基于TB6551FG正弦波驱动的无刷直流电机控制系统研究

许 炜 余晓华 阙宇潇

（广东志高空调有限公司，广东 佛山 528244）

0 引言

随着空调能效标准的逐年提高，设计开发节能产品已然成为当今空调企业的重中之重，直流变频空调在近几年得到大面积的推广和使用。而电机作为空调的必备产品，为满足空调的高效节能，无刷直流电机也就成为空调电机的首选产品。本文介绍了专为变频空调用无刷直流电机设计的控制芯片TB6551FG，并结合IPM模块SMA 6822MP及霍尔位置传感器，构成无刷直流电机的控制系统。该系统具有控制简单、调速方便、稳定可靠、高效节能、体积小、噪音低等特点，应用发展前景广阔。

1 控制芯片TB6551FG介绍

TB6551FG是东芝公司推出的专用于空调三相无刷直流电机的全硬件电路控制芯片，它只需要接入3个锁存型霍尔开关集成芯片便可先以方波方式启动，然后产生三相SPWM信号。外接功率驱动级，实现无刷直流电动机以正弦波方式运行。其特点如下：180°正弦波控制；内置三角波发生器；内置6路可设置死区时间的SPWM驱动单元模块；内置相位超前导通角设定；内置参考电压调整器；内置转速反馈脉 冲信号输出；支持载波频率的设定；支持过电流保护。

2 系统组成及工作原理

2.1 系统硬件组成

无刷直流电机控制系统的硬件组成原理框图如图1所示，它由转子位置检测部分、控制部分和功率驱动部分组成。本系统所选用的IPM模块是三垦公司生产的SMA6822MP，它是一个高度集成的功率逆变系统，芯片内含6个MOSFET三相逆变桥输出级和6个快速恢复功率二极管，内置自举电路、栅极驱动电路、欠压保护电路、过热保护电路及故障信号输出电路等。同时还提供一个7.5 V的稳压输出，可为控制芯片及转子位置检测电路提供工作电压。转子位置检测部分选用旭化成公司生产的锁存型霍尔开关集成芯片EW 632S，它由霍尔芯片、差分放大器、稳压器、施密特触发器和输出级组成。

2.2 工作原理

该控制芯片主要由转子位置信号检测电路、正弦波发生器、死区时间产生电路、转速控制电路、相位超前导通角设置电路、转速反馈脉冲电路和保护电路等几部分电路组成。根据转速控制电压输入信号及霍尔IC输出的转子位置信号，输出6路带死区时间的正弦波PWM信号和转速反馈脉冲信号，从而实现一个以正弦波方式运转，速度、电流及温度三闭环的控制系统。

2.2.1 正弦波PWM信号的产生

控制芯片根据检测到的霍尔信号HU、HV、HW，产生调制波SU、SV、SW，如图2所示。调制波和三角波相比较后生成180°正弦波PWM信号U、V、W、X、Y、Z，如图3所示。同时调制波的调制比，可由转速控制电压进行控制。

图2 霍尔信号波形与调制波信号波形

图3 180°正弦波PWM信号波形

2.2.2 死区时间的选择

当无刷直流电机以正弦波PWM驱动旋转时，为防止功率桥同一桥臂的上、下两个功率器件发生同时导通而造成电路短路，控制芯片会产生一个死区时间，即功率桥同一桥臂的上、下两个功率器件同时关断输出的时间。死区时间由控制芯片的第10（Td）脚决定，可设定为2.6 μs和3.8 μs这2个值。当Td脚接地时死区时间设定为3.8 μs；当Td脚接5 V时死区时间设定为2.6 μs。

2.2.3 相位超前导通角的设定

无刷直流电机运行时，最理想的状态是反电动势过零点和相电流过零点的相位重合，此时电机的三相转矩叠加在理论上是一个恒定转矩，转矩脉动最小，电机效率也有所提升。

为提高电机效率，降低转矩脉动，可以利用控制芯片TB6551FG的第23（LA）脚来实现。如图4所示，利用芯片的5 V稳压输出，外接分压电阻R1、R2，通过R1和R2不同阻值的组合，调节LA 脚的模拟输入（0～5 V）进行设定相位超前导通角。控制芯片内部5位A/D转换器将0～58°均分为32份。设置时，0°对应于0 V，58°对应于5 V。

2.2.4 保护电路

为确保电机安全运行，在异常运行中得到正确、及时的保护，本文利用控制芯片的Idc脚，实现过电流、过温双重保护。

保护电路的工作原理如图5所示。

（1）A点电压随电机运行电流I1的增大而升高，当A点电压升高到0.5 V时，控制芯片实行门极闭锁保护，保护在每个载波周期释放一次，因此电机处于限电流状态下运行。

（2）当电机温度升高时，RT（正温度系数热敏电阻）的阻值增大，I2减小，A点电压升高。当A点电压升高到0.5 V时，控制芯片实行门极闭锁保护，保护在每个载波周期释放一次，因此电机处于限温状态下运行。

图5 限流、限温保护电路

3 试验结果

采用408 mm×134 mm轴流扇叶（一匹分体空调室外机所配置的扇叶）作为负载，实测额定转速下无刷直流电机的相电流，相电流波形如图6所示。由图可见，正弦波电流的波形平滑，因而电机的转矩脉动较小。

合理地设定了相位超前导通角，电机效率得到提升，电机温升控制在20 K以内；合理地设计了限温、限流保护电路，堵转时电机绕组最高温度控制在100 ℃以内，符合直流变频空调产品的实际要求。

图6 无刷直流电机相电流波形

4 结语

本文实现了基于TB6551FG的无刷直流电机正弦波驱动控制，技术方案可靠，电机运行安全稳定。由于该芯片为纯硬件电路，更具MCU所无法比拟的抗干扰能力。本系统电路结构简单，可移植性强，只需在硬件电路上稍作改动，亦可应用于厨房风扇、按摩器、热水器、抽油烟机、洗碗机泵等电机之中，具有十分广阔的市场应用前景。

［1］Toshiba Corporation.TB6551FG Datasheet［Z］，2012

［2］ Sanken Electric Co.,Ltd.SMA6822MP Datasheet［Z］，2010

［3］谭建成.TB6539N/F三相正弦波PWM无刷直流电动机控制器芯片［J］.国外电子元器件，2005（6）：39～42

［4］夏长亮.无刷直流电机控制系统［M］.科学出版社，2009