基于大型農用機械EPS的電機驅動芯片A4935的應用

李志鵬 史松卓

摘要 以A4935芯片為電機驅動控制芯片，以TMS320F28035 DSP為控制核心設計了一種用于大型農用機械轉向系統的電機控制電路，通過試驗驗證，當大型農用機械轉向時，通過調節電機的占空比很好地緩解了轉向沉重的現象。

關鍵詞 大型農用機械;A4935驅動芯片;DSP

中圖分類號 S24 ?文獻標識碼

A ?文章編號 0517-6611（2015）03-355-03

Application of Large Agricultural Machinery and Motor Drive Chip A4935 Based on EPS

LI Zhipeng， SHI Songzhuo*

（College of Transportation， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040）

Abstract ?Taking the A4935 chip for motor drive control chip， with TMS320F28035 DSP as the control core to design a steering motor control circuit system for large agricultural machinery. Through the experiment， when the large agricultural machinery steering motor， adjusting the duty ratio can ease the phenomenon of heavy steering.

Key words ?Large agricultural machinery; A4935 driving chip; DSP

目前，大型農用機械在提高生產效率和節約土地資源的方面發揮著舉足輕重的作用。但是，由于這些機械的體積和質量較大，在轉向時會使駕駛員產生轉向沉重的感覺，從而影響駕駛員對機械控制的穩定性，影響正常的農業生產。為了解決這一問題，筆者以A4935為電機控制芯片，設計了一種轉向助力系統，通過觀察助力電機的輸出占空比，證明該系統能夠很好地改善轉向沉重的現象，增加駕駛員對機械操縱控制的穩定性。

1 A4935的功能特點

1.1 主要特點

A4935是美國Allegro公司生產的新型N溝道3相MOSFET控制器，主要用于汽車和大型農用機械的大功率助力電機領域。它具有獨特的電荷泵穩壓器，能夠提供完整的門驅動，使電池電壓從10 V下降到7 V，并可使A4935柵極驅動電壓下降至5.5 V。A4935的自舉電容器用于提供N溝道MOSFET需要的電池電源電壓。三相全橋逆變電路控制所有6個功率MOSFET管，可以使用電機驅動換向塊或正弦激勵使三相全橋逆變電路導通。A4935芯片內部集成交叉控制保護和可調電阻保護，有睡眠模式和空閑模式和低電流休眠模式3種工作模式，可以進行制動功能和死區時間設置，同時可通過功率管交叉傳導的方式控制死區時間。芯片的電橋電流測量可以使用一個集成的電流檢測放大器。由外部電阻定義增益和失調量。同時芯片還具有不受約束的電流檢測放大器的功能。

2 A4935的結構特征

2.1 通電控制規律

A4935內部包含全橋驅動的邏輯控制單元，通過PWMH端和PWML端和COAST端能夠實現各種各樣的三相橋式電路控制。采用正弦電流控制，每個FET管的三相都可以不通過PWM和COAST被單獨控制。這就要求性能更高的外部控制器提供各相的PWM輸出，如果需要全面控制外部死區時間，這需要6個PWM輸出，每個FET管需要一個。在PWM關斷期間，互補場效應晶體管被打開將體二極管短路，并提供同步整流。表1為A4935全橋驅動的通電規律。

表1 A4935全橋驅動通電規律

輸入RDEADRESETCCENCOASTPWMHPWMLxHIxLO輸出GHxGLxSx

x1xxxx00LLZ

x1x11101LHLS

x1x11110HLHS

>0.2 V1xxxx11LLS

x1x10101LHLS

x1x10110LHHS

x1x11001HLHS

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x1x10010LHLS

AGND1x11011HLHS

AGND1x10111LHLS

作者簡介 李志鵬（1963- ），男，教授，博士生導師，從事農產品采摘機和農業機械轉向控制技術研究。*通訊作者，碩士，從事機電一體化研究。

收稿日期 20140000

2.2 自舉電容的選取

自舉電容CBOOT的選取關系到A4935能否正確的運行，如果電容值過高，會導致充電時間過長，增大PWM占空比的頻率;如果電容值偏小，由于電荷共享，電荷從CBOOT轉移到FET管的柵極時會產生很大的電壓降，為了減小電壓降，自舉電容

CBOOT的電壓值VBOOT要遠大于FET管柵極的電壓值QGATE一般采用CBOOT=20QGATF，下式為CBOOT的計算公式：

QBOOT=CBOOT×VBOOT=QGATE×20

2.3 制動控制

A4935可以用來強制執行關閉所有FET的高低電平端，或者迫使所有FET管的低電平端關閉，高電平端動態制動。這種制動方式可以產生一個制動扭矩，適用于采用反電動勢法檢測轉子位置無位置傳感器無刷電機，制動時負載電流可以近似為：

IBEME=VBEMERL

3 A4935的應用電路

A4935無刷直流電動機驅動集成電路由于其集成度高， 外圍元件少， 使用起來非常簡便。其外圍電路連接如圖1所示。

圖1 A4935外圍電路連接圖

應用TMS320F28035DSP與A4935芯片實現無位置傳感器無刷電機的驅動控制，DSP與A4935芯片通過DSP的GPIOA和GPIOB口實現通信。TMS320F28035芯片內部帶有AD轉換器^[1-3]，所以無需搭建AD轉換電路。A4935的XHI和XLO端通過分別三極管放大與DSP的ADCIN0、ADCIN1、ADCIN2相連通過調節XHI和XLO的電壓值來實現電機的正轉與反轉功能，PWMH和PWML同時連接到DSP的EPWM端，通過調節占空比控制電機的轉矩和速度。圖2為 DSP控制無刷電機結構框圖。

圖2 DSP控制無刷電機結構示意圖

由于無位置傳感器電機內部無位置傳感器，所以需要外接電機轉子位置監測電路^[4-5]。圖3為電機反電動勢檢測電路圖，電機輸出端電壓信號首先通過左邊框圖構成的低通濾波電路消除高頻噪聲，C₂為隔直電容用來消除三相電壓不對稱所產生的零點漂移。電路的主體部分為右邊框圖構成的電壓滯回過零比較器，比較器的翻轉點與電機的換相時刻相對應。比較器的輸出信號為±15 V的方波信號，DSP的捕捉模塊接口CAP的輸入電壓為0～3.3 V，因此比較器的輸出信號需經過光耦合器件整形，信號最終被DSP的CAP引腳捕獲。原理圖中的穩壓二極管D1起到保護DSPI/O的作用。

4 試驗驗證

圖4為電機轉至左極限時的PWM波形，與之相對應的電機輸出電流值為圖5所示，電流值為31.1 A。圖6所示的PWM波形為電機轉至右極限時的PWM波形，與之相對應的電機輸出電流值為圖7所示，電流值為-31.2 A。無刷電機能夠提供的電流為31 A左右，這就大大提高了電機提供的助力扭矩，使EPS系統能夠應用在大型農用機械上。

5 結束語

該設計所使用的無刷電機為額定功率600 W，額定電壓12 V的電機，A4935芯片能夠使電機穩定工作，芯片能夠承受30A至40A的較大電流，通過示波器觀察，電機輸出的PWM穩定，能夠很好的改善大型農用機械轉向沉重的現象。

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