TB6588FG的無(wú)傳感器BLDC電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

摘要：無(wú)傳感器BLDC電機(jī)具有直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)方案采用東芝三相直流無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器TB6588FG和MSP430F12012作為核心硬件電路，詳細(xì)介紹了電機(jī)調(diào)速控制電路、電機(jī)保護(hù)電路和電機(jī)速度調(diào)速的信號(hào)檢測(cè)及調(diào)整的軟件實(shí)現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞：TB6588FG；三相無(wú)刷電機(jī)；MSP430F2012

引言
    永磁無(wú)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(wú)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(wú)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SP430F201 2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(lái)進(jìn)行閉環(huán)速度控制。
    在無(wú)傳感器無(wú)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(wú)傳感器無(wú)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(kāi)環(huán)啟動(dòng)，在電路設(shè)計(jì)上較為復(fù)雜，與閥門(mén)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(zhuān)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(wú)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(kāi)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(mén)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(kāi)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(wú)傳感器無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)而設(shè)計(jì)的專(zhuān)用控制芯片，通過(guò)改變模擬電壓改變PWM的占空比，來(lái)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(guò)流保護(hù)功能。供應(yīng)電壓為7～42V。具有正反轉(zhuǎn)控制功能。具有控制星形連接的無(wú)傳感器無(wú)刷直流電機(jī)的所需要的全部功能，主要功能包括：?jiǎn)?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(wú)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(lái)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)。[!--empirenews.page--]

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。

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(kāi)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(guò)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(xiàn)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(lái)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T(mén)FIX=0．69×C2×R1。b階段是強(qiáng)迫通信時(shí)間，不同的電機(jī)通過(guò)改變C1和C2電容的值可用來(lái)調(diào)整電機(jī)的啟動(dòng)。

4 過(guò)電流保護(hù)電路
    閥門(mén)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(guò)內(nèi)部的比較器來(lái)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(guò)電機(jī)線(xiàn)圈的電流通過(guò)R1電阻的采樣送入驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部，通過(guò)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(guò)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=0．33 Ω時(shí)，最大限流電流為：Iout=0．5 V／0．33 Ω≈1．5 A。

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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(méi)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)，MSP430 F2012定時(shí)器具有捕獲功能，通過(guò)捕獲速度脈沖的上下沿來(lái)算出速度，然后去調(diào)整數(shù)字電位器的阻值來(lái)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(guò)MSP430F2012的兩個(gè)I／O口來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)方式是UP／DOWN。通過(guò)設(shè)置CAT51 19可使阻值最大調(diào)整為10 kΩ，最小為100 Ω，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)／min時(shí)，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)字電位器的阻值，來(lái)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。

5．3 程序軟件流程
    因?yàn)椴捎秒姍C(jī)專(zhuān)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(guò)調(diào)整模擬電壓來(lái)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。

結(jié)語(yǔ)
    針對(duì)閥門(mén)的無(wú)傳感器三相無(wú)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。