP－DC電容值，此值決定了電機的換相頻率，即電機的轉(zhuǎn)速，下式為其與換相頻率的關系。

2．2　起動技術

無位置傳感器BLDCM在靜止及低速轉(zhuǎn)動時，反電動勢為零或近似為零，H、L、F態(tài)三者無法通過檢測區(qū)別，假如通過外搭電路實現(xiàn)電機的平滑起動、電流換向和速度檢測，系統(tǒng)設計將十分繁瑣，即使設計成功，系統(tǒng)的效率也很難得到保證。采用TDA5142T芯片，則可大大簡化上述設計題目，只需選定一個起動電容CAP－ST即可實現(xiàn)電機的平滑起動，而且系統(tǒng)響應速度快、起動電流小。

TDA5142T主要采用起動振蕩器換相脈沖的激勵方法進行起動，振蕩器只在電機剛起動時工作，一旦反電動勢足夠大，振蕩器立即停止工作，電機起動完成。剛起動時，從振蕩器產(chǎn)生的每個脈沖都引起TDA5142T的6個輸出腳從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，從而激勵電機運轉(zhuǎn)。假如反電動勢不夠大，電動機將再轉(zhuǎn)一步，并在新的位置下振蕩［3］。為防止脈沖在錯誤的振蕩相位到達，振蕩幅值必須在下個脈沖到達之前有足夠大的衰減。電機起動振蕩頻率f和起動電容的選取如下：

式中kt——電動機轉(zhuǎn)矩常數(shù)
I——電流
P——電動機極對數(shù)
J——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量

假如電動機轉(zhuǎn)矩常數(shù)和轉(zhuǎn)動慣量不知道，可以按以下方法選定起動電容：

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

需留意的是，起動電容過大，電機也能正常運轉(zhuǎn)，但起動時間將拉長，起動時效降低。

2．3　電機速度控制

TDA5142T可以通過兩種方式改變電機的工作轉(zhuǎn)速：

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

第二種方式是利用TDA5142T內(nèi)部的獨立運算放大器OTA進行模擬方式或數(shù)字（PWM）方式控制，以下簡稱OTA控制。

前者是在額定電壓下通過改變最佳換相時刻，而直接改變電機的換相頻率fc，進而改變電機的轉(zhuǎn)速n；后者是通過改變驅(qū)動輸出級的電源電壓VMOT而實現(xiàn)無級調(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，對于不同的三極管，R6的取值應不同，但最重要的是保證BD436工作在線性放大狀態(tài)。實驗時，TDA5142T的17腳電壓若與VMOT電壓之比為1∶5時，則說明工作正常，否則R6選取不當。

2.4 實驗結果

本實驗所采用的是三相Y型直流無刷電機，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下測得的波形。其中圖4為電機工作在14 000r／min時電機的一相繞組波形圖，從波形可知，系統(tǒng)在高速運轉(zhuǎn)的情況下工作穩(wěn)定。圖5為空載時電機的調(diào)速特性曲線，表明利用此驅(qū)動系統(tǒng)較好地實現(xiàn)了電機的驅(qū)動與控制。實驗結果表明，系統(tǒng)工作平穩(wěn)可靠，很好地實現(xiàn)了無位置傳感器無刷直流電機起動和控制。

3　結　論

采用TDA5142T芯片和MP6403芯片構成的無位置傳感器無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)簡單實用，在產(chǎn)業(yè)控制中具有廣泛的應用價值。