一種通用型三相無感無刷直流電機(jī)控制器設(shè)計

      FT300通過設(shè)置其芯片引腳DMS0~DMS6的電平(高電平標(biāo)記為1，低電平標(biāo)記為0)來驅(qū)動不同性能的電機(jī)，常見幾種電機(jī)驅(qū)動參考模式見表1。

　　本文將DMS0保持高電平，DMS1保持低電平，DMS2~DMS7電平由單片機(jī)相應(yīng)I/O引腳控制。

　　除了模式設(shè)置外，F(xiàn)T300還具有以下功能：

　　PWM調(diào)速功能：電阻R1~R3、三極管Q1和電容C6構(gòu)成PWM調(diào)速電路，由單片機(jī)I/O引腳發(fā)出的PWM波經(jīng)過該電路輸入至FT300的SREF引腳。

　　軟啟動功能：調(diào)節(jié)電位器RW1改變RPI引腳的電壓即可改變電機(jī)啟動電流大小，調(diào)節(jié)電位器RW2改變RSF引腳的電壓即可改變電機(jī)啟動時換相頻率大小。

　　過流保護(hù)功能：當(dāng)芯片F(xiàn)AULT引腳檢測到電機(jī)的工作電流超過設(shè)定值時啟動過流保護(hù)功能，關(guān)閉芯片輸出并等待系統(tǒng)自動重啟。自動重啟的時間t由RSD引腳外接的分壓電阻決定，具體計算公式如下：

　　堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能：當(dāng)電機(jī)被堵轉(zhuǎn)后，芯片RD引腳由正常狀態(tài)時的低電平變?yōu)楦唠娖?，利用R5和R6分壓后的信號傳輸至單片機(jī)的P2.4引腳，使得單片機(jī)停止輸出PWM波并等待系統(tǒng)自動重啟。另外由于電機(jī)啟動后3秒左右RD引腳會呈現(xiàn)高電平，因此為了避免誤檢測可設(shè)置在電機(jī)正常啟動4秒后開始堵轉(zhuǎn)檢測。

　　過熱保護(hù)功能：當(dāng)芯片內(nèi)部檢測到溫度超過150℃時，芯片自動關(guān)閉輸出直至溫度降低至安全值。

　　欠壓保護(hù)功能：當(dāng)芯片VDD6引腳電平低于3V時芯片關(guān)閉輸出等待重啟。

　　正反轉(zhuǎn)功能：通過開關(guān)S2即可切換F/R引腳電平，從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)向。由于直接切換正反轉(zhuǎn)很容易導(dǎo)致系統(tǒng)電流急劇增大，故需要先斷開開關(guān)S1以關(guān)閉驅(qū)動，再實施正反轉(zhuǎn)。

　　1.3 輔助控制單元電路設(shè)計

　　輔助控制單元電路圖如圖3所示。其控制核心選用德州儀器低功耗單片機(jī)MSP430G2553，芯片供電電壓僅為3.3V，引腳功能豐富，編程開發(fā)較為靈活^[4]。

　　液晶芯片選用16×2字符的LCD1602，可以通過電位器RW1調(diào)節(jié)液晶屏顯示對比度，將其D0~D7引腳與單片機(jī)的相關(guān)引腳相連用于顯示電機(jī)工作模式、實時轉(zhuǎn)速、調(diào)速指令等信息。

　　FT300的PWM調(diào)速信號波是由單片機(jī)內(nèi)部定時器比較產(chǎn)生并通過P3.4引腳輸出，通過按鍵S4、S5分別增、減PWM波的占空比來實現(xiàn)調(diào)速。另外將FT300芯片F(xiàn)G引腳的電機(jī)反電勢頻率通過光耦合器TLP521傳輸至單片機(jī)P2.3引腳可以實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)速。

　　此外單片機(jī)還可以設(shè)置FT300的驅(qū)動模式，選用兩塊單電源四通道運放芯片LM324構(gòu)成電壓比較器，將LM324電源電壓設(shè)置為6V，通過R10和R11分壓得到其反相端參考電平Vref=1.65V，單片機(jī)的I/O引腳連接至芯片同相端即可解決MSP430G2553與FT300數(shù)字信號電平匹配問題。

　　1.4 預(yù)驅(qū)動及逆變器單元電路設(shè)計

　　預(yù)驅(qū)動及逆變器單元電路如圖4所示。逆變器的6個功率開關(guān)管^[5]采用N型MOS管IRFP450，功率管驅(qū)動器選用雙通道高速芯片IR2101，其柵極驅(qū)動電壓范圍為10V~20V，通過自舉電容可使高壓側(cè)通道的輸入信號電平高達(dá)600V。在MOS管柵極加入100Ω的電阻用來防止信號振蕩。

　　將電機(jī)電磁線圈U、V、W中的三路反電勢信號分別經(jīng)過固定比例降壓、低通濾波后輸送至FT300的反電勢檢測引腳EMF-U、EMF-V、EMF-W來獲取轉(zhuǎn)子位置信息^[6]，用于位置環(huán)控制以及轉(zhuǎn)速反饋^[7]。

　　逆變器外圍保護(hù)電路由電阻R20、R21，電容C17和三極管Q2構(gòu)成，可通過改變電阻R20來調(diào)整電機(jī)允許電流范圍，本文R20取0.33Ω的1%金屬碳膜電阻。

　　3 實驗數(shù)據(jù)

　　本文選用無刷直流電機(jī)57BL115S18-230TF9作為實驗對象，該電機(jī)具體參數(shù)見表2。

　　設(shè)置了兩種方案進(jìn)行性能對比測試。其中方案1設(shè)置FT300的DMS0~DMS6的電平狀態(tài)為1001110，即設(shè)置電機(jī)驅(qū)動模式為各類風(fēng)扇、風(fēng)機(jī)驅(qū)動，方案2將FT300的DMS2~DMS7均置低電平，即不考慮電機(jī)驅(qū)動參考模式。通過按鍵S4、S5分別執(zhí)行加、減速操作，采用測量精度為0.05%的光電型非接觸式轉(zhuǎn)速表進(jìn)行實時測速，同時將實驗裝置的電源插頭連接功率精度為2%的電力計量插座進(jìn)行功率檢測，得到的實驗數(shù)據(jù)見表3。

　　由表3可知，在同樣的操作標(biāo)準(zhǔn)下，方案1由于設(shè)置了電機(jī)驅(qū)動模式，其綜合損耗較方案2少，由此表明芯片F(xiàn)T300的電機(jī)模式匹配設(shè)置在節(jié)能降耗方面具有明顯優(yōu)勢。

　　4 結(jié)論

　　該通用型三相無感無刷直流電機(jī)控制器可以根據(jù)電機(jī)性能需求設(shè)置不同驅(qū)動模式，匹配電機(jī)功率輸出可高達(dá)上千瓦。在提高系統(tǒng)效率和減少損耗方面效果顯著，符合國家倡導(dǎo)節(jié)能及環(huán)保的要求。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]徐敬成,凌云,陳海東,等.無刷直流電機(jī)遠(yuǎn)程調(diào)速控制方法[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2017,31(1):52-55.

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　　[4]MSP430G2553數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].https://wenku.baidu.com/view/dfb29fac284ac850ad024287.html

　　[5]BrianChu.簡化三相BLDC電機(jī)控制和驅(qū)動系統(tǒng)的策略[J].電子產(chǎn)品世界,2014,21(09):14-15.

　　[6]鄧少華,孫琦,高強(qiáng),王鐵流.采用STM8S的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子產(chǎn)品世界,2013,20(01):49-50+56.

　　[7]徐敬成,凌云,侯文浩,等.一種帶微分負(fù)反饋的無刷直流電機(jī)模糊優(yōu)化PI控制方法[J].新型工業(yè)化,2018,8(6):1-6.

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第1期第31頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處