北京永光高特微电机有限公司
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基于ML4435的无传感器无刷直流电动机控制系统

来源:北京永光高特微电机有限公司作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:5111

   摘要:介绍了基于反电动势法的无传感器无刷直流电动机控制芯片Mi似35的功能,并利用ATOS8535单片机作为控制核心.结合ML4435设计了相关控制系统=实验结果证明,该设计既可以减轻单片机的负担,又可以利用PWM对电机实现平滑调速,达到了全数字式闭环控制的效果。

O引  言

   无刷直流电动机利用电子换向电路解决了传统直流电动机的机械换向器问题,不仅保留了其起动转矩大、调速范围宽的优点,同叫还具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点,凶此在工业生产、航空航天以及民用等诸多领域内得剑了广泛应用。

   无刷直流电动机需要通过实时检测转子的位置来进行换相,但是采用传感器进行检测不仅不利于电机的小型化,而且降低了系统的运行性能以及可靠性。因此,利用反电动势法、续流二极管法、电感法和状态观测法等无位置传感器控制技术是研究的热点,其中以反电动势法应用最为广泛。但是该方法存在电机起动和低速运行时难以检测到反电动势信号的问题,需要采用辅助的起动方法如兰段式起动,控制比较复杂。

   本文以二相星型联结两两导通方式的无刷直流电动机为对象,设计了一种基于反电动势法的无位置传感器无刷直流电动机控制系统,系统控制核心为AVR单片机系列中的AT90S8535。为了简化系统的设计,采用了Micm Linear公司生产的脉宽调制式电机控制器ML4435,使得整个系统结构简单、稳定可靠,软件编程方便,同时可以实现数字式PWM闭环调速功能。

1 ML4435芯片功能简介

   控制系统主要由AT90S8535单片机、ML4435控制芯片、功率逆变电路以及键盘输入、转速显示等部分构成。AT90S8535用来实现电机的起停控制、转速信号处理以及PWM控制。而ML4435可以进行反电动势的检测、换相以及驱动,从而将AT90S8535从繁忙的换相控制中解放出来,更好地实现系统的整体控制,工作效率大大提高。

   ML4435属于无传感器型直流无刷电动机控制芯片,比ML4425/ML4426有新的改进和简化,外部引脚从28个减少到了20个,并且集成了所有必要的自动检测和控制功能,主要包括起动控制、制动控制、反电势换相控制、PWM速度控制、过电流保护、欠压保护等。

   ML4435的窄形20脚封装如图1所示。各引脚的简要功能如下:1号脚(ISENSE)为电机电流检测输入端,实现过流保护功能;2号脚(TACH)当SPEED FB大于O .97 V时,每个换向周期输出6个脉冲;3号脚(SPEED C0MP)为速度环补偿7元件的接点;4、20号脚(RVCO、CVCO)分别为VCO的外部电阻、电容接点;5号脚(SPEED SET)为设置电机速度的直流输入端;6号脚(RT)为IC的PWM频率设置端;7、8、9号脚(HA、HB、HC)分别为电机三相的高侧驱动输出;11、12、13号脚(LA、LB、LC)分别为电饥三相的低侧驱动输出;14、15、16号脚(FB A、FB B、FB C)分别为电机三相反电势信号输入端;l 8号脚(SPEED FB)为反电势传感补偿元件的接点;19号脚(S0FSTART)为外部软起动电容接点;10、17号脚(VCC、CND)为电源接点和接地点。

   ML4435除了能实现无传感器无刷直流电动机的控制以外,还能解决电机自起动问题。当电机静止时,反电动势为0 V,此时若向ML4435提供12 V电压,ML4435将以最低的VCO频率开始使电机换向,该频率由RVC0上的O. 2 V箝位设定,为最大换相频率的三十分之。当反电动势取样电路能够检测剑足够大的反电动势信号后,PLL锁相环电路自动跟踪锁定电机的转子位置,电机则按闭合环路控制转动,即进入闭环换相阶段。

   ML4435管脚2(TACH)可以提供频率正比于转速的方波信号,为单片机实现转速检测提供了方便。通过调节管脚5(SPEED SET)电压的大小可以改变片内产生的PWM占空比进行调速,该电压的输入范围为0~6 V,对应占空比为0~100%。电机升速时,SPEED SET端电压上升,其与速度反馈信号偏差增大,经过误差放大器输出到SPEED C0MP端,使该端电压下降,再与PWM斩波信号通过比较器后使输出的脉冲信号占空比增加,电机速度上升,同时连接误差放大器正向端的速度反馈信号随着电机转速上升而增加,当该信号接近SPEED SET电压时,电机开始稳速运行。电机的减速过程相反。为稳定调速过程,避免电机速度的改变引起SPFED SET电压的波动,可以在SPEED COMP引脚外接电容。

2控制系统的设计。

 图1系统控制电路图

   系统的硬件接口电路如图1所示。由于使用了ML4435,使得单片机无论是硬件电路还是软件编程,其工作量都大大减少。在设计中,AT90S8535主要任务是完成电机的速度设定、起/停、速度反馈等信号的输入检测,通过相应接口输出控制ML4435,电机的控制完全由ML4435控制器完成.同时还可以利用其欠压、限流功能,实现对电机的相应保护:

2.1电机速度控制

   电机上电起动后.当ML4435能够检测到反电势信号,通过PWM模式系统进入速度闭环运行状态。速度没定值由外部键盘给定,通过单片机的PD4 口输出,在这里利用PD4的第二功能0C1B,它是定时器/计数器1输出比较匹配即PWM输出。定时器/计数器1的时钟源在定时器/计数器1控制寄存器B(TCCRlB)的低3位(CSl2,CSll,CSl0)进行设置,在控制寄存器A(TCCRIA)中可以设置PWM为8位、9位或l0位。通过对定时器/计数器l输出比较寄存器0CRlAH和0CRlAL赋比较值来输出PWM,改变输出比较寄存器中的比较值,即可改变PWM的占卒比。止向10位PWM方波的占空比为(r19:r18)/3FFH,经过两级CMOS反向器4049实现电平转移,再经过滤波电路可产生模拟电压输出,其大小为:  (1)

   该电压输人到ML4435的SPEED SET引脚,即可实现电机的速度设置。

2.2电机速度检测

   由无刷直流电动机的工作原理可知,三相绕组在360°电角度周期内有六个反电势过零点,也就是进行六次换相。ML4435的2号引脚(TACH)能够输出正比于换相频率的脉冲波,这为单片机准确检测电机的转速提供了方便。

   电机转速可以利用两个定时器/计数器T/C0和T/C2来检测,前者用来定时,后者用来计数。传感器的脉冲输出到PC6引脚,T/C2用于外计数方式,每上升沿计数1次;T/C0为定时方式,8 MHz的晶振频率,256分频,每32μs计1个数。若T/CO每次置初值6,即每计250次溢出一次,则溢出时间间隔为8 ms,这样每溢出125次即达到1 s。每隔ls,求出T/C2的计数个数,即为脉冲频率ƒ。电机转速计算公式如下:

      (2)

式中:p——电机的极对数;

     N——360°电角度周期范围内换相次数,N=6;

     ƒ——换相频率,即ML4435产:生的方波信号频率

2.3电机驱动电路

   两两导通三相六状态的无传感器无刷直流电动机的驱动采用全桥驱动方式,可以使用三对P沟道和N沟道的功率场效应管MOSFET控制,上桥臂使用P沟道场效应管(如IRFP9240),下桥臂使用N沟道场效应管(如IRFP250N)。

   ML4435的电源额定电压为12 V,只能驱动低电压的无传感器无刷直流电动机。如果要驱动较高电压的电机,必须要加入电平偏移电路。电源电压低于80 V时,可以采用NPN管电平偏移电路;电源电压高于80 V时,可以采用专门的高端驱动芯片,如IR2130、IR2135等。

2.4电机起动、制动电路

   ML4435提供了电机制动功能,当制动引脚CV—CO(20号引脚)电位被拉低到1.5 V时,6路输出驱动器均关断。因此可以利用这个引脚来控制电机的起动与停止,在本设计中,CVCO引脚与单片机的PCO口通过三极管相连。当电机起动时,PCO输出为低电平,三极管截止.此时电机便处于运行状态:当制动键按下时,PCO输出高电平,三极管导通。CVCO引脚被拉低到低电平,这时电机将实现制动。

2.5电机保护电路

   ML4435提供了过流保护和欠压保护两种功能。过流保护功能由ISENSE(1号引脚)提供,电机母线电流通过传感电阻R2将信息传送到ISENSE引脚,如果R2两端电压超过19脚SOFTSTART设置的电流门限电平,则在每个PWM周期的剩余段关断输出低端驱动LA、LB、LC来实现过电流保护。R2与ISENSE之问间经过低通滤波器连接,其作用是消除因功率逆变电路中续流二极管反向恢复冲击电流在R2上产生的尖峰电压。

   欠压保护用于避免ML4435工作在低电压状态下,当V≤9.2 V时被起动。

   图1中的相关电阻、电容器件的参数设置可以根据实际电机的大小及性能,参考文献[3]中有关ML4435的外部元件参数计算公式,给出相应的数值。

3实验结果

   利用本高计对一台无刷直流电动机进行了实验验证。电机参数为:额定电压24 V,额定转速4 000r/min,额定功率54 W,反电势常数0.0048 V/r.min).转矩常数0.045 N·m/A。图2是实测的A相下桥臂MOSFET场效应管开关信号(通道1)和A相端电压波形(通道2),图3是A相对地端电压波

形(通道1)和B相对地端电压波形(通道2)。

 图2一下桥臂开关信号和A相端电压波形    

 图3 A、B相端电压波形

     从实验结果中可以看出,利用ML4435专用芯片,可以很好地实现对无位置传感器无刷直流电动机的控制,大大减轻了单片机的负担,而且整个控制系统结构紧凑,控制性能良好,达到了全数字闭环控制的效果。

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