無位置傳感器無刷直流電動機的高速驅(qū)動系統(tǒng)
摘 要鏈板:介紹了利用無位置傳感器無刷直流電機控制器TDA5142T結(jié)合電機專用功率逆變橋MP6403在無位置傳感器BLDCM調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用,它是電機驅(qū)動控制的一種新的方法。實驗結(jié)果表明,該方法可靠地實現(xiàn)了無刷直流電機的起動和速度控制。
關(guān)鍵詞:無刷直流電機;無位置活化給煤機傳感器;驅(qū)動;速度控制
1 顎式破碎機引 言
無刷直流電機(BLDCM)是沙石分離機械當(dāng)前工農(nóng)業(yè)上應(yīng)用最為廣泛的電機之一,它具有體積小、重量輕、無換相火花、易于調(diào)速控制等優(yōu)點。傳統(tǒng)的無刷直流電機大都以霍爾元件作為位置傳感器,并與電機的定子繞組內(nèi)嵌在一起,這使系統(tǒng)的維護和制造都很不方便,加上霍爾元件的溫度特性不好,且具有一定程度的磁不敏感區(qū),因此,對于環(huán)境要求較苛刻的場所,大都采用無位置傳感器無刷直流電機。
TDA5142T是Philz型提升機ips公司生產(chǎn)的無位置傳感器無刷直流電機專用控制芯片,該芯片內(nèi)含起動電路,全波換相電路和保護電路,可方便地實現(xiàn)無位置傳感器無刷直流電機的起動和控制。MP6403是東芝公司生產(chǎn)的一種高功率逆變橋模塊,專用于三相電機和雙極脈沖電機的驅(qū)動,最大的額定漏極電流ID=±5A[1]。MP6403與TDA5142T兩者的結(jié)合可大大簡化無位置傳感器無刷直流電機起動和控制。
本文將介紹一種適用于工螺旋給料機業(yè)控制中的無位置傳感器BLDCM調(diào)速系統(tǒng),并著重介紹了TDA5142T的換相技術(shù)、起動技術(shù)和速度控制技術(shù)。
2 無位置傳感器BL螺旋輸送器DCM專用芯片TDA5142T的調(diào)速原理
TDA5142T是一種用于驅(qū)動三相全波無位置傳感器無刷直流電動機的雙極型集成電路,采用24腳雙列表面SOL封裝[2]。TDA5142T主要由起動振蕩器、3個反電動勢比較器、自適應(yīng)換相時延電路、獨立運算放大器(OTA)和換相邏輯電路組成直線振動篩。
起動振蕩器可方便地解決無位置傳感器BLDCM的起動問題;3個反電動勢比較器和自適應(yīng)換相時延電路主要用于獲取電機轉(zhuǎn)子的精確的位置信號;位置信號送給換相邏輯電路以后,被轉(zhuǎn)換成6路驅(qū)動輸出信號,3路上側(cè)驅(qū)動輸出信號(OUT-PA,OUT-PB,OUT-PC)和3路下側(cè)輸出信號(OUT-NA,OUT-NB,OUT-NC)。礦山輸送機械這6路信號均具有0.2A的驅(qū)動電流,可直接帶動外接功率MOSFET或雙極晶體管,驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。
TDA5142T的調(diào)速主要由OTA和外搭的放大電路實現(xiàn),通過調(diào)節(jié)電位計R9,改變MOSFET的電源電壓VMOT,進而改變電機的轉(zhuǎn)速,圖1為沖擊式石頭制砂機系統(tǒng)工作原理圖。
換相是通過改變定子繞組電流方向,使得轉(zhuǎn)子一直朝某一固定的方向運轉(zhuǎn)(順時針或逆時針),TDA5142T的換相時刻主要通過3個反電動勢比較器檢測三相繞組的反電動勢來實現(xiàn)。在任一周期,3個繞組中必有2個繞組分別處于高壓(H)態(tài)或低壓(L)態(tài),只有1個繞組處于高阻(F)態(tài),F(xiàn)態(tài)的反電動勢過零點既可提供電機的轉(zhuǎn)速信息FG,又可控制繞組的換相。理論上,換相時刻與皮帶輸送帶F態(tài)的過零點時刻相差30°電角度;實際上,正確的換相時刻還得由自適應(yīng)換相時延電路電容CAP-CD、CAP-DC進行修正,2個電容的值決定了電機的最佳換相時刻。在任一換相周期CAP-CD電容先被充電,后被放電,電壓范圍為(0.9V,2.7V),充電電流為Ic=8.1μA,放電電流為If=16.2μA;電容CAP-DC則用于重復(fù)CAP-CD的充放電過程,只是Ic=If=15.5μA。圖2為電機繞組波形圖,實驗中CAP-CD電容值可以等于CAP-DC電容值,此值決定了電機的換相頻率,即電機的轉(zhuǎn)速,下式為其與換相頻率的關(guān)系。 2.2振網(wǎng)篩 起動技術(shù)
無位置傳感器BLDCM在靜止及低速轉(zhuǎn)動時,反電動勢為零或近似為零,H、L、F態(tài)三者無法通過檢測區(qū)別,如果通過外搭電路實現(xiàn)電機的平滑起動、電流換向和速度檢測,系統(tǒng)設(shè)計將十分繁瑣,即使設(shè)計成功,系統(tǒng)的效率也很難得到保證。采用TDA5142T芯片,則可大大簡化上述設(shè)計問題,只需選定一個起動電容CAP-ST即可實板式給料機現(xiàn)電機的平滑起動,而且系統(tǒng)響應(yīng)速度快、起動電流小。
TDA5142T主要采用起動振蕩器換相脈沖的激勵方法進行起動,振蕩器只在電機剛起動時工作,一旦反電動勢足夠大,振蕩器立即停止工作,電機起動完成。剛起動時,從振蕩器產(chǎn)生的每個脈沖都引起TDA5142T的6個輸出腳從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài),從而激勵電機運轉(zhuǎn)。如果反電動勢不夠大,電動機將再轉(zhuǎn)一步,并在新的位置下振蕩[3]。為防止脈沖在錯誤的振蕩相位到達,振蕩幅值必須在下個脈沖到達之前有足夠大的冷礦篩衰減。電機起動振蕩頻率f和起動電容的選取如下: 式中kt——電動機轉(zhuǎn)矩常數(shù)
I——電流
P——電動機極對數(shù)
J——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 如果電動機轉(zhuǎn)矩常數(shù)和轉(zhuǎn)動慣量不知道,可以按以下方法選定起動電容:
(1)先使CAP-ST=1μF,如果電機轉(zhuǎn)子不動,則說明起動電容過小,增大1/2的起動電容值,即使CAP-ST=2μF。
(2)如果電機運轉(zhuǎn)良好,減少1/2的起動電容值,即使CAP-ST=0.5μF。
(3)按照上述的1/2增減法,增長率大或減少CAP-ST的大小,直至電機由靜止變?yōu)檗D(zhuǎn)動或由轉(zhuǎn)動變?yōu)殪o止,則最后一次換電容之前的值即為最佳起動電容值。
需注意的是,起動電容過大,電機也能正常運轉(zhuǎn),但起動時間將拉長,起動時效降低。
2.3 電機速度控制
TDA5142T可以通過兩種方式改變電機的工作轉(zhuǎn)速:
第一種是在電壓一定下,通過改變自適應(yīng)換相時延電路電容CAP-CD、CAP-DC來改變換相頻率,進而改變電機的轉(zhuǎn)速,它們與速度的關(guān)系式如下: 第二種方式是利用TDA5142T內(nèi)部的獨立運算放大器OTA進行模擬方式或數(shù)字(PWM)方式控制,以下簡稱OTA控制。
前者是在額定電壓下通過改變最佳換相時刻,而直接改變電機的換相頻率fc,進而改變電機的轉(zhuǎn)速n;后者是通過改變驅(qū)動輸出級的電源電壓VMOT而實現(xiàn)無級調(diào)速,圖3為OTA控制電路原理圖。此電路屬典型的模擬分壓電路,所有的三極管均工作在放大狀態(tài),R6和680Ω電阻為三極管BD436提供基極電流,對于不同的三極管,R6的取值應(yīng)不同,但最重要的是保證BD436工作在線性放大狀態(tài)。實驗時,TDA5142T的17腳電壓若與VMOT電壓之比為1∶5時,則說明工作正常,否則R6選取不當(dāng)。
2.4 實驗結(jié)果
本實驗所采用的是三相Y型直流無刷電機,額定的直流供電電壓為14V,最大工作電流為5A,額定轉(zhuǎn)速為15000r/min,極對數(shù)為4,電樞回路電阻Rs=0.04Ω。以下圖形是在CAP-DC=CAP-CD=0.01μF,CAT-ST=0.34μF,CT1=10nF下測得的波形。其中圖4為電機工作在14 000r/min時電機的一相繞組波形圖,從波形可知,系統(tǒng)在高速運轉(zhuǎn)的情況下工作穩(wěn)定。圖5為空載時電機的調(diào)速特性曲線,表明利用此驅(qū)動系統(tǒng)較好地實現(xiàn)了電機的驅(qū)動與控制。實驗結(jié)果表明,系統(tǒng)工作平穩(wěn)可靠,很好地實現(xiàn)了無位置傳感器無刷直流電機起動和控制。 3 結(jié) 論
采用TDA5142T芯片和MP6403芯片構(gòu)成的無位置傳感器無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)簡單實用,在工業(yè)控制中具有廣泛的應(yīng)用價值。
參考文獻:
[1] TOSHIBA.MP6403[EB/OL].www.fairchildse mi.com,2001.
[2] 譚建成.電機控制專用集成電路[M].北京:機械工業(yè)出版社,1996,156-164.
[3] Philips Brushless DC motor driver circuit,[EB/OL]www.fairchildsemi.com,June 1994. (
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