|
唐燦偉 王慶文 謝寶昌 陳亞珠(上海交通大學(xué)200030)
摘 要 通過(guò)對(duì)ML4428的介紹，分析了反電勢(shì)感應(yīng)技術(shù)在無(wú)刷直流電機(jī)中的應(yīng)用，并給出了其中一些重要參數(shù)的計(jì)算方法。
敘 詞 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制反電勢(shì)檢測(cè)電路
1 引 言
近20年，采用電子換相原理工作的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDC motor)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)BLDC中轉(zhuǎn)子位置傳感器使電機(jī)的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，而且在一些小尺寸BLDC中，傳感器的放置成了設(shè)計(jì)中的一個(gè)難題。因此，一種稱為無(wú)轉(zhuǎn)子位置傳感器控制的技術(shù)得到越來(lái)越多的應(yīng)用。它利用反電勢(shì)檢測(cè)電路來(lái)取代傳感器，以提高電路和控制的復(fù)雜性來(lái)降低電機(jī)的復(fù)雜性[1]。許多****半導(dǎo)體廠商開發(fā)出了基于此技術(shù)的專用IC。本文以Micro Linear公司的ML4428為例，介紹無(wú)轉(zhuǎn)子傳置傳感器在無(wú)刷直流電機(jī)控制中的應(yīng)用。
ML4428為28腳雙列直插式結(jié)構(gòu)。它由以下6大功能模塊組成：
(1) 反電勢(shì)采樣器和VCO構(gòu)成的反電勢(shì)檢測(cè)模塊。
(2) 啟動(dòng)和換流邏輯模塊。
(3) MOS管功率驅(qū)動(dòng)模塊。
(4) PWM速度控制模塊。
(5) PWM電流控制模塊。
(6) 電源故障檢測(cè)模塊。
ML4428提供了在啟動(dòng)和控制“△”接法或“Y”接法無(wú)刷直流電機(jī)時(shí)，所要用到的所有功能，包括PWM方式的速度控制、制動(dòng)和電源故障檢測(cè)等功能。ML4428保證在任何運(yùn)行狀態(tài)下，場(chǎng)效應(yīng)管不會(huì)上下直接導(dǎo)通而擊穿，而且可以通過(guò)采用緩沖三極管或標(biāo)準(zhǔn)高端驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)高壓(>12V)電機(jī)。ML4428還用到了一種快速啟動(dòng)(Smart-StartTM)技術(shù)。它通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行采樣，根據(jù)采樣信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使電機(jī)一直加速到額定轉(zhuǎn)速。這樣不僅能保證在啟動(dòng)時(shí)電機(jī)不會(huì)反轉(zhuǎn)，而旦還能縮短啟動(dòng)時(shí)間。
2反電勢(shì)檢測(cè)和換流器
當(dāng)永磁無(wú)刷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，各相繞組的反電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子位置密切相關(guān)。由于各相繞組是交替導(dǎo)通工作的，在某相繞組不導(dǎo)通的時(shí)刻，其反電勢(shì)波形的某些特殊點(diǎn)，可代替轉(zhuǎn)子位置傳感器的功能，得到需要的換相信息。
圖2給出了反電勢(shì)感應(yīng)電路的原理。中點(diǎn)仿真器輸出三相的中點(diǎn)電位，多路復(fù)用器根據(jù)換向邏輯選擇輸出未通電相（檢測(cè)相）的感應(yīng)電勢(shì)輸入(PHI)，經(jīng)符號(hào)轉(zhuǎn)換器就得到了檢測(cè)相的感應(yīng)電勢(shì)值。
中點(diǎn)仿真器、多路復(fù)用器、互導(dǎo)放大器和符號(hào)轉(zhuǎn)換器相當(dāng)于一個(gè)相位探測(cè)器，它與環(huán)路濾波器以及壓控震蕩器(VC0)，構(gòu)成了反電勢(shì)鎖相環(huán)。鎖相環(huán)把VCO鎖定于電機(jī)的反電勢(shì)，VCO準(zhǔn)確地輸出電機(jī)的換流頻率。運(yùn)用鎖相環(huán)技術(shù)，通過(guò)測(cè)定電機(jī)繞組的感應(yīng)反電勢(shì)來(lái)確定正確的換相次序。只要電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)自感系數(shù)的波動(dòng)>百分之30，而且電機(jī)對(duì)PWM噪聲的反應(yīng)不敏感，就可以運(yùn)用這種反電勢(shì)感應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)三相電機(jī)的正確換流。
在反電勢(shì)檢測(cè)電路中，通過(guò)對(duì)不通電相的采樣來(lái)決定是增大還是減小換流頻率。如換流過(guò)慢，誤羞放大器將對(duì)RCvco上的濾波器RC充電；而當(dāng)換流過(guò)慢時(shí)，就會(huì)增大對(duì)VCO的輸入，使VCO的輸出頻率升高，從而加快換流，其中RCvco被用做模擬速度控制環(huán)的速度反饋電壓。
反電勢(shì)采樣輸入PHI對(duì)GND的輸入電阻大約都為8. 7kΩ在驅(qū)動(dòng)高壓電機(jī)時(shí)，PHI輸入必須與電阻串聯(lián)，以保證任何PHI輸入的****電壓不會(huì)超過(guò)3 VΩ和相位檢測(cè)器參數(shù)的計(jì)算[3]
VCO的設(shè)定必須保證，在****頻率下運(yùn)行時(shí)，VCO的控制電壓不會(huì)超過(guò)yREF，即****頻率為：
式中Ⅳ為電機(jī)極數(shù)，RPMMAX為電機(jī)每分鐘****轉(zhuǎn)數(shù)。VCO增益的最小值為：
圖3給出了帶相位檢測(cè)器的鎖相環(huán)的線性傳遞參數(shù)。相位檢測(cè)器的增益為：
簡(jiǎn)化后，環(huán)路濾波器的阻抗為：
若要求環(huán)路在20個(gè)鎖相環(huán)循環(huán)后停下來(lái)，則要滿足
在RCvco引腳對(duì)地接一個(gè)80kΩ電阻，可使電機(jī)由檢測(cè)狀態(tài)向閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)平滑轉(zhuǎn)換。
4 電機(jī)的啟動(dòng)和速度控制
當(dāng)電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，它不產(chǎn)生反電勢(shì)。因?yàn)殚]環(huán)換流中要用到反電勢(shì)信號(hào)，所以電機(jī)必須以其他方式啟動(dòng)，直到有足夠大的反電勢(shì)產(chǎn)生。當(dāng)RCvco端電壓超過(guò)0.6V，電機(jī)就進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。這時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速大約為反電勢(shì)感應(yīng)技術(shù)在無(wú)刷直流電機(jī)控制中的應(yīng)用的百分之8，已能產(chǎn)生足夠大的反電勢(shì)啟動(dòng)閉環(huán)運(yùn)行。
只要RCvco上的電壓低于VSPEED上電壓時(shí)，電機(jī)就保持在加速狀態(tài)。在這段時(shí)間內(nèi)，除了受/LIMIT限制外，電機(jī)將得到****電壓的N坑道驅(qū)動(dòng)。當(dāng)RCvco電壓達(dá)到y(tǒng)SPEED電壓時(shí)，電容Cisc將充電，并通過(guò)設(shè)定一個(gè)25kHz的PWM鋸齒波的比較基準(zhǔn)對(duì)N坑道門進(jìn)行控制。速度環(huán)的補(bǔ)償在gm =0. 23mH的互導(dǎo)放大器的輸出Csc和Clsc上完成。圖4介紹
ML4428速度控制的原理。兩個(gè)互導(dǎo)放大器的輸出，速度控制中，電流反饋分量的帶寬由Cisc設(shè)定：
濾波器的帶寬應(yīng)為RCvco引腳上位置濾波器帶寬的百多之10左右，通常在1到10的范圍內(nèi)。
5結(jié)語(yǔ)
采用ML4428，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)盤式永磁直流無(wú)刷電機(jī)的換流控制和速度控制。結(jié)果表明，采用反電勢(shì)感應(yīng)技術(shù)后，可使電機(jī)本體的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。這說(shuō)明，反電勢(shì)感應(yīng)技術(shù)在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制方面有比較大的應(yīng)用價(jià)值。
|
