基于TB6551FG正弦波驅動的無刷直流電機控制系統研究

許 煒 余曉華 闕宇瀟

（廣東志高空調有限公司，廣東 佛山 528244）

0 引言

隨著空調能效標準的逐年提高，設計開發節能產品已然成為當今空調企業的重中之重，直流變頻空調在近幾年得到大面積的推廣和使用。而電機作為空調的必備產品，為滿足空調的高效節能，無刷直流電機也就成為空調電機的首選產品。本文介紹了專為變頻空調用無刷直流電機設計的控制芯片TB6551FG，并結合IPM模塊SMA 6822MP及霍爾位置傳感器，構成無刷直流電機的控制系統。該系統具有控制簡單、調速方便、穩定可靠、高效節能、體積小、噪音低等特點，應用發展前景廣闊。

1 控制芯片TB6551FG介紹

TB6551FG是東芝公司推出的專用于空調三相無刷直流電機的全硬件電路控制芯片，它只需要接入3個鎖存型霍爾開關集成芯片便可先以方波方式啟動，然后產生三相SPWM信號。外接功率驅動級，實現無刷直流電動機以正弦波方式運行。其特點如下：180°正弦波控制；內置三角波發生器；內置6路可設置死區時間的SPWM驅動單元模塊；內置相位超前導通角設定；內置參考電壓調整器；內置轉速反饋脈 沖信號輸出；支持載波頻率的設定；支持過電流保護。

2 系統組成及工作原理

2.1 系統硬件組成

無刷直流電機控制系統的硬件組成原理框圖如圖1所示，它由轉子位置檢測部分、控制部分和功率驅動部分組成。本系統所選用的IPM模塊是三墾公司生產的SMA6822MP，它是一個高度集成的功率逆變系統，芯片內含6個MOSFET三相逆變橋輸出級和6個快速恢復功率二極管，內置自舉電路、柵極驅動電路、欠壓保護電路、過熱保護電路及故障信號輸出電路等。同時還提供一個7.5 V的穩壓輸出，可為控制芯片及轉子位置檢測電路提供工作電壓。轉子位置檢測部分選用旭化成公司生產的鎖存型霍爾開關集成芯片EW 632S，它由霍爾芯片、差分放大器、穩壓器、施密特觸發器和輸出級組成。

2.2 工作原理

該控制芯片主要由轉子位置信號檢測電路、正弦波發生器、死區時間產生電路、轉速控制電路、相位超前導通角設置電路、轉速反饋脈沖電路和保護電路等幾部分電路組成。根據轉速控制電壓輸入信號及霍爾IC輸出的轉子位置信號，輸出6路帶死區時間的正弦波PWM信號和轉速反饋脈沖信號，從而實現一個以正弦波方式運轉，速度、電流及溫度三閉環的控制系統。

2.2.1 正弦波PWM信號的產生

控制芯片根據檢測到的霍爾信號HU、HV、HW，產生調制波SU、SV、SW，如圖2所示。調制波和三角波相比較后生成180°正弦波PWM信號U、V、W、X、Y、Z，如圖3所示。同時調制波的調制比，可由轉速控制電壓進行控制。

圖2 霍爾信號波形與調制波信號波形

圖3 180°正弦波PWM信號波形

2.2.2 死區時間的選擇

當無刷直流電機以正弦波PWM驅動旋轉時，為防止功率橋同一橋臂的上、下兩個功率器件發生同時導通而造成電路短路，控制芯片會產生一個死區時間，即功率橋同一橋臂的上、下兩個功率器件同時關斷輸出的時間。死區時間由控制芯片的第10（Td）腳決定，可設定為2.6 μs和3.8 μs這2個值。當Td腳接地時死區時間設定為3.8 μs；當Td腳接5 V時死區時間設定為2.6 μs。

2.2.3 相位超前導通角的設定

無刷直流電機運行時，最理想的狀態是反電動勢過零點和相電流過零點的相位重合，此時電機的三相轉矩疊加在理論上是一個恒定轉矩，轉矩脈動最小，電機效率也有所提升。

為提高電機效率，降低轉矩脈動，可以利用控制芯片TB6551FG的第23（LA）腳來實現。如圖4所示，利用芯片的5 V穩壓輸出，外接分壓電阻R1、R2，通過R1和R2不同阻值的組合，調節LA 腳的模擬輸入（0～5 V）進行設定相位超前導通角?？刂菩酒瑑炔?位A/D轉換器將0～58°均分為32份。設置時，0°對應于0 V，58°對應于5 V。

2.2.4 保護電路

為確保電機安全運行，在異常運行中得到正確、及時的保護，本文利用控制芯片的Idc腳，實現過電流、過溫雙重保護。

保護電路的工作原理如圖5所示。

（1）A點電壓隨電機運行電流I1的增大而升高，當A點電壓升高到0.5 V時，控制芯片實行門極閉鎖保護，保護在每個載波周期釋放一次，因此電機處于限電流狀態下運行。

（2）當電機溫度升高時，RT（正溫度系數熱敏電阻）的阻值增大，I2減小，A點電壓升高。當A點電壓升高到0.5 V時，控制芯片實行門極閉鎖保護，保護在每個載波周期釋放一次，因此電機處于限溫狀態下運行。

圖5 限流、限溫保護電路

3 試驗結果

采用408 mm×134 mm軸流扇葉（一匹分體空調室外機所配置的扇葉）作為負載，實測額定轉速下無刷直流電機的相電流，相電流波形如圖6所示。由圖可見，正弦波電流的波形平滑，因而電機的轉矩脈動較小。

合理地設定了相位超前導通角，電機效率得到提升，電機溫升控制在20 K以內；合理地設計了限溫、限流保護電路，堵轉時電機繞組最高溫度控制在100 ℃以內，符合直流變頻空調產品的實際要求。

圖6 無刷直流電機相電流波形

4 結語

本文實現了基于TB6551FG的無刷直流電機正弦波驅動控制，技術方案可靠，電機運行安全穩定。由于該芯片為純硬件電路，更具MCU所無法比擬的抗干擾能力。本系統電路結構簡單，可移植性強，只需在硬件電路上稍作改動，亦可應用于廚房風扇、按摩器、熱水器、抽油煙機、洗碗機泵等電機之中，具有十分廣闊的市場應用前景。

［1］Toshiba Corporation.TB6551FG Datasheet［Z］，2012

［2］ Sanken Electric Co.,Ltd.SMA6822MP Datasheet［Z］，2010

［3］譚建成.TB6539N/F三相正弦波PWM無刷直流電動機控制器芯片［J］.國外電子元器件，2005（6）：39～42

［4］夏長亮.無刷直流電機控制系統［M］.科學出版社，2009