基于TP6584AFNG正弦波驱动的无刷直流电机控制系统

1、基于TP6584AFNG正弦波驱动的无刷直流电机控制系统马吉富 卧龙电气集团股份有限公司 浙江 上虞 312300 摘要: 介绍TP6584AFNG芯片，研究了该芯片在变频空调用无刷直流电机控制中的应用。本系统使用三相半桥驱动电路，采用180度正弦波驱动技术，利用超前角设计，达到效率高、噪音低、转矩波动低的控制效果。实际生产制造中有很好的应用价值，产生很大的经济效益。关键词: TP6584AFNG 变频调速 180度正弦波 IPM 超前角 保护 霍尔元件 无刷直流电机 Control System Of BLDC base on TP6584AFNG Sine Driver Ma jifu W

2、olong Electric Group co.,LTD Shang Yu 312300 ChinaAbstract：This paper introduce TP6584AFNG control IC , research the IC application on BLDC control in the frequency conversion air conditioner field. The system apply 3 phasic half-bridge drive circuit，apply 180 degree sine drive technology，and lead d

3、egree design . It achieve result that high efficient，low noise and low tremble of torque. The actual production and manufacturing has good application value, produced great economic benefits. Keywords：TP6584AFNG frequency conversion 180 degree sine IPMLead degree protect Hall Element BLDC1 引言 在现代空调用

4、无刷直流电机调速中越来越多的采用HIPWM调制，正弦波驱动方式。此方案是目前变频空调用应用最广泛，就性能和成本而言是业界公认的优选方案。TOSHIBA公司设计生产的处理器TP6584AFNG具有内置正弦波发生器，专为变频空调用无刷直流电机设计的。数字化PWM调速系统的关键在于如何实时的得到PWM开关信号，在PWM算法中，无论从减少电流谐波损耗，还是从母线利用率上来看， PWM占绝对优势。本文引入了TP6584AFNG芯片，并介绍了采用它与IPM模块结合实现的全数字化SVPWM变频调速系统的构成。IPM模块使用东芝公司的TPD4123AK模块。给出了实验结果，表明系统具有高效率、低噪声、低震动、

5、体积小，控制方便，运行安全可靠的特点，具有很高的性价比，有广泛的应用前景。2 控制芯片TP6584AFNG介绍 TP6584AFNG是TOSHIBA公司专门针对变频空调用无刷直流电机设计的一个驱动控制器。它是全硬件电路，具有MCU无法比拟的抗干扰能力。载波工作频率16.7KHz，内置马鞍波形和三角波发生器。马鞍形波与三角波比较法也就是谐波注入PWM方式(HIPWM),其原理是在正弦波中加入一定比例的三次谐波,调制信号便呈现出马鞍形,而且幅值明显降低,于是在调制信号的幅值不超过载波幅值的情况下,可以使基波幅值超过三角波幅值,提高了直流电压利用率.在三相无中线系统中,由于三次谐波电流无通路,所以三

6、个线电压和线电流中均不含三次谐波。TP6584AFNG另外包括6路带死区时间设定的PWM驱动单元模块，死区时间设定为2.0uS,有效的防止驱动IGBT上下桥臂短路，提高工作可靠性; 另外有3路独立比较器放大模块，用于位置检测的霍尔元件差分信号输入，具有7.5mV的磁滞电压滤波功能，可以提高转子位置检测精度。芯片内置Vrefout稳压模块，5V输出，提供内部逻辑工作以及外部霍尔元件工作电压。同时设计REV电机转向设置、FGC反馈脉冲数量设定，可以设置4个脉冲/转或者12个脉冲/转输出、Vsp电机控制电压输入、RES强制复位输入设定、CCS设定电机旋转方向。同时还有FG反馈输出、REV方向监控输出

7、。芯片功能丰富，使用方便可靠。另外芯片具有固定及自动超前角设置功能，LA、UL及ALA引脚组合设置自动超前角比例，在电机系统运行时作用显著，是调节电机性能的有效方案，极大的提高了电机的负载范围。3 系统组成及基本算法3.1 系统硬件组成 本无刷直流电机控制驱动系统总体结构框图如图1所示，它由控制部分和IPM驱动部分组成。本系统选用的IPM模块是东芝第五代智能功率模块TPD4123AK，它内含有1个三相H逆变桥的6个IGBT和6个快恢复功率二极管，及其HVIC高压半桥驱动及自举电路。另外含有过流保护、短路保护、驱动欠压保护、过热保护、报警输出等功能，同时还能提供一个7V输出的稳压电源。其所用元器

8、件数量比传统IPM少得多，相应可靠性也得到提高，由于这种带IGBT驱动电路且具有自诊断功能及保护功能完善的IPM模块的应用，使本系统体积更小，更可靠，更具智能化。 图13.2系统工作原理系统正弦波输入原理 如图2，系统通过检测霍尔位置，进行系统HIPWM输出调制，输出注入三次谐波的马鞍形驱动波形，输出正弦波相电流波形。图2HU为U相霍尔元件正向输出波形，过零点从磁钢经过霍尔元件位置开始。Bemf U相电机绕组反电动势波形，过零点滞后U相霍尔波形150度电角度U相上桥臂输出HIPWM斩波输出波形U相电压有效值波形U相电流波形，由于三次谐波电流电机内无通路，所以电流波形是完整的正弦波波形，但由于电

9、机是感性负载，电流波形滞后电压波形运行角度。速度控制指令。速度指令电压与内部三角波通过电压比较器，产生PWM信号。通过调节速度指令电压值，来调节PWM的占空比，实现电机的转速控制与调节。 图3转速信号输出电机自动输出转速反馈信号，采用集电极开路输出电路。外部控制系统通过检测电机输出的转速反馈信号，调节速度指令电压，使电机稳定的工作在额定转速。转速反馈接口电路如下：采用三极管集电极开路电路设计，满足空调整理控制系统的5-15V宽范围电压工作要求。 图4自动过热和过流的组合控制电路。电机通过控制电路，自动实现过电流，及其过热保护功能。保证电机安全运行。 图5电路动作原理：注: PTC 热敏电阻(正

10、温度系数)1）过电流保护当流经电机线圈绕组电流I2增大,U1电压升高,电流I1减小,Rs端电压上升,当Rs电压0.5V时,电机输出关闭,即电机瞬间停止运行.但当电机关闭,停止输出后,电流立即降低,Rs电压降低,电机又重新恢复正常工作.过流保护动作频率快,电机在限电流状态下保持运转.2）过热保护：温度保护典型值95当电机温度升高,PTC热敏电阻阻值升高,电流I1减小,Rs端子电压上升,当Rs电压0.5V时,电机输出关闭,电机停止运行.电机停止运行后,温度下降,PTC热敏电阻阻值降低,电流I1增大,Rs端子电压下降,当Rs电压<0.5V时,电机输出恢复.电机正常运行。电机过热保护时,电机内部

11、温度受到限制,并维持在一个温度点上。系统超前角设计原理自动超前角控制系统设定方案：图6图中GIN、GOUT负电阻设定电流增益放大倍数，提高超前角反应时间。图7图中UL是根据实际负载情况，设定自动超前角的最大限值。LA是设定固定超前角作用，当自动超前角工作时，使之悬空，测定LA上的电压对应相应超前角度数。根据实际负载，调节GIN、GOUT电流增益倍数，下图是自动超前角设置中超前角LA与输入VSP和IDC电流之间的关系，当转速控制VSP电压升高时，LA增大，当负载转矩增大IDC电流同时增大，LA同时随之增大，来提高电机带负荷能力，提高电机负荷点效率。如下：图8超前角自动控制系统中，电机效率控制效率

12、比较如下图：a) 无超前角调节功能b) 固定超前角调节功能c) 内部锁定IDC控制自动超前角调节d) 内部锁定IDC、VSP自动超前角调节图94 试验结果和结论 据文中所述方案，设计并制作样机，本系统工作调制频率16.7KHz,负载是分体空调室外机风扇，额定负载40W，取电路工作相电流波形如图10所示，试验结果表明系统方案正确，谐波得到抑制，电机单体以及空调整机系统电磁噪声在宽范围的调速过程中得到控制。采用限流和热保护电路，系统温升控制在55K以下。同时由于有自动超前角设计，系统额定点效率在80%以上，符合国家变频空调1级能效比要求。 本系统性能可靠，抗干扰能力强，电路结构简单，移植性强，应用前景广泛，适合大批量生产。图10作者简介：马吉富 男 本科 电仪工程师 1976年10月工作单位：卧龙电气集团股份有限公司 浙江卧龙家用电机有限公司工作内容：空调用无刷直流