郭麗霞

(安陽工學(xué)院電子信息與電氣工程系,安陽455000)

引 言

永磁無刷直流電機及其控制一直是電機發(fā)展的研究熱點。無刷直流電機體積小,效率高。它既具有交流電機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護(hù)方便的特點,又具備直流電機那樣良好的調(diào)速特性而無機械式換向器,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。本控制系統(tǒng)設(shè)計了以MSP430F2012單片機及TB6588FG集成驅(qū)動器為核心的硬件平臺,微處理器采集TB6588FG的速度反饋脈沖,利用數(shù)字電位器調(diào)整電壓來進(jìn)行閉環(huán)速度控制。

在無傳感器無刷直流電機的控制中,轉(zhuǎn)子位置的判斷、電機的啟動及電流的換相均由控制系統(tǒng)完成,功能十分復(fù)雜,對控制裝置的硬件與軟件設(shè)計提出了很高的要求。采用基于DSP的無傳感器無刷直流電機控制方法,借助DSP的強大的運算處理能力,完成軟件實現(xiàn)的反電動勢檢測換相和開環(huán)啟動,在電路設(shè)計上較為復(fù)雜,與閥門控制系統(tǒng)要求電路設(shè)計簡單的要求相矛盾,而且在軟件的編制上也有一定的難度。本設(shè)計采用的TB6588FG專用控制器,使系統(tǒng)控制電路十分簡單,內(nèi)部具有驅(qū)動電路,不需外配MOS管,也無需使用DSP等高端控制器芯片,只需要使用一顆普通的MSP430就能完成系統(tǒng)的控制功能。軟件上大大簡化,微處理器只需對外面的開關(guān)信號做出處理,就能實現(xiàn)電機可靠的運轉(zhuǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

在閥門控制設(shè)計中,對設(shè)計者的最大挑戰(zhàn)是如何電路設(shè)計簡單,在有限的空間里放置電子元器件。本設(shè)計中采用MSP430F2012作為系統(tǒng)的控制核心,處理電機的啟停、速度檢測、速度調(diào)節(jié),并對外面的開關(guān)量進(jìn)行處理。將有關(guān)電機的所有控制功能交給TB6588FG處理,系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

TB6588FG是為三相無傳感器無刷直流電機驅(qū)動而設(shè)計的專用控制芯片[1],通過改變模擬電壓改變PWM的占空比,來調(diào)節(jié)速度。驅(qū)動電機的電流典型值為1.5 A,峰值高達(dá)2.5 A,具有過流保護(hù)功能。供應(yīng)電壓為7～42 V。具有正反轉(zhuǎn)控制功能。具有控制星形連接的無傳感器無刷直流電機的所需要的全部功能,主要功能包括:啟動電路,反向電動勢換相控制,PWM速度控制,欠壓限流保護(hù)等。使用TB6588FG,無論從硬件上還是軟件上,減少了單片機的工作量,用體積小、價格很便宜的MSP430F2012,就可完成所有的工作。單片機主要完成電機速度脈沖檢測,然后控制算法調(diào)節(jié)數(shù)字電位器,來改變控制速度的模擬電壓,調(diào)節(jié)速度。TB6588FG具有欠壓限流功能,實現(xiàn)對電機的保護(hù)。

圖1 硬件總體框圖

2 電機控制電路設(shè)計

TB6588FG電機控制電路如圖2所示。

圖2 TB6588FG控制電路圖

3 電機啟動

電機的啟動基于VSP的模擬輸入電壓。當(dāng)此電壓大于1 V時,電機開始啟動,此時電機處于靜止?fàn)顟B(tài),電機的轉(zhuǎn)子的位置不能確定。首先通過一個激勵電壓,使電機進(jìn)入直流激活模式。當(dāng)電機轉(zhuǎn)動的時候,檢測到電機線圈的反向電動勢。然后驅(qū)動器進(jìn)入強迫通信模式,強迫通信模式的時間被外部的電容來決定。如圖3所示,a階段是DC激活時間,DC激活時間的調(diào)整公式為TFIX=0.69×C2×R1。b階段是強迫通信時間,不同的電機通過改變C1和C2電容的值可用來調(diào)整電機的啟動。

圖3 電機啟動引腳電壓變化圖

4 過電流保護(hù)電路

圖4 過流保護(hù)電路

閥門控制在實際應(yīng)用中經(jīng)常會發(fā)生電機堵轉(zhuǎn)的意外情況,電機堵轉(zhuǎn)可能會造成電源和電機的燒毀。TB6588FG的限流保護(hù)是通過內(nèi)部的比較器來實現(xiàn)的,如圖4所示。驅(qū)動器內(nèi)部具有一個比較器,負(fù)輸入端固定電壓為0.5 V,流過電機線圈的電流通過R1電阻的采樣送入驅(qū)動器內(nèi)部,通過驅(qū)動器內(nèi)部的濾波網(wǎng)絡(luò)接入比較器的正輸入端。如流過R1的電流大于設(shè)定值,則此電壓會大于0.5 V,驅(qū)動器關(guān)閉內(nèi)部驅(qū)動電路。在此電路中R2和C2是起RC濾波作用,防止PWM切換時的噪聲引起的保護(hù)誤動作。如當(dāng)R1=0.33Ω時,最大限流電流為:

5 速度檢測控制

5.1 速度檢測

TB6588FG具有速度輸出腳FG_OUT,電機沒有啟動或電機發(fā)生異常時此腳輸出為低電平。當(dāng)電機被正常啟動,此腳輸出速度信號,MSP430F2012定時器具有捕獲功能,通過捕獲速度脈沖的上下沿來算出速度,然后去調(diào)整數(shù)字電位器的阻值來調(diào)整控制速度的電壓。

5.2 速度調(diào)節(jié)電路

CAT5119具有32為節(jié)點,阻值為10 kΩ的數(shù)字電位器。通過MSP430F2012的兩個I/O口來進(jìn)行調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)方式是UP/DOWN。通過設(shè)置CAT5119可使阻值最大調(diào)整為10 kΩ,最小為100Ω,這樣控制速度的范圍為500～2500轉(zhuǎn)/min,如當(dāng)需要調(diào)整轉(zhuǎn)速為1200轉(zhuǎn)/m in時,通過動態(tài)調(diào)整數(shù)字電位器的阻值,來適應(yīng)負(fù)載的變化,使速度穩(wěn)定在設(shè)定的范圍上。模擬調(diào)壓電路如圖5所示。

圖5 調(diào)速電路

5.3 程序軟件流程

因為采用電機專用驅(qū)動芯片,所以電機的控制軟件就很簡單,主要的工作就是設(shè)置MSP430F2012的內(nèi)部定時器的工作方式。其具有兩個捕獲定時器,捕獲的觸發(fā)方式選擇上下沿捕獲,然后把兩次捕獲的定時器的數(shù)字相減,就可得出速度。如果跟設(shè)定有誤差,通過調(diào)整模擬電壓來調(diào)整速度。軟件調(diào)速的中斷服務(wù)程序流程如圖6所示[2-3]。

圖6 軟件調(diào)速中斷程序流程

結(jié) 語

針對閥門的無傳感器三相無刷電機控制系統(tǒng)的特點,采用MSP430單片機結(jié)合TB6588FG設(shè)計的電機調(diào)速控制系統(tǒng)。利用了TB6588FG的硬件電路,簡化了整體的電路設(shè)計,同時降低了軟件的編程難度,使整個系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。

[1]TB6588FG Datasheet[OL].[2010-06].http://www.sem icon.toshiba.com.cn/.

[2]TI.MSP430F20xx Datasheet.

[3]沈建華,楊艷琴,瞿驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.