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通用型三相无感无刷直流电机正弦波逆变电源控制器设计方案

无刷直流电机是一类具备交、直流电机众多优点的机电一体化产品。1962年首次研制成功的有感无刷电机采用霍尔效应转子位置传感器来实现换相。随后通过电机线圈反电势和其它电气参数计算转子位置技术的发现使得无感无刷电机得到不断推广。无感无刷电机结构较为简单,随着技术的进步其换向准确度和精度不断提高,在对噪音、寿命、效率等性能要求较高的场合有着广泛应用。

由于不同类型的无刷直流电机在启动时要求的转矩、时间、转速范围等特性差异较大,这些参数可以反映在不同电机的转速/转矩(N/T)曲线上。在某些电机控制应用场合如综合作业或者研发测试平台等往往需要不同性能电机的配合,另外在某些应急备用电机驱动器研发中也需要考虑到产品兼容性。针对不同无感无刷电机需要设计相应的调速控制器的方案成本较高。本文设计了一种通用型无感无刷电机驱动器,能有效提高能源利用率,降低能耗。
硬件电路介绍

本文设计的无感无刷直流电机驱动控制器由供电单元、驱动控制单元、辅助控制单元、预驱动及正弦波逆变电源单元四部分组成,其中供电单元主要为系统各模块提供不同等级的电源电压,驱动单元用于电机驱动控制,辅助控制单元配合驱动单元实现液晶显示、闭环调速以及模式设置等功能,预驱动及正弦波逆变电源单元则用于直接驱动电机。

通用型三相无感无刷直流电机正弦波逆变电源控制器设计方案

1供电单元

供电单元电路如图1所示。工频交流电经过变压、整流、滤波后,由三端稳压芯片分别得到15V、6V和3.3V的正电源电压。此外针对其它额定电压的电机需要额外增加稳压模块以实现电压等级匹配。

2驱动控制单元

驱动控制单元电路如图2所示。选用峰岹公司的一款三相无感BLDC驱动芯片FT300。该芯片供电电压范围为6~28V,根据预驱动及正弦波逆变电源的规格可以驱动额定电压范围在36V~310V的三相无感无刷电机,具有较好的启动适应性和鲁棒性。
通用型三相无感无刷直流电机正弦波逆变电源控制器设计方案

FT300通过设置其芯片引脚DMS0~DMS6的电平(高电平标记为1,低电平标记为0)来驱动不同性能的电机,常见几种电机驱动参考模式见表1。

通用型三相无感无刷直流电机正弦波逆变电源控制器设计方案

本文将DMS0保持高电平,DMS1保持低电平,DMS2~DMS7电平由单片机相应I/O引脚控制。

除了模式设置外,FT300还具有以下功能:

PWM调速功能:电阻R1~R3、三极管Q1和电容C6构成PWM调速电路,由单片机I/O引脚发出的PWM波经过该电路输入至FT300的SREF引脚。

软启动功能:调节电位器RW1改变RPI引脚的电压即可改变电机启动电流大小,调节电位器RW2改变RSF引脚的电压即可改变电机启动时换相频率大小。

过流保护功能:当芯片FAULT引脚检测到电机的工作电流超过设定值时启动过流保护功能,关闭芯片输出并等待系统自动重启。自动重启的时间t由RSD引脚外接的分压电阻决定,具体计算公式如下:
通用型三相无感无刷直流电机正弦波逆变电源控制器设计方案

堵转保护功能:当电机被堵转后,芯片RD引脚由正常状态时的低电平变为高电平,利用R5和R6分压后的信号传输至单片机的P2.4引脚,使得单片机停止输出PWM波并等待系统自动重启。另外由于电机启动后3秒左右RD引脚会呈现高电平,因此为了避免误检测可设置在电机正常启动4秒后开始堵转检测。

过热保护功能:当芯片内部检测到温度超过150℃时,芯片自动关闭输出直至温度降低至安全值。

欠压保护功能:当芯片VDD6引脚电平低于3V时芯片关闭输出等待重启。

正反转功能:通过开关S2即可切换F/R引脚电平,从而改变电机转向。由于直接切换正反转很容易导致系统电流急剧增大,故需要先断开开关S1以关闭驱动,再实施正反转。

3辅助控制单元

辅助控制单元电路图如图3所示。其控制核心选用德州仪器低功耗单片机MSP430G2553,芯片供电电压仅为3.3V,引脚功能丰富,编程开发较为灵活。
通用型三相无感无刷直流电机正弦波逆变电源控制器设计方案

液晶芯片选用16×2字符的LCD1602,可以通过电位器RW1调节液晶屏显示对比度,将其D0~D7引脚与单片机的相关引脚相连用于显示电机工作模式、实时转速、调速指令等信息。

FT300的PWM调速信号波是由单片机内部定时器比较产生并通过P3.4引脚输出,通过按键S4、S5分别增、减PWM波的占空比来实现调速。另外将FT300芯片FG引脚的电机反电势频率通过光耦合器TLP521传输至单片机P2.3引脚可以实现闭环调速。

此外单片机还可以设置FT300的驱动模式,选用两块单电源四通道运放芯片LM324构成电压比较器,将LM324电源电压设置为6V,通过R10和R11分压得到其反相端参考电平Vref=1.65V,单片机的I/O引脚连接至芯片同相端即可解决MSP430G2553与FT300数字信号电平匹配问题。

4预驱动及正弦波逆变电源单元

预驱动及正弦波逆变电源单元电路如图4所示。正弦波逆变电源的6个功率开关管[5]采用N型MOS管IRFP450,功率管驱动器选用双通道高速芯片IR2101,其栅极驱动电压范围为10V~20V,通过自举电容可使高压侧通道的输入信号电平高达600V。在MOS管栅极加入100Ω的电阻用来防止信号振荡。

通用型三相无感无刷直流电机正弦波逆变电源控制器设计方案

将电机电磁线圈U、V、W中的三路反电势信号分别经过固定比例降压、低通滤波后输送至FT300的反电势检测引脚EMF-U、EMF-V、EMF-W来获取转子位置信息,用于位置环控制以及转速反馈[7]。

正弦波逆变电源外围保护电路由电阻R20、R21,电容C17和三极管Q2构成,可通过改变电阻R20来调整电机允许电流范围,本文R20取0.33Ω的1%金属碳膜电阻。
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