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1、基于TDA51 42T的无传感器BLDCM调速系统设计杨国良1，高瑞光2(1燕山大学电力电子节能与传动控制河北省重点实验室，秦争岛066004； 2秦争岛市海港区海阳镇中学，秦皇岛066004)摘要：永磁无刷直流电动机(简称BLDCM)，具有结构简单、运行町靠、高能量密度，高效率等优点，在 各个领域中得到广泛应用。本文介绍了芯片TDA5142T的结构以及各管脚功能。根据无刷直流电动机的数学模 型建立了电动机的PSIM仿真模型，并给出了外接器件的选择方法，研究了基于TDA5142T无刷直流电动机在不 同运行条件下的动态性能。关键词：无刷直流电动机；TDA5142T无位置传感器控制0引言由于直流无
2、刷电动机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠。维护方便等一系列优点，又 具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，故在当今国民经济各个 领域，如医疗器械、仪器仪表、化上、轻纺以及家用电器等方面的应用口益普及。如计算机硬盘 驱动器和软件驱动器里的主轴电动机、录像机中的伺服电动机，均以数百万计地运用直流无刷电 动机。TDA5142T是Philips公司生产的无位置传感器无刷直流电机专用控制芯片，采用24脚双列 表面SOL封装，具有150mA电流驱动能力，通过外接功率MOSFET或功率晶体管，可驱动大 功率无位置传感器无刷直流电机，但电机只能工作在三相全桥星形_二导通方式，且三
3、相星形连 接要有中性点引出线。本文介绍了芯片TDA5142T的结构以及各管脚功能。根据无刷直流电动机 的数学模型建立了电动机的PSIM仿真模型，研究了基于TDA5142T无刷直流电动机在不同运行 条件下的动态性能。1芯片TDA51 42T简介TDA5142T基本结构主要包括换相逻辑、驱动输出、起动振荡器、反电动势比较器、自适应 换相延时电路、独立放大器(OTA)，此外有一个转速输出和一个热保护电路。TDA5142T只需要选定一。个启动电容CAPST，既可以实现电机平滑启动，而且系统响应速度 快，启动电流小。TDA5142T主要采用起动振荡器换相脉冲激励方法进行起动，振荡器只在电机 刚启动时T作
4、，正如上面所描述，一旦反电动势足够大，振荡器立即停止工作，电机启动完成。 刚启动时，从振荡器产生的每隔脉冲都引起TDA5142T的6个输出脚从。种状态转换到另一种状 态，从而激励电机运转。如果反电动势不够大，电机将再转一步，并在新的位置下振荡，为了防 止脉冲在错误的振荡相位到达，振荡器的幅值必须在下个脉冲到达之前有足够大的衰减。139AMP OUTVMOTH一 菩纠c揪TRANBe删 f8 6b、 23 lrJ 14I STARTUP I7210SCILLATORI l血13I奎，IvP I712|coM MUT ATI叫 OiJTT DRIVF“R 24-，I 1I二ISTAGE gllCO
5、MMUTATIONo。岬。L”TLOGIC：1wI1Hl械gTml5l一：ISTAG厂ROTATION叫OuTT 0RwER 2 sPO-_-gAND：ISTAG UETECTOR OUTPUTSTAGE_O5TPUT DRW!R 直-Ira,-二ISTAGEI自NAKILOGIC k-一=l OUIPUl 0RIVER 4 -直：IstAGE豳 1jg VCOMP-ATDA514ZT一1201COMP-B 、心一一121COMP-C lOTO、JMF COMPARATORS 22 -I - - 由 8IO51，憎一2设计原理图2足采用TDA8142T心H-“片设计的无刷直流电机控制电路，功率
6、驱动电压14V。电路由六个 功率场效应管(MOSFEF)驱动无刷直流电机，电机的三个定子绕组接成星形且有中性线引出。 与电机各绕组连接处引出3条线，接到TDA5142T的反电动势比较器的3个输入端，另外将星形 连接的中点引H线连到反电动势比较器的另一端，利用这4条线测量反电动势过零点，使电机换 相。调速由TDA5142T内部的跨导运算放大器OTA和外接的BD434放大电路实现，通过调节17 引脚的电位器Rx，改变MOSFET的电源电压VMOT，进而改变电机的转速；或者从1 7引脚外140接P W M信号进行调速。通过8脚的接地与断开实现电机的启动与停机。当8脚电位低于23V 时，电机制动；大于
7、27V时，电机正常工作。需要说明的足三极管BD434应工作在放大状态， 这可通过调节Re的阻值来实现。实验表明，当TDA5142T的17脚电压若与VMOT电压之比为 1：5时，则说明放大器工作在放大状态，否则Re选取不当。图2 TDA5142T的无刷直流电机控制电路在一个换相周期内，三个功率输出端MOTI、MOT2和MOT3都有三种可能状态：高压状态、 低压状态、高阻状态。高压状态时、绕组接通电源、有电流流入；低压状态时，绕组接地，有电 流流出，高阻状态出现在高雎状态与低压状态之间，此时绕组有反电动势存在。在一个换相周期 内，三个绕组中必有两个绕组分别处于高态或低态，只有一个绕组处于高阻态，它
8、的反电动势过 零点被用作转子位置信号供检测。不过，反电动势过零点与换相点还有300相差，这个时间问隔 由自适应换相延时电路根据电动机的负载大小自动确定，并输出给换相逻辑，控制正确的换相时 刻。反电动势过零点还可用来提供电动机的转速信息，它被转换成与转速成正比的频率信号，通 过引脚9输出。上述系统功能只有在电机旋转起来后才能实现，只有转动的时候才能产生一定幅 值的反电动势。因此，必须借助于启动振荡器使电机以步进电动机的方式启动，每一个启动脉冲 都使电动机从一个通电状态转换成下一个通电状态，使电机转动。当转动的电机能够产生足够大 的反电动势时，电路自动切换到正常的无刷直流电机-L作状态。芯片内设置
9、的启动振荡器，就是 用来产生启动时换相脉冲信号。3外接电容的选择原则电路中有四个电容：启动电容CAPST、定时电容CAPT1、自适应换相延时电容CAPDC和CAPC D，必须选择恰当，否则电机就无法正常上作。31 CAPST启动电容 启动电容决定了启动振荡器的振荡频率。如果电机的转动惯量或者力矩常数不知道，可以按141以下方法选定起动电容：(1)先使CAP-ST=1 la F，如果电机转子不动，则说明起动电容过小，增大12的起动电容 值，即使CAPST=2 u F。(2)如果电机运转良好，减少12的起动电容值，即使CAP-ST=05 1t F。(3)按照上述的12增减法，增长率大或减少C A
10、PS T的大小，直至电机由静止变为转动 或由转动变为静止，则最后一次换电容之前的值即为最佳起动电容值。本文最终确定的启动电容为100nF。32 CAPCDCAPDC自适应换相延时电容 这两个电容的值决定了最彳丰的换相时刻，它与电机的犁号和负载大小有关。在延时电路工作时，电容在一个换相刷期里被充电，在下一个周期放电。本文取换相延时电容为18nF。33 CAPTl定时电容 定时器为系统内部提供定时信号，以协调各部分工作；它的另一项功能是监视反电动势。如果电动机止常运行，反电动势会在顶定时间内出现；如果不出现，则说明电动机运转不止常，监视电路通知换相逻辑采取必要的行动。因此，定时时间太大或太小都会影
11、响正常工作。本文取定时电 容为10nF。4仿真结果在整个控制系统仿真模型中，BLDCM本体模块的最重要的部分，仿真主要是根据无刷直流 电动机的数学模型来建立的。设计过程中，BLDCM反电势的求取是难点。BLDCM反电势为梯 形波，如果反电动势波形不理想会造成转矩脉动增大、相电流波形不理想等问题，严重时会导致 换相失败。BLDCM普遍采用三相星犁绕组三相人拍120。方波驱动，每个运行周期分为人个阶 段每60。为一个换相阶段，每一相的每个运行阶段都可以用直线方程进行表示，根据任意时刻的 转子位置和转速信号，确定该时刻各相所处的运行状态，通过商线方程即可求得反电势波形。该 方法简单可行且精度较高，能
12、够较好的满足建模仿真的设计要求。因而本文采用分段线性法建立 梯形反电势波形。本文设定方波发生器的Phase Delay为0、120、240。设定Simulation Control的Time Step为1E005，Total time为005，Print Time为002后进行分析。仿真结果如图3所示。图3仿真电路图142在PSM纠、境F构建了无刷直流电机仿真模型，仿真和试验结果表明：波形符合理论分析， 系统能平稳运行，具有较好的静、动态特性。采用该BLDCM仿真模型可以十分便捷地实现、 验证控制算法，改换或改进控制策略也十分简单而且PSIM可咀非常直接地构造控制系统并观 察其结果。图4为仿真
13、出的相电流、线电压和相电压波形。iilj了了：二：二二：二二二三二：二。l一I一意线 二桩 相电压被形 =i_广il_广。i止一图5结论传统的见刷直流电机是安装转子位置传感器米实现换相，世在某些小尺寸的麻用场合安装位 置传感器比较困难。此外，转子位置传感器的安装还对电机的控制性能、可靠fE和制造_【=艺等带 来了不利的影响。正田如此，无刷直流电机无位置传感器的榨制问题便成，该领域研究的热点。 无位置传感器无刷直流电动机的应用日趋广泛，由十其良好的性能，使其成为驱动控制领域的焦 点。采用TDA5142T设计直流无刷电机控制系统，具有外围电路元件少、调速方便、工作性能稳定、维护使用方便等优点，特别
14、适用于对控制器体积、价格性能比要求较高的场合，是种较理想的无刷直流电机驱动器件。Sensorless BLDC Motor Controller Based on TDA5142TYANG Guolian91，GAO Ruiguan92(1YanShan Universi吼Qin Huangdao 066004；2 HaiYangvillageMiddle School ofhai gang districtinQinHuangdao，QinHuangdao 066004)Abstract：Peentmagnet brL_sblessDCmotor(BLDCM)bes beenwidely u
15、sedinvariousfields，foritis provided with alot ofadvantages such as reliability，high energy density，high efficiency andits simple stmcm11“b兀lshless DCmotor，withits evergmwing valuein high efficiency，hasbecomethefocus ofres叫eh Thl5 papermainlyfocusesoff the speed control systcm of BLDCM without positi
16、on senorwhich is com口osed of sensor less BLDCM mmo contmller TD5142TheN ln tight oftbematbematlcal model，the PSIM simulation mode】ofbmshlcss DC mot0 r_Is established Tlle choice ofthe externaldevicesisdiscussed The“namie propertiesin different operating conditions arealso studiedKey words：Bmshless DC moor；TD5142T；sensod嚣s comml】43。
