基于TB6551FG正弦波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)研究

許 煒 余曉華 闕宇瀟

（廣東志高空調(diào)有限公司，廣東 佛山 528244）

0 引言

隨著空調(diào)能效標(biāo)準(zhǔn)的逐年提高，設(shè)計(jì)開發(fā)節(jié)能產(chǎn)品已然成為當(dāng)今空調(diào)企業(yè)的重中之重，直流變頻空調(diào)在近幾年得到大面積的推廣和使用。而電機(jī)作為空調(diào)的必備產(chǎn)品，為滿足空調(diào)的高效節(jié)能，無刷直流電機(jī)也就成為空調(diào)電機(jī)的首選產(chǎn)品。本文介紹了專為變頻空調(diào)用無刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)的控制芯片TB6551FG，并結(jié)合IPM模塊SMA 6822MP及霍爾位置傳感器，構(gòu)成無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有控制簡(jiǎn)單、調(diào)速方便、穩(wěn)定可靠、高效節(jié)能、體積小、噪音低等特點(diǎn)，應(yīng)用發(fā)展前景廣闊。

1 控制芯片TB6551FG介紹

TB6551FG是東芝公司推出的專用于空調(diào)三相無刷直流電機(jī)的全硬件電路控制芯片，它只需要接入3個(gè)鎖存型霍爾開關(guān)集成芯片便可先以方波方式啟動(dòng)，然后產(chǎn)生三相SPWM信號(hào)。外接功率驅(qū)動(dòng)級(jí)，實(shí)現(xiàn)無刷直流電動(dòng)機(jī)以正弦波方式運(yùn)行。其特點(diǎn)如下：180°正弦波控制；內(nèi)置三角波發(fā)生器；內(nèi)置6路可設(shè)置死區(qū)時(shí)間的SPWM驅(qū)動(dòng)單元模塊；內(nèi)置相位超前導(dǎo)通角設(shè)定；內(nèi)置參考電壓調(diào)整器；內(nèi)置轉(zhuǎn)速反饋脈 沖信號(hào)輸出；支持載波頻率的設(shè)定；支持過電流保護(hù)。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 系統(tǒng)硬件組成

無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成原理框圖如圖1所示，它由轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)部分、控制部分和功率驅(qū)動(dòng)部分組成。本系統(tǒng)所選用的IPM模塊是三墾公司生產(chǎn)的SMA6822MP，它是一個(gè)高度集成的功率逆變系統(tǒng)，芯片內(nèi)含6個(gè)MOSFET三相逆變橋輸出級(jí)和6個(gè)快速恢復(fù)功率二極管，內(nèi)置自舉電路、柵極驅(qū)動(dòng)電路、欠壓保護(hù)電路、過熱保護(hù)電路及故障信號(hào)輸出電路等。同時(shí)還提供一個(gè)7.5 V的穩(wěn)壓輸出，可為控制芯片及轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路提供工作電壓。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)部分選用旭化成公司生產(chǎn)的鎖存型霍爾開關(guān)集成芯片EW 632S，它由霍爾芯片、差分放大器、穩(wěn)壓器、施密特觸發(fā)器和輸出級(jí)組成。

2.2 工作原理

該控制芯片主要由轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)電路、正弦波發(fā)生器、死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生電路、轉(zhuǎn)速控制電路、相位超前導(dǎo)通角設(shè)置電路、轉(zhuǎn)速反饋脈沖電路和保護(hù)電路等幾部分電路組成。根據(jù)轉(zhuǎn)速控制電壓輸入信號(hào)及霍爾IC輸出的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，輸出6路帶死區(qū)時(shí)間的正弦波PWM信號(hào)和轉(zhuǎn)速反饋脈沖信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)以正弦波方式運(yùn)轉(zhuǎn)，速度、電流及溫度三閉環(huán)的控制系統(tǒng)。

2.2.1 正弦波PWM信號(hào)的產(chǎn)生

控制芯片根據(jù)檢測(cè)到的霍爾信號(hào)HU、HV、HW，產(chǎn)生調(diào)制波SU、SV、SW，如圖2所示。調(diào)制波和三角波相比較后生成180°正弦波PWM信號(hào)U、V、W、X、Y、Z，如圖3所示。同時(shí)調(diào)制波的調(diào)制比，可由轉(zhuǎn)速控制電壓進(jìn)行控制。

圖2 霍爾信號(hào)波形與調(diào)制波信號(hào)波形

圖3 180°正弦波PWM信號(hào)波形

2.2.2 死區(qū)時(shí)間的選擇

當(dāng)無刷直流電機(jī)以正弦波PWM驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，為防止功率橋同一橋臂的上、下兩個(gè)功率器件發(fā)生同時(shí)導(dǎo)通而造成電路短路，控制芯片會(huì)產(chǎn)生一個(gè)死區(qū)時(shí)間，即功率橋同一橋臂的上、下兩個(gè)功率器件同時(shí)關(guān)斷輸出的時(shí)間。死區(qū)時(shí)間由控制芯片的第10（Td）腳決定，可設(shè)定為2.6 μs和3.8 μs這2個(gè)值。當(dāng)Td腳接地時(shí)死區(qū)時(shí)間設(shè)定為3.8 μs；當(dāng)Td腳接5 V時(shí)死區(qū)時(shí)間設(shè)定為2.6 μs。

2.2.3 相位超前導(dǎo)通角的設(shè)定

無刷直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)，最理想的狀態(tài)是反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)和相電流過零點(diǎn)的相位重合，此時(shí)電機(jī)的三相轉(zhuǎn)矩疊加在理論上是一個(gè)恒定轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小，電機(jī)效率也有所提升。

為提高電機(jī)效率，降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，可以利用控制芯片TB6551FG的第23（LA）腳來實(shí)現(xiàn)。如圖4所示，利用芯片的5 V穩(wěn)壓輸出，外接分壓電阻R1、R2，通過R1和R2不同阻值的組合，調(diào)節(jié)LA 腳的模擬輸入（0～5 V）進(jìn)行設(shè)定相位超前導(dǎo)通角?？刂菩酒瑑?nèi)部5位A/D轉(zhuǎn)換器將0～58°均分為32份。設(shè)置時(shí)，0°對(duì)應(yīng)于0 V，58°對(duì)應(yīng)于5 V。

2.2.4 保護(hù)電路

為確保電機(jī)安全運(yùn)行，在異常運(yùn)行中得到正確、及時(shí)的保護(hù)，本文利用控制芯片的Idc腳，實(shí)現(xiàn)過電流、過溫雙重保護(hù)。

保護(hù)電路的工作原理如圖5所示。

（1）A點(diǎn)電壓隨電機(jī)運(yùn)行電流I1的增大而升高，當(dāng)A點(diǎn)電壓升高到0.5 V時(shí)，控制芯片實(shí)行門極閉鎖保護(hù)，保護(hù)在每個(gè)載波周期釋放一次，因此電機(jī)處于限電流狀態(tài)下運(yùn)行。

（2）當(dāng)電機(jī)溫度升高時(shí)，RT（正溫度系數(shù)熱敏電阻）的阻值增大，I2減小，A點(diǎn)電壓升高。當(dāng)A點(diǎn)電壓升高到0.5 V時(shí)，控制芯片實(shí)行門極閉鎖保護(hù)，保護(hù)在每個(gè)載波周期釋放一次，因此電機(jī)處于限溫狀態(tài)下運(yùn)行。

圖5 限流、限溫保護(hù)電路

3 試驗(yàn)結(jié)果

采用408 mm×134 mm軸流扇葉（一匹分體空調(diào)室外機(jī)所配置的扇葉）作為負(fù)載，實(shí)測(cè)額定轉(zhuǎn)速下無刷直流電機(jī)的相電流，相電流波形如圖6所示。由圖可見，正弦波電流的波形平滑，因而電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小。

合理地設(shè)定了相位超前導(dǎo)通角，電機(jī)效率得到提升，電機(jī)溫升控制在20 K以內(nèi)；合理地設(shè)計(jì)了限溫、限流保護(hù)電路，堵轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)繞組最高溫度控制在100 ℃以內(nèi)，符合直流變頻空調(diào)產(chǎn)品的實(shí)際要求。

圖6 無刷直流電機(jī)相電流波形

4 結(jié)語

本文實(shí)現(xiàn)了基于TB6551FG的無刷直流電機(jī)正弦波驅(qū)動(dòng)控制，技術(shù)方案可靠，電機(jī)運(yùn)行安全穩(wěn)定。由于該芯片為純硬件電路，更具M(jìn)CU所無法比擬的抗干擾能力。本系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可移植性強(qiáng)，只需在硬件電路上稍作改動(dòng)，亦可應(yīng)用于廚房風(fēng)扇、按摩器、熱水器、抽油煙機(jī)、洗碗機(jī)泵等電機(jī)之中，具有十分廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

［1］Toshiba Corporation.TB6551FG Datasheet［Z］，2012

［2］ Sanken Electric Co.,Ltd.SMA6822MP Datasheet［Z］，2010

［3］譚建成.TB6539N/F三相正弦波PWM無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器芯片［J］.國(guó)外電子元器件，2005（6）：39～42

［4］夏長(zhǎng)亮.無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)［M］.科學(xué)出版社，2009