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基于ML4435的無傳感器無刷直流電動機控制系統

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.zgdlzj.com瀏覽數:3407

   摘要:介紹了基于反電動勢法的無傳感器無刷直流電動機控制芯片Mi似35的功能,并利用ATOS8535單片機作為控制核心.結合ML4435設計了相關控制系統=實驗結果證明,該設計既可以減輕單片機的負擔,又可以利用PWM對電機實現平滑調速,達到了全數字式閉環控制的效果。

O引  言

   無刷直流電動機利用電子換向電路解決了傳統直流電動機的機械換向器問題,不僅保留了其起動轉矩大、調速范圍寬的優點,同叫還具有交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等優點,兇此在工業生產、航空航天以及民用等諸多領域內得劍了廣泛應用。

   無刷直流電動機需要通過實時檢測轉子的位置來進行換相,但是采用傳感器進行檢測不僅不利于電機的小型化,而且降低了系統的運行性能以及可靠性。因此,利用反電動勢法、續流二極管法、電感法和狀態觀測法等無位置傳感器控制技術是研究的熱點,其中以反電動勢法應用最為廣泛。但是該方法存在電機起動和低速運行時難以檢測到反電動勢信號的問題,需要采用輔助的起動方法如蘭段式起動,控制比較復雜。

   本文以二相星型聯結兩兩導通方式的無刷直流電動機為對象,設計了一種基于反電動勢法的無位置傳感器無刷直流電動機控制系統,系統控制核心為AVR單片機系列中的AT90S8535。為了簡化系統的設計,采用了Micm Linear公司生產的脈寬調制式電機控制器ML4435,使得整個系統結構簡單、穩定可靠,軟件編程方便,同時可以實現數字式PWM閉環調速功能。

1 ML4435芯片功能簡介

   控制系統主要由AT90S8535單片機、ML4435控制芯片、功率逆變電路以及鍵盤輸入、轉速顯示等部分構成。AT90S8535用來實現電機的起??刂?、轉速信號處理以及PWM控制。而ML4435可以進行反電動勢的檢測、換相以及驅動,從而將AT90S8535從繁忙的換相控制中解放出來,更好地實現系統的整體控制,工作效率大大提高。

   ML4435屬于無傳感器型直流無刷電動機控制芯片,比ML4425/ML4426有新的改進和簡化,外部引腳從28個減少到了20個,并且集成了所有必要的自動檢測和控制功能,主要包括起動控制、制動控制、反電勢換相控制、PWM速度控制、過電流保護、欠壓保護等。

   ML4435的窄形20腳封裝如圖1所示。各引腳的簡要功能如下:1號腳(ISENSE)為電機電流檢測輸入端,實現過流保護功能;2號腳(TACH)當SPEED FB大于O .97 V時,每個換向周期輸出6個脈沖;3號腳(SPEED C0MP)為速度環補償7元件的接點;4、20號腳(RVCO、CVCO)分別為VCO的外部電阻、電容接點;5號腳(SPEED SET)為設置電機速度的直流輸入端;6號腳(RT)為IC的PWM頻率設置端;7、8、9號腳(HA、HB、HC)分別為電機三相的高側驅動輸出;11、12、13號腳(LA、LB、LC)分別為電饑三相的低側驅動輸出;14、15、16號腳(FB A、FB B、FB C)分別為電機三相反電勢信號輸入端;l 8號腳(SPEED FB)為反電勢傳感補償元件的接點;19號腳(S0FSTART)為外部軟起動電容接點;10、17號腳(VCC、CND)為電源接點和接地點。

   ML4435除了能實現無傳感器無刷直流電動機的控制以外,還能解決電機自起動問題。當電機靜止時,反電動勢為0 V,此時若向ML4435提供12 V電壓,ML4435將以最低的VCO頻率開始使電機換向,該頻率由RVC0上的O. 2 V箝位設定,為最大換相頻率的三十分之。當反電動勢取樣電路能夠檢測劍足夠大的反電動勢信號后,PLL鎖相環電路自動跟蹤鎖定電機的轉子位置,電機則按閉合環路控制轉動,即進入閉環換相階段。

   ML4435管腳2(TACH)可以提供頻率正比于轉速的方波信號,為單片機實現轉速檢測提供了方便。通過調節管腳5(SPEED SET)電壓的大小可以改變片內產生的PWM占空比進行調速,該電壓的輸入范圍為0~6 V,對應占空比為0~100%。電機升速時,SPEED SET端電壓上升,其與速度反饋信號偏差增大,經過誤差放大器輸出到SPEED C0MP端,使該端電壓下降,再與PWM斬波信號通過比較器后使輸出的脈沖信號占空比增加,電機速度上升,同時連接誤差放大器正向端的速度反饋信號隨著電機轉速上升而增加,當該信號接近SPEED SET電壓時,電機開始穩速運行。電機的減速過程相反。為穩定調速過程,避免電機速度的改變引起SPFED SET電壓的波動,可以在SPEED COMP引腳外接電容。

2控制系統的設計。

 圖1系統控制電路圖

   系統的硬件接口電路如圖1所示。由于使用了ML4435,使得單片機無論是硬件電路還是軟件編程,其工作量都大大減少。在設計中,AT90S8535主要任務是完成電機的速度設定、起/停、速度反饋等信號的輸入檢測,通過相應接口輸出控制ML4435,電機的控制完全由ML4435控制器完成.同時還可以利用其欠壓、限流功能,實現對電機的相應保護:

2.1電機速度控制

   電機上電起動后.當ML4435能夠檢測到反電勢信號,通過PWM模式系統進入速度閉環運行狀態。速度沒定值由外部鍵盤給定,通過單片機的PD4 口輸出,在這里利用PD4的第二功能0C1B,它是定時器/計數器1輸出比較匹配即PWM輸出。定時器/計數器1的時鐘源在定時器/計數器1控制寄存器B(TCCRlB)的低3位(CSl2,CSll,CSl0)進行設置,在控制寄存器A(TCCRIA)中可以設置PWM為8位、9位或l0位。通過對定時器/計數器l輸出比較寄存器0CRlAH和0CRlAL賦比較值來輸出PWM,改變輸出比較寄存器中的比較值,即可改變PWM的占卒比。止向10位PWM方波的占空比為(r19:r18)/3FFH,經過兩級CMOS反向器4049實現電平轉移,再經過濾波電路可產生模擬電壓輸出,其大小為:  (1)

   該電壓輸人到ML4435的SPEED SET引腳,即可實現電機的速度設置。

2.2電機速度檢測

   由無刷直流電動機的工作原理可知,三相繞組在360°電角度周期內有六個反電勢過零點,也就是進行六次換相。ML4435的2號引腳(TACH)能夠輸出正比于換相頻率的脈沖波,這為單片機準確檢測電機的轉速提供了方便。

   電機轉速可以利用兩個定時器/計數器T/C0和T/C2來檢測,前者用來定時,后者用來計數。傳感器的脈沖輸出到PC6引腳,T/C2用于外計數方式,每上升沿計數1次;T/C0為定時方式,8 MHz的晶振頻率,256分頻,每32μs計1個數。若T/CO每次置初值6,即每計250次溢出一次,則溢出時間間隔為8 ms,這樣每溢出125次即達到1 s。每隔ls,求出T/C2的計數個數,即為脈沖頻率?。電機轉速計算公式如下:

      (2)

式中:p——電機的極對數;

     N——360°電角度周期范圍內換相次數,N=6;

     ?——換相頻率,即ML4435產:生的方波信號頻率

2.3電機驅動電路

   兩兩導通三相六狀態的無傳感器無刷直流電動機的驅動采用全橋驅動方式,可以使用三對P溝道和N溝道的功率場效應管MOSFET控制,上橋臂使用P溝道場效應管(如IRFP9240),下橋臂使用N溝道場效應管(如IRFP250N)。

   ML4435的電源額定電壓為12 V,只能驅動低電壓的無傳感器無刷直流電動機。如果要驅動較高電壓的電機,必須要加入電平偏移電路。電源電壓低于80 V時,可以采用NPN管電平偏移電路;電源電壓高于80 V時,可以采用專門的高端驅動芯片,如IR2130、IR2135等。

2.4電機起動、制動電路

   ML4435提供了電機制動功能,當制動引腳CV—CO(20號引腳)電位被拉低到1.5 V時,6路輸出驅動器均關斷。因此可以利用這個引腳來控制電機的起動與停止,在本設計中,CVCO引腳與單片機的PCO口通過三極管相連。當電機起動時,PCO輸出為低電平,三極管截止.此時電機便處于運行狀態:當制動鍵按下時,PCO輸出高電平,三極管導通。CVCO引腳被拉低到低電平,這時電機將實現制動。

2.5電機保護電路

   ML4435提供了過流保護和欠壓保護兩種功能。過流保護功能由ISENSE(1號引腳)提供,電機母線電流通過傳感電阻R2將信息傳送到ISENSE引腳,如果R2兩端電壓超過19腳SOFTSTART設置的電流門限電平,則在每個PWM周期的剩余段關斷輸出低端驅動LA、LB、LC來實現過電流保護。R2與ISENSE之問間經過低通濾波器連接,其作用是消除因功率逆變電路中續流二極管反向恢復沖擊電流在R2上產生的尖峰電壓。

   欠壓保護用于避免ML4435工作在低電壓狀態下,當V≤9.2 V時被起動。

   圖1中的相關電阻、電容器件的參數設置可以根據實際電機的大小及性能,參考文獻[3]中有關ML4435的外部元件參數計算公式,給出相應的數值。

3實驗結果

   利用本高計對一臺無刷直流電動機進行了實驗驗證。電機參數為:額定電壓24 V,額定轉速4 000r/min,額定功率54 W,反電勢常數0.0048 V/r.min).轉矩常數0.045 N·m/A。圖2是實測的A相下橋臂MOSFET場效應管開關信號(通道1)和A相端電壓波形(通道2),圖3是A相對地端電壓波

形(通道1)和B相對地端電壓波形(通道2)。

 圖2一下橋臂開關信號和A相端電壓波形    

 圖3 A、B相端電壓波形

     從實驗結果中可以看出,利用ML4435專用芯片,可以很好地實現對無位置傳感器無刷直流電動機的控制,大大減輕了單片機的負擔,而且整個控制系統結構緊湊,控制性能良好,達到了全數字閉環控制的效果。

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