TB6588FG的无传感器BLDC电机控制器设计

     摘要：无传感器BLDC电机具有直流电机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，现已广泛应用于工业控制的各个领域。本设计方案采用东芝三相直流无刷驱动器TB6588FG和MSP430F12012作为核心硬件电路，详细介绍了电机调速控制电路、电机保护电路和电机速度调速的信号检测及调整的软件实现方法。
关键词：TB6588FG；三相无刷电机；MSP430F2012

引言
    永磁无刷直流电机及其控制一直是电机发展的研究热点。无刷直流电机体积小，效率高。它既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便的特点，又具备直流电机那样良好的调速特性而无机械式换向器，现已广泛应用于工业控制的各个领域。本控制系统设计了以SP430F201 2单片机及TB6588FG集成驱动器为核心的硬件平台，微处理器采集TB6588FG的速度反馈脉冲，利用数字电位器调整电压来进行闭环速度控制。
    在无传感器无刷直流电机的控制中，转子位置的判断、电机的启动及电流的换相均由控制系统完成，功能十分复杂，对控制装置的硬件与软件设计提出了很高的要求。采用基于DSP的无传感器无刷直流电机控制方法，借助DSP的强大的运算处理能力，完成软件实现的反电动势检测换相和开环启动，在电路设计上较为复杂，与阀门控制系统要求电路设计简单的要求相矛盾，而且在软件的编制上也有一定的难度。本设计采用的TB6588FG专用控制器，使系统控制电路十分简单，内部具有驱动电路，不需外配MOS管，也无需使用DSP等高端控制器芯片，只需要使用一颗普通的MSP430就能完成系统的控制功能。软件上大大简化，微处理器只需对外面的开关信号做出处理，就能实现电机可靠的运转。

1 系统总体设计
    在阀门控制设计中，对设计者的最大挑战是如何电路设计简单，在有限的空间里放置电子元器件。本设计中采用MSP430F2012作为系统的控制核心，处理电机的启停、速度检测、速度调节，并对外面的开关量进行处理。将有关电机的所有控制功能交给TB6588FG处理，系统的硬件框图如图1所示。

    TB6588FG是为三相无传感器无刷直流电机驱动而设计的专用控制芯片，通过改变模拟电压改变PWM的占空比，来调节速度。驱动电机的电流典型值为1．5 A，峰值高达2．5 A，具有过流保护功能。供应电压为7～42V。具有正反转控制功能。具有控制星形连接的无传感器无刷直流电机的所需要的全部功能，主要功能包括：启动电路，反向电动势换相控制，PWM速度控制，欠压限流保护等。使用TB6588FG，无论从硬件上还是软件上，减少了单片机的工作量，用体积小、价格很便宜的MSP430F2012，就可完成所有的工作。单片机主要完成电机速度脉冲检测，然后控制算法调节数字电位器，来改变控制速度的模拟电压，调节速度。TB6588FG具有欠压限流功能，实现对电机的保护。

2 电机控制电路设计
     TB6588FG电机控制电路如图2所示。

3 电机启动
    电机的启动基于VSP的模拟输入电压。当此电压大于1 V时，电机开始启动，此时电机处于静止状态，电机的转子的位置不能确定。首先通过一个激励电压，使电机进入直流激活模式。当电机转动的时候，检测到电机线圈的反向电动势。然后驱动器进入强迫通信模式，强迫通信模式的时间被外部的电容来决定。如图3所示，a阶段是DC激活时间，DC激活时间的调整公式为TFIX=0．69×C2×R1。b阶段是强迫通信时间，不同的电机通过改变C1和C2电容的值可用来调整电机的启动。

4 过电流保护电路
    阀门控制在实际应用中经常会发生电机堵转的意外情况，电机堵转可能会造成电源和电机的烧毁。TB6588FG的限流保护是通过内部的比较器来实现的，如图4所示。驱动器内部具有一个比较器，负输入端固定电压为0．5 V，流过电机线圈的电流通过R1电阻的采样送入驱动器内部，通过驱动器内部的滤波网络接入比较器的正输入端。如流过R1的电流大于设定值，则此电压会大于0．5 V，驱动器关闭内部驱动电路。在此电路中R2和C2是起RC滤波作用，防止PWM切换时的噪声引起的保护误动作。如当R1=0．33 Ω时，最大限流电流为：Iout=0．5 V／0．33 Ω≈1．5 A。

5 速度检测控制
5．1 速度检测
    TB6588FG具有速度输出脚FG_OUT，电机没有启动或电机发生异常时此脚输出为低电平。当电机被正常启动，此脚输出速度信号，MSP430 F2012定时器具有捕获功能，通过捕获速度脉冲的上下沿来算出速度，然后去调整数字电位器的阻值来调整控制速度的电压。
5．2 速度调节电路
    CAT5119具有32为节点，阻值为10 kΩ的数字电位器。通过MSP430F2012的两个I／O口来进行调节，调节方式是UP／DOWN。通过设置CAT51 19可使阻值最大调整为10 kΩ，最小为100 Ω，这样控制速度的范围为500～2500转／min，如当需要调整转速为1200转／min时，通过动态调整数字电位器的阻值，来适应负载的变化，使速度稳定在设定的范围上。模拟调压电路如图5所示。

5．3 程序软件流程
    因为采用电机专用驱动芯片，所以电机的控制软件就很简单，主要的工作就是设置MSP430F2012的内部定时器的工作方式。其具有两个捕获定时器，捕获的触发方式选择上下沿捕获，然后把两次捕获的定时器的数字相减，就可得出速度。如果跟设定有误差，通过调整模拟电压来调整速度。软件调速的中断服务程序流程如图6所示。

结语
    针对阀门的无传感器三相无刷电机控制系统的特点，采用MSP430单片机结合TB6588FG设计的电机调速控制系统。利用了TB6588FG的硬件电路，简化了整体的电路设计，同时降低了软件的编程难度，使整个系统更加稳定可靠。