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基于A3932的无刷直流电动机控制器的设计

来源:北京kok体育苹果版电机有限公司作者:李利网址:浏览数:6248


   摘要:以A3932尤刷电动机控制芯片作为逻辑控制器件,实现了一宴完整的电功助力车用无刷电动机控制方案由于芯片自带功率M0S管驱动能力,简化驱动电路设计的同时提高了控制器的可靠胜,此外.还包括了霍尔传感器断线检测、电池欠压保护、过流保护等保护功能一实践证明,此方案简单可靠且成本较低,有较高的实用价值。

l引  言

   电动助力车由于成本低、节能、环●!⑹褂梅奖愕忍氐闶艿饺嗣堑幕队て谝岳词褂玫闹绷鞯缁嬖谖だ选⑹褂檬倜汀⒐β市〉娜钡悖匏⒅绷鞯缍τ糜诘缍Τ狄殉晌恢智魇

   无刷直流电动机既有直流电机良好的调速性能,较高的效率,又有交流电机结构简单,维护方便的特点,因此非常适合于中功率的调速场合。在医疗器械、仪器仪表、家用电器等领域都有广泛的应用。

   无刷苴流电动机调速需使用较多的开关器件,在电动助力车无刷直流电动机控制器的设计中既要保证控制电路的可靠,又要兼顾成本,因此控制器的设计是个难点。美国Allegr公司的无刷电机控制芯片A3932提供了一种无刷电机控制器设计方案。

   常用的无刷电动机控制芯片一般只产生控制信号,而不具有驱动功率器件的能力,或者只提供下桥臂功率器件的驱动。这样仍需使用专用的驱动芯片进行驱动,或者设计信号放大电路对控制信号进行放大,但这两种方案都会增加系统成本。A3932提供三路上下桥臂的大电流门极驱动,可直接驱动功率器件,简化了驱动电路设计,降低了成本,提高了控制器可靠性。

2电动车控制电路设计方案

   以A3932为核心构成的电动助力车控制系统采用三相全桥、两两通电方式。功率器件选用六个N沟道功率MOS管75NF75,最大负载电压60 V,最大负载电流20 A。驾驶者转动转把调节速度信号输入。PWM脉冲发生器根据速度输入信号改变PWM信号的占空比。由A3932接收电机的霍尔传感器位置信号,对其进行译码,以决定换相顺序;并产生PWM信号控制功率器件的导通和关闭,从而调节加在电机定子绕组上的电压。用采样电阻检测负载电流,电机刚刚起动时,电流维持在限流值附近,系统基本上为恒流控制,以最大转矩起动;当转速达到一定值后,系统基本表现为。个恒转速控制。系统框图如图1所示,整个控制系统结构简单,可靠性高,体积小。

    图1控制系统结构框图

3无刷电动机控制系统的实现

   电动车用无刷直流电动机一般为普通轮彀电机,额定电压为48 V,额定功率为250 W,最大允许电流为15 A。电源采用48 V铅酸蓄电池供电。A3932电源电压范围为18~50 V,可以用48 V直接供电。用7805稳压器得到电机霍尔位置传感器所需的5 V电源?刂频缏分饕蒔WM信号产生电路、功率器件的驱动电路、电流反馈电路及各种保护电路组成。

3.1  PWM信号产生电路

   A3932需要外接PWM信号发生器,根据换流逻辑决定将PWM信号分配给哪一个开关器件。系统采用LM393电压比较器和一个RC振荡电路产生所需PWM信号。电路如图2所示。

   图2 PWM信号产生电路

电源Vcc通过R1对电容C1充电到分压值VccR3/(R2+R3)时,比较器U1输出由高变为低,电容迅速放电。且保持为低,直到电容电压降到低于A点电压,比较器输出重新为高,这样B点得到锯齿波,与速度输人电压比较后可得到PWM信号。通过调整R1、C1的值可调整PWM的频率f。

3.2功率器件的驱动设计

 图3功率器件的驱动电路

   由于A3932芯片自身的特点使得驱动电路非常简单,如图3所示(图中只画了一个桥臂的驱动电路)。Vreg是通过芯片内部整流得到的13 V电压,用来驱动下桥臂和为自举电容Cboost充电,芯片内部由一个P—MOS和一个N—MOS组成的推挽式电路来驱动下桥臂功率器件,可提供几百毫安的驱动电流。下桥臂导通时,Cboost充电至Vreg当下桥臂关断上桥臂导通时,由Cboost供上桥臂N—MOS导通所需的浮动电压。当某一路上桥臂长时间导通(即占空比为100%)时,Cboost的电压会下降,芯片内部的充电泵电路可以使电容电压保持在9 V以上。Cboos电容值的选择应根据所选功率MOS的门极充电电荷Qg,满足 Vleak为Cboost驱动回路的漏压降一般可取1.5 V,Vg为维持N—MOS充分导通所需电压,一般为10 V 。

3 .3电流反馈电路

   如图3所示,采样电阻Rs两端的电压通过一个阻容滤波电路加到A3932模拟量输入Sense脚,当此引脚电压达到参考电压Viref时,关闭驱动输出一段设置时间toff这段时间内负载电流下降。toff可由外接Rt、Ct设置

   重新导通之后,由于功率MOS管自身二极管的反向恢复特性,会产生瞬时的大电流,为了避免这种情况下误关断驱动输出,可以设置一段时间tblank,这段时间内芯片将忽略Sense脚的过流信号。tblank也由外接Rt、Ct决定:

通过调整Rs可以设置最大负载电流,即

3.4保护电路设计

3.4.1霍尔传感器断线保护电路

电动助力车受路面等外界环境的影响,可能出现一路霍尔传感器断线的情况,此时霍尔传感器一个周期内产生一次错码(如图4所示),A3932只在有错码输入时封锁输出,由于惯性,电动机可能继续运转,这种情况下持续的冲击电流不但会引起电机振动,也影响到电池的寿命。以120°导通的霍尔传感器为例(如图5所示),上电后触发器Q端为高--当有错码(111或000)出现时,通过一个同或门使触发器翻转,Q端输出为低,封锁到脉冲发生器的速度输入信号,起到了传感器断线保护的作用。

 图4正常情况和断线时霍尔传感器输出

   图5霍尔传感器断线保护电路

3.4 .2电池欠压保护

   铅酸电池在低压状态下长时间工作会影响电池使用寿命,因此设计中应包括电池欠压保护功能。电池电压分压后与一个固定的电压值比较,如低于此固定电压则通过二极管封锁速度输入,达到了保护电池的目的。

3.4.3芯片自身保护功能

   A3932自身也包括了各种保护功能。芯片可以检测出电机相线对地短路。当某上桥臂导通时,如N—MOS源极和漏极之间的电压超过2 V,则认为此相对地短路。另外错误的霍尔信号,Vreg<9.7 V,芯片过热等异常情况发生时,芯片将“错误输出”fault脚置1,封锁驱动输出。

4结语

   本文用A3932配合较少的外围电路实现了电动助力车用无刷电机控制。由于芯片自身的功率器件驱动功能,节省了专用的驱动芯片,在降低成本的同时,提高了系统的可靠性。

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