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無位置傳感器無刷直流電動機的高速驅動系統

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調速系統中的應用，它是電機驅動控制的一種新的方法。實驗結果表明，該方法可靠地實現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；驅動；速度控制

1　引言

無刷直流電機（BLDCM）是當前工農業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、易于調速控制等優點。傳統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嵌在一起，這使系統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，因此，對于環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公司生產的無位置傳感器無刷直流電機專用控制芯片，該芯片內含起動電路，全波換相電路和保護電路，可方便地實現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業控制中的無位置傳感器BLDCM調速系統，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的調速原理

TDA5142T是一種用于驅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，被轉換成6路驅動輸出信號，3路上側驅動輸出信號（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的驅動電流，可直接帶動外接功率MOSFET或雙極晶體管，驅動電機運轉。

TDA5142T的調速主要由OTA和外搭的放大電路實現，通過調節電位計R9，改變MOSFET的電源電壓VMOT，進而改變電機的轉速，圖1為系統工作原理圖。

2．1　換相技術

換相是通過改變定子繞組電流方向，使得轉子一直朝某一固定的方向運轉（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。在任一周期，3個繞組中必有2個繞組分別處于高壓（H）態或低壓（L）態，只有1個繞組處于高阻（F）態，F態的反電動勢過零點既可提供電機的轉速信息FG，又可控制繞組的換相。理論上，換相時刻與F態的過零點時刻相差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在靜止及低速轉動時，反電動勢為零或近似為零，H、L、F態三者無法通過檢測區別，假如通過外搭電路實現電機的平滑起動、電流換向和速度檢測，系統設計將十分繁瑣，即使設計成功，系統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即可實現電機的平滑起動，而且系統響應速度快、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，從振蕩器產生的每個脈沖都引起TDA5142T的6個輸出腳從一種狀態轉換到另一種狀態，從而激勵電機運轉。假如反電動勢不夠大，電動機將再轉一步，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——電動機轉矩常數
I——電流
P——電動機極對數
J——轉子轉動慣量

假如電動機轉矩常數和轉動慣量不知道，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，直至電機由靜止變為轉動或由轉動變為靜止，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，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，進而改變電機的轉速，它們與速度的關系式如下：

第二種方式是利用TDA5142T內部的獨立運算放大器OTA進行模擬方式或數字（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，進而改變電機的轉速n；后者是通過改變驅動輸出級的電源電壓VMOT而實現無級調速，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，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。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，額定轉速為15000r/min，極對數為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，系統在高速運轉的情況下工作穩定。圖5為空載時電機的調速特性曲線，表明利用此驅動系統較好地實現了電機的驅動與控制。實驗結果表明，系統工作平穩可靠，很好地實現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速系統簡單實用，在產業控制中具有廣泛的應用價值。