一种无传感器BLDC电机的设计与实现

　　摘要：无传感器BLDC电机具有直流电机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，现已广泛应用于工业控制的各个领域。本设计方案采用TB6588FG无传感器BLDC电机，详细介绍了电机调速控制电路、电机保护电路和电机速度调速的信号检测及调整的软件实现方法。

　　关键词：TB6588FG；三相无刷电机；MSP430F2012

　　引言

　　永磁无刷直流电机及其控制一直是电机发展的研究热点。无刷直流电机体积小，效率高。它既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便的特点，又具备直流电机那样良好的调速特性而无机械式换向器，现已广泛应用于工业控制的各个领域。本控制系统设计了以SP430F201 2单片机及TB6588FG集成驱动器为的硬件平台，微处理器采集TB6588FG的速度反馈脉冲，利用数字电位器调整电压来进行闭环速度控制。

　　在无传感器无刷直流电机的控制中，转子位置的判断、电机的启动及电流的换相均由控制系统完成，功能十分复杂，对控制装置的硬件与软件设计提出了很高的要求。采用基于DSP的无传感器无刷直流电机控制方法，借助DSP的强大的运算处理能力，完成软件实现的反电动势（反电动势一般出现在电磁线圈中，如继电器线圈、电磁阀、接触器线圈、电动机、电感等。通常情况下，只要存在电能与磁能转化的电气设备中，在断电的瞬间，均会有反电动势，反电动势有许多危害，控制不好，会损坏电气元件）检测换相和开环启动，在电路设计上较为复杂，与阀门控制系统要求电路设计简单的要求相矛盾，而且在软件的编制上也有一定的难度。本设计采用的TB6588FG专用控制器，使系统控制电路十分简单，内部具有驱动电路，不需外配MOS管，mos管是金属—氧化物半导体场效应晶体管，或者称是金属—绝缘体—半导体。MOS管的source和drain是可以对调的，他们都是在P型backgate中形成的N型区也无需使用DSP等高端控制器芯片，只需要使用一颗普通的MSP430就能完成系统的控制功能。软件上大大简化，微处理器只需对外面的开关信号做出处理，就能实现电机可靠的运转。

　　无刷直流电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数（P）影响： n=60* f / P。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制（驱动器），控制定子旋转磁场的频率 并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子 维持一定的转速。

　　1 系统总体设计

　　在阀门控制设计中，对设计者的挑战是如何电路设计简单，在有限的空间里放置电子元器件。本设计中采用MSP430F2012作为系统的控制，处理电机的启停、速度检测、速度调节，并对外面的开关量进行处理。将有关电机的所有控制功能交给TB6588FG处理，系统的硬件框图如图1所示。

　　TB6588FG是为三相（多相交流电系统的一种。有三相四线星形和三相三线三角形两种结线方式。在对称的三相系统中，三根相线上的交流电各电动势的频率和电压都相等，彼此相差120°相位。是发电、输电、供电的基本方式）无传感器无刷直流电机驱动而设计的专用控制芯片，通过改变模拟电压改变PWM的占空比，来调节速度。驱动电机的电流典型值为1.5 A，峰值高达2.5 A，具有过流保护功能。供应电压为7～42V。具有正反转控制功能。具有控制星形连接的无传感器无刷直流电机的所需要的全部功能，主要功能包括：启动电路，反向电动势换相控制，PWM速度控制，欠压限流保护等。使用TB6588FG，无论从硬件上还是软件上，减少了单片机的工作量，用体积小、价格很便宜的MSP430F2012，就可完成所有的工作。单片机主要完成电机速度脉冲检测，然后控制算法调节数字电位器，来改变控制速度的模拟电压，调节速度。TB6588FG具有欠压限流功能，实现对电机的保护。

　　2 电机控制电路设计

　　TB6588FG电机控制电路如图2所示。

　　3 电机启动

　　电机的启动基于VSP的模拟输入电压。当此电压大于1 V时，电机开始启动，此时电机处于静止状态，电机的转子的位置不能确定。首先通过一个激励电压，使电机进入直流激活模式。当电机转动的时候，检测到电机线圈的反向电动势。然后驱动器进入强迫通信模式，强迫通信模式的时间被外部的电容来决定。如图3所示，a阶段是DC激活时间，DC激活时间的调整公式为TFIX=0.69×C2×R1。b阶段是强迫通信时间，不同的电机通过改变C1和C2电容的值可用来调整电机的启动。

　　4 过电流保护电路

　　阀门控制在实际应用中经常会发生电机堵转的意外情况，电机堵转可能会造成电源和电机的烧毁。TB6588FG的限流保护是通过内部的比较器来实现的，如图4所示。驱动器内部具有一个比较器，负输入端固定电压为0.5 V，流过电机线圈的电流通过R1电阻的采样送入驱动器内部，通过驱动器内部的滤波网络接入比较器的正输入端。如流过R1的电流大于设定值，则此电压会大于0.5 V，驱动器关闭内部驱动电路。在此电路中R2和C2是起RC滤波作用，防止PWM，PWM又称为脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。 切换时的噪声引起的保护误动作。如当R1=0.33 Ω时，限流电流为：Iout=0.5 V／0.33 Ω≈1.5 A。

　　5 速度检测控制

　　5.1 速度检测

　　TB6588FG具有速度输出脚FG_OUT，电机没有启动或电机发生异常时此脚输出为低电平。当电机被正常启动，此脚输出速度信号，MSP430 F2012定时器具有捕获功能，通过捕获速度脉冲的上下沿来算出速度，然后去调整数字电位器的阻值来调整控制速度的电压。

　　5.2 速度调节电路

　　CAT5119具有32为节点，阻值为10 kΩ的数字电位器。通过MSP430F2012的两个I／O口来进行调节，调节方式是UP／DOWN。通过设置CAT51 19可使阻值调整为10 kΩ，为100 Ω，这样控制速度的范围为500～2500转／min，如当需要调整转速为1200转／min时，通过动态调整数字电位器的阻值，来适应负载的变化，使速度稳定在设定的范围上。模拟调压电路如图5所示。

　　5.3 程序软件流程

　　因为采用电机专用驱动芯片，所以电机的控制软件就很简单，主要的工作就是设置MSP430F2012的内部定时器的工作方式。其具有两个捕获定时器，捕获的触发方式选择上下沿捕获，然后把两次捕获的定时器的数字相减，就可得出速度。如果跟设定有误差，通过调整模拟电压来调整速度。软件调速的中断服务程序流程如图6所示。

　　结束语

　　针对阀门的无传感器三相无刷电机控制系统的特点，采用MSP430单片机，MSP430单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集结构，具有丰富的寻址方式7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序结合TB6588FG设计的电机调速控制系统。利用了TB6588FG的硬件电路，简化了整体的电路设计，同时降低了软件的编程难度，使整个系统更加稳定可靠。