基于TP6584AFNG正弦波驅(qū)動(dòng)的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)

1、基于TP6584AFNG正弦波驅(qū)動(dòng)的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)馬吉富 臥龍電氣集團(tuán)股份有限公司 浙江 上虞 312300 摘要: 介紹TP6584AFNG芯片，研究了該芯片在變頻空調(diào)用無(wú)刷直流電機(jī)控制中的應(yīng)用。本系統(tǒng)使用三相半橋驅(qū)動(dòng)電路，采用180度正弦波驅(qū)動(dòng)技術(shù)，利用超前角設(shè)計(jì)，達(dá)到效率高、噪音低、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)低的控制效果。實(shí)際生產(chǎn)制造中有很好的應(yīng)用價(jià)值，產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)鍵詞: TP6584AFNG 變頻調(diào)速 180度正弦波 IPM 超前角 保護(hù) 霍爾元件 無(wú)刷直流電機(jī) Control System Of BLDC base on TP6584AFNG Sine Driver Ma jifu W

2、olong Electric Group co.,LTD Shang Yu 312300 ChinaAbstract：This paper introduce TP6584AFNG control IC , research the IC application on BLDC control in the frequency conversion air conditioner field. The system apply 3 phasic half-bridge drive circuit，apply 180 degree sine drive technology，and lead d

3、egree design . It achieve result that high efficient，low noise and low tremble of torque. The actual production and manufacturing has good application value, produced great economic benefits. Keywords：TP6584AFNG frequency conversion 180 degree sine IPMLead degree protect Hall Element BLDC1 引言 在現(xiàn)代空調(diào)用

4、無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速中越來(lái)越多的采用HIPWM調(diào)制，正弦波驅(qū)動(dòng)方式。此方案是目前變頻空調(diào)用應(yīng)用最廣泛，就性能和成本而言是業(yè)界公認(rèn)的優(yōu)選方案。TOSHIBA公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的處理器TP6584AFNG具有內(nèi)置正弦波發(fā)生器，專(zhuān)為變頻空調(diào)用無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)的。數(shù)字化PWM調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵在于如何實(shí)時(shí)的得到PWM開(kāi)關(guān)信號(hào)，在PWM算法中，無(wú)論從減少電流諧波損耗，還是從母線利用率上來(lái)看， PWM占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。本文引入了TP6584AFNG芯片，并介紹了采用它與IPM模塊結(jié)合實(shí)現(xiàn)的全數(shù)字化SVPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成。IPM模塊使用東芝公司的TPD4123AK模塊。給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表明系統(tǒng)具有高效率、低噪聲、低震動(dòng)、

5、體積小，控制方便，運(yùn)行安全可靠的特點(diǎn)，具有很高的性價(jià)比，有廣泛的應(yīng)用前景。2 控制芯片TP6584AFNG介紹 TP6584AFNG是TOSHIBA公司專(zhuān)門(mén)針對(duì)變頻空調(diào)用無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)驅(qū)動(dòng)控制器。它是全硬件電路，具有MCU無(wú)法比擬的抗干擾能力。載波工作頻率16.7KHz，內(nèi)置馬鞍波形和三角波發(fā)生器。馬鞍形波與三角波比較法也就是諧波注入PWM方式(HIPWM),其原理是在正弦波中加入一定比例的三次諧波,調(diào)制信號(hào)便呈現(xiàn)出馬鞍形,而且幅值明顯降低,于是在調(diào)制信號(hào)的幅值不超過(guò)載波幅值的情況下,可以使基波幅值超過(guò)三角波幅值,提高了直流電壓利用率.在三相無(wú)中線系統(tǒng)中,由于三次諧波電流無(wú)通路,所以三

6、個(gè)線電壓和線電流中均不含三次諧波。TP6584AFNG另外包括6路帶死區(qū)時(shí)間設(shè)定的PWM驅(qū)動(dòng)單元模塊，死區(qū)時(shí)間設(shè)定為2.0uS,有效的防止驅(qū)動(dòng)IGBT上下橋臂短路，提高工作可靠性; 另外有3路獨(dú)立比較器放大模塊，用于位置檢測(cè)的霍爾元件差分信號(hào)輸入，具有7.5mV的磁滯電壓濾波功能，可以提高轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)精度。芯片內(nèi)置Vrefout穩(wěn)壓模塊，5V輸出，提供內(nèi)部邏輯工作以及外部霍爾元件工作電壓。同時(shí)設(shè)計(jì)REV電機(jī)轉(zhuǎn)向設(shè)置、FGC反饋脈沖數(shù)量設(shè)定，可以設(shè)置4個(gè)脈沖/轉(zhuǎn)或者12個(gè)脈沖/轉(zhuǎn)輸出、Vsp電機(jī)控制電壓輸入、RES強(qiáng)制復(fù)位輸入設(shè)定、CCS設(shè)定電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。同時(shí)還有FG反饋輸出、REV方向監(jiān)控輸出

7、。芯片功能豐富，使用方便可靠。另外芯片具有固定及自動(dòng)超前角設(shè)置功能，LA、UL及ALA引腳組合設(shè)置自動(dòng)超前角比例，在電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)作用顯著，是調(diào)節(jié)電機(jī)性能的有效方案，極大的提高了電機(jī)的負(fù)載范圍。3 系統(tǒng)組成及基本算法3.1 系統(tǒng)硬件組成 本無(wú)刷直流電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它由控制部分和IPM驅(qū)動(dòng)部分組成。本系統(tǒng)選用的IPM模塊是東芝第五代智能功率模塊TPD4123AK，它內(nèi)含有1個(gè)三相H逆變橋的6個(gè)IGBT和6個(gè)快恢復(fù)功率二極管，及其HVIC高壓半橋驅(qū)動(dòng)及自舉電路。另外含有過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)、驅(qū)動(dòng)欠壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、報(bào)警輸出等功能，同時(shí)還能提供一個(gè)7V輸出的穩(wěn)壓電源。其所用元器

8、件數(shù)量比傳統(tǒng)IPM少得多，相應(yīng)可靠性也得到提高，由于這種帶IGBT驅(qū)動(dòng)電路且具有自診斷功能及保護(hù)功能完善的IPM模塊的應(yīng)用，使本系統(tǒng)體積更小，更可靠，更具智能化。 圖13.2系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)正弦波輸入原理 如圖2，系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)霍爾位置，進(jìn)行系統(tǒng)HIPWM輸出調(diào)制，輸出注入三次諧波的馬鞍形驅(qū)動(dòng)波形，輸出正弦波相電流波形。圖2HU為U相霍爾元件正向輸出波形，過(guò)零點(diǎn)從磁鋼經(jīng)過(guò)霍爾元件位置開(kāi)始。Bemf U相電機(jī)繞組反電動(dòng)勢(shì)波形，過(guò)零點(diǎn)滯后U相霍爾波形150度電角度U相上橋臂輸出HIPWM斬波輸出波形U相電壓有效值波形U相電流波形，由于三次諧波電流電機(jī)內(nèi)無(wú)通路，所以電流波形是完整的正弦波波形，但由于電

9、機(jī)是感性負(fù)載，電流波形滯后電壓波形運(yùn)行角度。速度控制指令。速度指令電壓與內(nèi)部三角波通過(guò)電壓比較器，產(chǎn)生PWM信號(hào)。通過(guò)調(diào)節(jié)速度指令電壓值，來(lái)調(diào)節(jié)PWM的占空比，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制與調(diào)節(jié)。 圖3轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出電機(jī)自動(dòng)輸出轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，采用集電極開(kāi)路輸出電路。外部控制系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，調(diào)節(jié)速度指令電壓，使電機(jī)穩(wěn)定的工作在額定轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速反饋接口電路如下：采用三極管集電極開(kāi)路電路設(shè)計(jì)，滿足空調(diào)整理控制系統(tǒng)的5-15V寬范圍電壓工作要求。 圖4自動(dòng)過(guò)熱和過(guò)流的組合控制電路。電機(jī)通過(guò)控制電路，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)過(guò)電流，及其過(guò)熱保護(hù)功能。保證電機(jī)安全運(yùn)行。 圖5電路動(dòng)作原理：注: PTC 熱敏電阻(正

10、溫度系數(shù))1）過(guò)電流保護(hù)當(dāng)流經(jīng)電機(jī)線圈繞組電流I2增大,U1電壓升高,電流I1減小,Rs端電壓上升,當(dāng)Rs電壓0.5V時(shí),電機(jī)輸出關(guān)閉,即電機(jī)瞬間停止運(yùn)行.但當(dāng)電機(jī)關(guān)閉,停止輸出后,電流立即降低,Rs電壓降低,電機(jī)又重新恢復(fù)正常工作.過(guò)流保護(hù)動(dòng)作頻率快,電機(jī)在限電流狀態(tài)下保持運(yùn)轉(zhuǎn).2）過(guò)熱保護(hù)：溫度保護(hù)典型值95當(dāng)電機(jī)溫度升高,PTC熱敏電阻阻值升高,電流I1減小,Rs端子電壓上升,當(dāng)Rs電壓0.5V時(shí),電機(jī)輸出關(guān)閉,電機(jī)停止運(yùn)行.電機(jī)停止運(yùn)行后,溫度下降,PTC熱敏電阻阻值降低,電流I1增大,Rs端子電壓下降,當(dāng)Rs電壓<0.5V時(shí),電機(jī)輸出恢復(fù).電機(jī)正常運(yùn)行。電機(jī)過(guò)熱保護(hù)時(shí),電機(jī)內(nèi)部

11、溫度受到限制,并維持在一個(gè)溫度點(diǎn)上。系統(tǒng)超前角設(shè)計(jì)原理自動(dòng)超前角控制系統(tǒng)設(shè)定方案：圖6圖中GIN、GOUT負(fù)電阻設(shè)定電流增益放大倍數(shù)，提高超前角反應(yīng)時(shí)間。圖7圖中UL是根據(jù)實(shí)際負(fù)載情況，設(shè)定自動(dòng)超前角的最大限值。LA是設(shè)定固定超前角作用，當(dāng)自動(dòng)超前角工作時(shí)，使之懸空，測(cè)定LA上的電壓對(duì)應(yīng)相應(yīng)超前角度數(shù)。根據(jù)實(shí)際負(fù)載，調(diào)節(jié)GIN、GOUT電流增益倍數(shù)，下圖是自動(dòng)超前角設(shè)置中超前角LA與輸入VSP和IDC電流之間的關(guān)系，當(dāng)轉(zhuǎn)速控制VSP電壓升高時(shí)，LA增大，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大IDC電流同時(shí)增大，LA同時(shí)隨之增大，來(lái)提高電機(jī)帶負(fù)荷能力，提高電機(jī)負(fù)荷點(diǎn)效率。如下：圖8超前角自動(dòng)控制系統(tǒng)中，電機(jī)效率控制效率

12、比較如下圖：a) 無(wú)超前角調(diào)節(jié)功能b) 固定超前角調(diào)節(jié)功能c) 內(nèi)部鎖定IDC控制自動(dòng)超前角調(diào)節(jié)d) 內(nèi)部鎖定IDC、VSP自動(dòng)超前角調(diào)節(jié)圖94 試驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論 據(jù)文中所述方案，設(shè)計(jì)并制作樣機(jī)，本系統(tǒng)工作調(diào)制頻率16.7KHz,負(fù)載是分體空調(diào)室外機(jī)風(fēng)扇，額定負(fù)載40W，取電路工作相電流波形如圖10所示，試驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)方案正確，諧波得到抑制，電機(jī)單體以及空調(diào)整機(jī)系統(tǒng)電磁噪聲在寬范圍的調(diào)速過(guò)程中得到控制。采用限流和熱保護(hù)電路，系統(tǒng)溫升控制在55K以下。同時(shí)由于有自動(dòng)超前角設(shè)計(jì)，系統(tǒng)額定點(diǎn)效率在80%以上，符合國(guó)家變頻空調(diào)1級(jí)能效比要求。 本系統(tǒng)性能可靠，抗干擾能力強(qiáng)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，移植性強(qiáng)，應(yīng)用前景廣泛，適合大批量生產(chǎn)。圖10作者簡(jiǎn)介：馬吉富 男 本科 電儀工程師 1976年10月工作單位：臥龍電氣集團(tuán)股份有限公司 浙江臥龍家用電機(jī)有限公司工作內(nèi)容：空調(diào)用無(wú)刷直流