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(jī)及其控制一直是電機(jī)發(fā)展的研究熱點(diǎn)。無刷直流電機(jī)體積小,效率高。它既具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便的特點(diǎn),又具備直流電機(jī)那樣良好的調(diào)速特性而無機(jī)械式換向器,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了以MSP430F2012單片機(jī)及TB6588FG集成驅(qū)動(dòng)器為核心的硬件平臺(tái),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(jī)的控制中,轉(zhuǎn)子位置的判斷、電機(jī)的啟動(dòng)及電流的換相均由控制系統(tǒng)完成,功能十分復(fù)雜,對(duì)控制裝置的硬件與軟件設(shè)計(jì)提出了很高的要求。采用基于DSP的無傳感器無刷直流電機(jī)控制方法,借助DSP的強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力,完成軟件實(shí)現(xiàn)的反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)換相和開環(huán)啟動(dòng),在電路設(shè)計(jì)上較為復(fù)雜,與閥門控制系統(tǒng)要求電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(jì)采用的TB6588FG專用控制器,使系統(tǒng)控制電路十分簡(jiǎn)單,內(nèi)部具有驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)化,微處理器只需對(duì)外面的開關(guān)信號(hào)做出處理,就能實(shí)現(xiàn)電機(jī)可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在閥門控制設(shè)計(jì)中,對(duì)設(shè)計(jì)者的最大挑戰(zhàn)是如何電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,在有限的空間里放置電子元器件。本設(shè)計(jì)中采用MSP430F2012作為系統(tǒng)的控制核心,處理電機(jī)的啟停、速度檢測(cè)、速度調(diào)節(jié),并對(duì)外面的開關(guān)量進(jìn)行處理。將有關(guān)電機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)而設(shè)計(jì)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(dòng)電機(jī)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(jī)的所需要的全部功能,主要功能包括:啟動(dòng)電路,反向電動(dòng)勢(shì)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(jī)的工作量,用體積小、價(jià)格很便宜的MSP430F2012,就可完成所有的工作。單片機(jī)主要完成電機(jī)速度脈沖檢測(cè),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(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的保護(hù)。

圖1 硬件總體框圖

2 電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

TB6588FG電機(jī)控制電路如圖2所示。

圖2 TB6588FG控制電路圖

3 電機(jī)啟動(dòng)

電機(jī)的啟動(dòng)基于VSP的模擬輸入電壓。當(dāng)此電壓大于1 V時(shí),電機(jī)開始啟動(dòng),此時(shí)電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài),電機(jī)的轉(zhuǎn)子的位置不能確定。首先通過一個(gè)激勵(lì)電壓,使電機(jī)進(jìn)入直流激活模式。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候,檢測(cè)到電機(jī)線圈的反向電動(dòng)勢(shì)。然后驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入強(qiáng)迫通信模式,強(qiáng)迫通信模式的時(shí)間被外部的電容來決定。如圖3所示,a階段是DC激活時(shí)間,DC激活時(shí)間的調(diào)整公式為TFIX=0.69×C2×R1。b階段是強(qiáng)迫通信時(shí)間,不同的電機(jī)通過改變C1和C2電容的值可用來調(diào)整電機(jī)的啟動(dòng)。

圖3 電機(jī)啟動(dòng)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(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)發(fā)生電機(jī)堵轉(zhuǎn)的意外情況,電機(jī)堵轉(zhuǎn)可能會(huì)造成電源和電機(jī)的燒毀。TB6588FG的限流保護(hù)是通過內(nèi)部的比較器來實(shí)現(xiàn)的,如圖4所示。驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部具有一個(gè)比較器,負(fù)輸入端固定電壓為0.5 V,流過電機(jī)線圈的電流通過R1電阻的采樣送入驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部,通過驅(qū)動(dòng)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(huì)大于0.5 V,驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路。在此電路中R2和C2是起RC濾波作用,防止PWM切換時(shí)的噪聲引起的保護(hù)誤動(dòng)作。如當(dāng)R1=0.33Ω時(shí),最大限流電流為:

5 速度檢測(cè)控制

5.1 速度檢測(cè)

TB6588FG具有速度輸出腳FG_OUT,電機(jī)沒有啟動(dòng)或電機(jī)發(fā)生異常時(shí)此腳輸出為低電平。當(dāng)電機(jī)被正常啟動(dòng),此腳輸出速度信號(hào),MSP430F2012定時(shí)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(diǎn),阻值為10 kΩ的數(shù)字電位器。通過MSP430F2012的兩個(gè)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(shí),通過動(dòng)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?yàn)椴捎秒姍C(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片,所以電機(jī)的控制軟件就很簡(jiǎn)單,主要的工作就是設(shè)置MSP430F2012的內(nèi)部定時(shí)器的工作方式。其具有兩個(gè)捕獲定時(shí)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(shí)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(duì)閥門的無傳感器三相無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn),采用MSP430單片機(jī)結(jié)合TB6588FG設(shè)計(jì)的電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)。利用了TB6588FG的硬件電路,簡(jiǎn)化了整體的電路設(shè)計(jì),同時(shí)降低了軟件的編程難度,使整個(gè)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(jī)原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.