許 煒 余曉華 闕宇瀟
(廣東志高空調(diào)有限公司,廣東 佛山 528244)
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。
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個鎖存型霍爾開關(guān)集成芯片便可先以方波方式啟動,然后產(chǎn)生三相SPWM信號。外接功率驅(qū)動級,實(shí)現(xiàn)無刷直流電動機(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)時間的SPWM驅(qū)動單元模塊;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 沖信號輸出;支持載波頻率的設(shè)定;支持過電流保護(hù)。
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)子位置檢測部分、控制部分和功率驅(qū)動部分組成。本系統(tǒng)所選用的IPM模塊是三墾公司生產(chǎn)的SMA6822MP,它是一個高度集成的功率逆變系統(tǒng),芯片內(nèi)含6個MOSFET三相逆變橋輸出級和6個快速恢復(fù)功率二極管,內(nèi)置自舉電路、柵極驅(qū)動電路、欠壓保護(hù)電路、過熱保護(hù)電路及故障信號輸出電路等。同時還提供一個7.5 V的穩(wěn)壓輸出,可為控制芯片及轉(zhuǎn)子位置檢測電路提供工作電壓。轉(zhuǎn)子位置檢測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)器和輸出級組成。
該控制芯片主要由轉(zhuǎn)子位置信號檢測電路、正弦波發(fā)生器、死區(qū)時間產(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及霍爾IC輸出的轉(zhuǎn)子位置信號,輸出6路帶死區(qū)時間的正弦波PWM信號和轉(zhuǎn)速反饋脈沖信號,從而實(shí)現(xiàn)一個以正弦波方式運(yùn)轉(zhuǎn),速度、電流及溫度三閉環(huán)的控制系統(tǒng)。
控制芯片根據(jù)檢測到的霍爾信號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U、V、W、X、Y、Z,如圖3所示。同時調(diào)制波的調(diào)制比,可由轉(zhuǎn)速控制電壓進(jìn)行控制。
圖2 霍爾信號波形與調(diào)制波信號波形
圖3 180°正弦波PWM信號波形
當(dāng)無刷直流電機(jī)以正弦波PWM驅(qū)動旋轉(zhuǎn)時,為防止功率橋同一橋臂的上、下兩個功率器件發(fā)生同時導(dǎo)通而造成電路短路,控制芯片會產(chǎn)生一個死區(qū)時間,即功率橋同一橋臂的上、下兩個功率器件同時關(guān)斷輸出的時間。死區(qū)時間由控制芯片的第10(Td)腳決定,可設(shè)定為2.6 μs和3.8 μs這2個值。當(dāng)Td腳接地時死區(qū)時間設(shè)定為3.8 μs;當(dāng)Td腳接5 V時死區(qū)時間設(shè)定為2.6 μs。
無刷直流電機(jī)運(yùn)行時,最理想的狀態(tài)是反電動勢過零點(diǎn)和相電流過零點(diǎn)的相位重合,此時電機(jī)的三相轉(zhuǎn)矩疊加在理論上是一個恒定轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)矩脈動最小,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,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,0°對應(yīng)于0 V,58°對應(yīng)于5 V。
為確保電機(jī)安全運(yùn)行,在異常運(yùn)行中得到正確、及時的保護(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,控制芯片實(shí)行門極閉鎖保護(hù),保護(hù)在每個載波周期釋放一次,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,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,控制芯片實(shí)行門極閉鎖保護(hù),保護(hù)在每個載波周期釋放一次,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
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
本文實(shí)現(xiàn)了基于TB6551FG的無刷直流電機(jī)正弦波驅(qū)動控制,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)簡單,可移植性強(qiáng),只需在硬件電路上稍作改動,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無刷直流電動機(jī)控制器芯片[J].國外電子元器件,2005(6):39~42
[4]夏長亮.無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)[M].科學(xué)出版社,2009