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纯硬件电动油泵用无刷直流电机控制器设计
 
 

                                        纯硬件电动油泵用无刷直流电机控制器设计
  摘要:文中根据电动油泵用电机的特性要求,基于ML4425设计了一款全硬件电动油泵用无位置传感器无刷直流电机控制器。提出了通过增加简单电路、利用较少成本来提高系统工作性能的方法。该控制器主要包括线性稳压电路设计、MT4425外围电路设计、电机平稳起停电路设计、三相功率桥及其驱动线路没计。经实验验征,控制器运行良好。
    关键词:ML4425;电动油泵;无位置传感器;无刷直流电机
  0  引  言
  电动油泵用电机机内气隙为油路的一部分,工作环境比较恶劣,易使霍尔传感器发生各种故障,而且传统直流电机的电刷磨损也容易对lT作介质柴油带来污染,采用稀土永磁无位置传感器无刷直流电机就可以避免这些问题。为了具有较好的商用价值,电动油泵用无刷直流电机的无传感器控制系统也要求硬件电路简单、可靠、便于维护,且成本较低,以使其具有较好的商用价值。为此,本设计采用了基于无刷直流电机无传感器控制的专用芯片MIl4425的全硬件控制电路来实现对电动油泵用无刷电机的控制,在有效降低成本的同时,保证系统具有较优的性能。
    此芯片要求对所控制的电机的性能和参数有深刻地了解和掌握,除了通过计算选择外围器件,还要根据实验对部分参数进行调整。本文综合考虑了以上因素,阐述了一些关键参数的计算并通过增加简单电路提高r整个系统的工作性能。
    ML4425主要外围电路参数选择M14425是Micr0Linear公司推出的一种智能型无位置传感器永磁无刷直流电机控制器专用电路。
    该电路内置起动电路、锁相环逻辑换向电路、PwM速度控制电路和过电流保护电路。它利用电机的相反电势信号,采用PLL(锁相环)技术来确定正确的换向时序,这一专利技术可以在较宽的范同内实现三相无刷直流电机的换向,且对于PwM噪声和电机缓冲电路的干扰不敏感。MM425采片j恒定载波频率PwM控制策略,内置限流电路能够限制电机的工作电流,利用片内运放实现速度的闭环控制。
    ML4425外围电路参数中,起动参数、VcO滤波参数和速度闭环补偿参数的选取至关重要。若起动参数选取不当,则系统无法正常起动;若VcO滤波参数选取不当,系统一进入加速状态即停机;若速度闭环补偿参数选取不当,系统进入PwM速度控

    制状态下,将会出现停转或堵转的现象。
    1.1起动参数的选取


   小,直至电机由静止变为转动或南转动变为静止,则最后一次换电容之前的值即为****起动电容值。
    需要注意的是,起动电容过大,电机也能正常运转,但起动时间拉长,起动时效率降低。

    19脚的cRT和21脚的CRR的大小影响的是电机由复位校准状态加速到PwM稳定控制状态这一过程。前者决定时间,电容越大,时间越长;后者决定加速度,电容越大,加速度越小。二者的初始值都可先设为lμF再在试验中根据实际情况调整。
    本实验中,三个初没参数均合适。
    1。2 vcO滤波电路参数的选取
    VcO滤波电路是整个反电动势PLL换相电路的重要组成部分,它用于滤除鉴相器输出电流中的****组合频率和其他干扰分量,并保持PLL换相电路的稳定。滤波网络电路如图1所示,参数可按下式计算。

    1.3速度闭环补偿参数的选取


   脚5通过串接电阻、电容形成对电机速度的闭环补偿使系统运行稳定。R、c参数的大小,决定电机调速的动态响应:可初选R=51 kΩ、c=1 kΩ,在线路调试中再作优化。

    2控制电路设计
   2.1稳压电路设计
   系统功率桥供电电压为24 V,而M14425的电压为12 v,需要进行稳压电路设计,本系统中采用LM7812,如图2所示。


    2.2三相功率桥及其驱动线路设计由于MM425的A、B、c三相上桥臂驱动信号为低电平有效,故选三相功率桥的上桥臂功率管为P沟道MOS功率管IRFR9120;而MM425的A、B、c三相下桥臂驱动信号为高电平有效,故选三相功率桥的下桥臂为N沟道MOs功率管IRFRl20。在由ML4425输出的触发脉冲信号中,输出高电平为“v,低电平为O.5 V,故可直接用MI_4425的低边触发器输出信号驱动三相功率桥的_F桥臂功率管;同时由于三相桥的直流母线电压为24 V,ML4425的高边驱动器无论输出高电平(11 V)或低电平(0.5 v),上桥臂MOs管将始终处于导通状态。故需在ML4425的高边驱动器引脚与上桥臂MOs管的栅极间加一缓冲驱动极,使高边驱动器为低电平时

  

  上桥臂MOs管导通,反之则不导通。
    从使设计线路简单,降低控制器的成本的角度出发,本设计采用i极管直接作为三相上桥臂的高端缓冲器:如图3所示。

    2.3电机平稳起停电路设计
    在用M14425芯片控制无刷直流电机时,存在两个问题:
    1)MI4425只有在上电时能够进入校准模式,而在芯片正常工作下无法进入校准模式,从而无法重新起动电机。
    2)刹车引脚为低电平时,会使电机突然停下,容易造成电机系统过大的冲击。
    为了解决以上问题,特设计了一种较简单的电路,使电机在刹车时,等待电机降到较低转速时,才使刹车引脚起作用,避免对电机造成过大的冲击,同时在电机制动之后,使控制系统自行进入到校准模式,为电机的重起作准备,从而实现电机能够较平稳起停。
    该电路及实现原理如下:
    要实现电机的平稳起停,获得有效的电机转速信号是关键。而ML4425的VOc/TAcH引脚,在电机正常运转时输出电机换向方波,换向方波的频率与电机转速成正比;在电机停转时,输出高电平。
如图4所示,将换向方波信号转换为模拟速度反馈信号,voc/TAcH输出的方波信号经过三极管反向对电容c、进行充放电,从而维持speed电平vb在当电机以较高速率运行时,脚VOc/TAcH输出的换向方波信号频率较高,从而维持vb在一个较高值,从而使比较器输出一端一直处于集电极开路状态,这样引脚及引脚皆保持在高电平,而不受比较器影响。当点击速度较低时,脚VOc/TAcH输出的换向方波信号频率较低,电压vb波动较大,当电压最小值小于比较器的比较电平时(1.1 V),引脚及引脚皆被设置在低电平,电机制动。电机制动后,vOc/TAcH输出为高电平,三极管保持在导通状态,¨、电压一直保持为低电平(O.7 V左右),而使刹车状态稳定。
    要重起电机时,可调节speed set电压,使之大于比较电平时,比较器l、2集电极均开路,BRAKE引脚冈为芯片内部有上拉电阻,所以立即变为高电平,退出刹车状态,此时cAT引脚仍为低电平,芯片内部有一750 nA的恒流源为其充电,芯片进入校准状态。
    充放电回路方程如下:

    3实验验证
    本实验所选电机额定电压24 v,额定转速2500 r/mint,****转速3200 r/min。实验所测的波形如下:

 


    由图6和图7可见电机运转稳定。电机的闭环负载调速特性如图8所示,调速特性曲线近乎一条直线,即给定电压和转速是线性关系,可以实现平滑调速。

 


    4结论
     从实验波形可以看出,换相点准确,时序正确,电机运转平滑,所以控制方法有效。将该控制器用于控制电动油泵用的无位置传感器无刷直流电机即可以降低成本的同时,又能保证系统具有较优的性能。同时该控制系统也对无位置传感器无刷直流电机系统的研究有一定的参考和应用价值。

 
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