一種通用型三相無感無刷直流電機控制器設計

      FT300通過設置其芯片引腳DMS0~DMS6的電平(高電平標記為1，低電平標記為0)來驅動不同性能的電機，常見幾種電機驅動參考模式見表1。

　　本文將DMS0保持高電平，DMS1保持低電平，DMS2~DMS7電平由單片機相應I/O引腳控制。

　　除了模式設置外，FT300還具有以下功能：

　　PWM調速功能：電阻R1~R3、三極管Q1和電容C6構成PWM調速電路，由單片機I/O引腳發出的PWM波經過該電路輸入至FT300的SREF引腳。

　　軟啟動功能：調節電位器RW1改變RPI引腳的電壓即可改變電機啟動電流大小，調節電位器RW2改變RSF引腳的電壓即可改變電機啟動時換相頻率大小。

　　過流保護功能：當芯片FAULT引腳檢測到電機的工作電流超過設定值時啟動過流保護功能，關閉芯片輸出并等待系統自動重啟。自動重啟的時間t由RSD引腳外接的分壓電阻決定，具體計算公式如下：

　　堵轉保護功能：當電機被堵轉后，芯片RD引腳由正常狀態時的低電平變為高電平，利用R5和R6分壓后的信號傳輸至單片機的P2.4引腳，使得單片機停止輸出PWM波并等待系統自動重啟。另外由于電機啟動后3秒左右RD引腳會呈現高電平，因此為了避免誤檢測可設置在電機正常啟動4秒后開始堵轉檢測。

　　過熱保護功能：當芯片內部檢測到溫度超過150℃時，芯片自動關閉輸出直至溫度降低至安全值。

　　欠壓保護功能：當芯片VDD6引腳電平低于3V時芯片關閉輸出等待重啟。

　　正反轉功能：通過開關S2即可切換F/R引腳電平，從而改變電機轉向。由于直接切換正反轉很容易導致系統電流急劇增大，故需要先斷開開關S1以關閉驅動，再實施正反轉。

　　1.3 輔助控制單元電路設計

　　輔助控制單元電路圖如圖3所示。其控制核心選用德州儀器低功耗單片機MSP430G2553，芯片供電電壓僅為3.3V，引腳功能豐富，編程開發較為靈活^[4]。

　　液晶芯片選用16×2字符的LCD1602，可以通過電位器RW1調節液晶屏顯示對比度，將其D0~D7引腳與單片機的相關引腳相連用于顯示電機工作模式、實時轉速、調速指令等信息。

　　FT300的PWM調速信號波是由單片機內部定時器比較產生并通過P3.4引腳輸出，通過按鍵S4、S5分別增、減PWM波的占空比來實現調速。另外將FT300芯片FG引腳的電機反電勢頻率通過光耦合器TLP521傳輸至單片機P2.3引腳可以實現閉環調速。

　　此外單片機還可以設置FT300的驅動模式，選用兩塊單電源四通道運放芯片LM324構成電壓比較器，將LM324電源電壓設置為6V，通過R10和R11分壓得到其反相端參考電平Vref=1.65V，單片機的I/O引腳連接至芯片同相端即可解決MSP430G2553與FT300數字信號電平匹配問題。

　　1.4 預驅動及逆變器單元電路設計

　　預驅動及逆變器單元電路如圖4所示。逆變器的6個功率開關管^[5]采用N型MOS管IRFP450，功率管驅動器選用雙通道高速芯片IR2101，其柵極驅動電壓范圍為10V~20V，通過自舉電容可使高壓側通道的輸入信號電平高達600V。在MOS管柵極加入100Ω的電阻用來防止信號振蕩。

　　將電機電磁線圈U、V、W中的三路反電勢信號分別經過固定比例降壓、低通濾波后輸送至FT300的反電勢檢測引腳EMF-U、EMF-V、EMF-W來獲取轉子位置信息^[6]，用于位置環控制以及轉速反饋^[7]。

　　逆變器外圍保護電路由電阻R20、R21，電容C17和三極管Q2構成，可通過改變電阻R20來調整電機允許電流范圍，本文R20取0.33Ω的1%金屬碳膜電阻。

　　3 實驗數據

　　本文選用無刷直流電機57BL115S18-230TF9作為實驗對象，該電機具體參數見表2。

　　設置了兩種方案進行性能對比測試。其中方案1設置FT300的DMS0~DMS6的電平狀態為1001110，即設置電機驅動模式為各類風扇、風機驅動，方案2將FT300的DMS2~DMS7均置低電平，即不考慮電機驅動參考模式。通過按鍵S4、S5分別執行加、減速操作，采用測量精度為0.05%的光電型非接觸式轉速表進行實時測速，同時將實驗裝置的電源插頭連接功率精度為2%的電力計量插座進行功率檢測，得到的實驗數據見表3。

　　由表3可知，在同樣的操作標準下，方案1由于設置了電機驅動模式，其綜合損耗較方案2少，由此表明芯片FT300的電機模式匹配設置在節能降耗方面具有明顯優勢。

　　4 結論

　　該通用型三相無感無刷直流電機控制器可以根據電機性能需求設置不同驅動模式，匹配電機功率輸出可高達上千瓦。在提高系統效率和減少損耗方面效果顯著，符合國家倡導節能及環保的要求。

　　參考文獻：

　　[1]徐敬成,凌云,陳海東,等.無刷直流電機遠程調速控制方法[J].湖南工業大學學報,2017,31(1):52-55.

　　[2]應用手冊及評估板[EB/OL].http://www.doc88.com/p-5876861209755.html

　　[3]FT300,無感方波系列[EB/OL].http://www.fortiortech.com/zh-cn/productshow.asp?id=26&i=1

　　[4]MSP430G2553數據手冊[EB/OL].https://wenku.baidu.com/view/dfb29fac284ac850ad024287.html

　　[5]BrianChu.簡化三相BLDC電機控制和驅動系統的策略[J].電子產品世界,2014,21(09):14-15.

　　[6]鄧少華,孫琦,高強,王鐵流.采用STM8S的無刷直流電機控制系統的設計[J].電子產品世界,2013,20(01):49-50+56.

　　[7]徐敬成,凌云,侯文浩,等.一種帶微分負反饋的無刷直流電機模糊優化PI控制方法[J].新型工業化,2018,8(6):1-6.

本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2019年第1期第31頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處