基于大型農(nóng)用機(jī)械EPS的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片A4935的應(yīng)用

李志鵬 史松卓

摘要 以A4935芯片為電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制芯片，以TMS320F28035 DSP為控制核心設(shè)計(jì)了一種用于大型農(nóng)用機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電機(jī)控制電路，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)大型農(nóng)用機(jī)械轉(zhuǎn)向時(shí)，通過調(diào)節(jié)電機(jī)的占空比很好地緩解了轉(zhuǎn)向沉重的現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞 大型農(nóng)用機(jī)械;A4935驅(qū)動(dòng)芯片;DSP

中圖分類號(hào) S24 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A ?文章編號(hào) 0517-6611（2015）03-355-03

Application of Large Agricultural Machinery and Motor Drive Chip A4935 Based on EPS

LI Zhipeng， SHI Songzhuo*

（College of Transportation， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040）

Abstract ?Taking the A4935 chip for motor drive control chip， with TMS320F28035 DSP as the control core to design a steering motor control circuit system for large agricultural machinery. Through the experiment， when the large agricultural machinery steering motor， adjusting the duty ratio can ease the phenomenon of heavy steering.

Key words ?Large agricultural machinery; A4935 driving chip; DSP

目前，大型農(nóng)用機(jī)械在提高生產(chǎn)效率和節(jié)約土地資源的方面發(fā)揮著舉足輕重的作用。但是，由于這些機(jī)械的體積和質(zhì)量較大，在轉(zhuǎn)向時(shí)會(huì)使駕駛員產(chǎn)生轉(zhuǎn)向沉重的感覺，從而影響駕駛員對(duì)機(jī)械控制的穩(wěn)定性，影響正常的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。為了解決這一問題，筆者以A4935為電機(jī)控制芯片，設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)，通過觀察助力電機(jī)的輸出占空比，證明該系統(tǒng)能夠很好地改善轉(zhuǎn)向沉重的現(xiàn)象，增加駕駛員對(duì)機(jī)械操縱控制的穩(wěn)定性。

1 A4935的功能特點(diǎn)

1.1 主要特點(diǎn)

A4935是美國Allegro公司生產(chǎn)的新型N溝道3相MOSFET控制器，主要用于汽車和大型農(nóng)用機(jī)械的大功率助力電機(jī)領(lǐng)域。它具有獨(dú)特的電荷泵穩(wěn)壓器，能夠提供完整的門驅(qū)動(dòng)，使電池電壓從10 V下降到7 V，并可使A4935柵極驅(qū)動(dòng)電壓下降至5.5 V。A4935的自舉電容器用于提供N溝道MOSFET需要的電池電源電壓。三相全橋逆變電路控制所有6個(gè)功率MOSFET管，可以使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)換向塊或正弦激勵(lì)使三相全橋逆變電路導(dǎo)通。A4935芯片內(nèi)部集成交叉控制保護(hù)和可調(diào)電阻保護(hù)，有睡眠模式和空閑模式和低電流休眠模式3種工作模式，可以進(jìn)行制動(dòng)功能和死區(qū)時(shí)間設(shè)置，同時(shí)可通過功率管交叉?zhèn)鲗?dǎo)的方式控制死區(qū)時(shí)間。芯片的電橋電流測(cè)量可以使用一個(gè)集成的電流檢測(cè)放大器。由外部電阻定義增益和失調(diào)量。同時(shí)芯片還具有不受約束的電流檢測(cè)放大器的功能。

2 A4935的結(jié)構(gòu)特征

2.1 通電控制規(guī)律

A4935內(nèi)部包含全橋驅(qū)動(dòng)的邏輯控制單元，通過PWMH端和PWML端和COAST端能夠?qū)崿F(xiàn)各種各樣的三相橋式電路控制。采用正弦電流控制，每個(gè)FET管的三相都可以不通過PWM和COAST被單獨(dú)控制。這就要求性能更高的外部控制器提供各相的PWM輸出，如果需要全面控制外部死區(qū)時(shí)間，這需要6個(gè)PWM輸出，每個(gè)FET管需要一個(gè)。在PWM關(guān)斷期間，互補(bǔ)場(chǎng)效應(yīng)晶體管被打開將體二極管短路，并提供同步整流。表1為A4935全橋驅(qū)動(dòng)的通電規(guī)律。

表1 A4935全橋驅(qū)動(dòng)通電規(guī)律

輸入RDEADRESETCCENCOASTPWMHPWMLxHIxLO輸出GHxGLxSx

x1xxxx00LLZ

x1x11101LHLS

x1x11110HLHS

>0.2 V1xxxx11LLS

x1x10101LHLS

x1x10110LHHS

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AGND1x10111LHLS

作者簡介 李志鵬（1963- ），男，教授，博士生導(dǎo)師，從事農(nóng)產(chǎn)品采摘機(jī)和農(nóng)業(yè)機(jī)械轉(zhuǎn)向控制技術(shù)研究。*通訊作者，碩士，從事機(jī)電一體化研究。

收稿日期 20140000

2.2 自舉電容的選取

自舉電容CBOOT的選取關(guān)系到A4935能否正確的運(yùn)行，如果電容值過高，會(huì)導(dǎo)致充電時(shí)間過長，增大PWM占空比的頻率;如果電容值偏小，由于電荷共享，電荷從CBOOT轉(zhuǎn)移到FET管的柵極時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的電壓降，為了減小電壓降，自舉電容

CBOOT的電壓值VBOOT要遠(yuǎn)大于FET管柵極的電壓值QGATE一般采用CBOOT=20QGATF，下式為CBOOT的計(jì)算公式：

QBOOT=CBOOT×VBOOT=QGATE×20

2.3 制動(dòng)控制

A4935可以用來強(qiáng)制執(zhí)行關(guān)閉所有FET的高低電平端，或者迫使所有FET管的低電平端關(guān)閉，高電平端動(dòng)態(tài)制動(dòng)。這種制動(dòng)方式可以產(chǎn)生一個(gè)制動(dòng)扭矩，適用于采用反電動(dòng)勢(shì)法檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置無位置傳感器無刷電機(jī)，制動(dòng)時(shí)負(fù)載電流可以近似為：

IBEME=VBEMERL

3 A4935的應(yīng)用電路

A4935無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電路由于其集成度高， 外圍元件少， 使用起來非常簡便。其外圍電路連接如圖1所示。

圖1 A4935外圍電路連接圖

應(yīng)用TMS320F28035DSP與A4935芯片實(shí)現(xiàn)無位置傳感器無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，DSP與A4935芯片通過DSP的GPIOA和GPIOB口實(shí)現(xiàn)通信。TMS320F28035芯片內(nèi)部帶有AD轉(zhuǎn)換器^[1-3]，所以無需搭建AD轉(zhuǎn)換電路。A4935的XHI和XLO端通過分別三極管放大與DSP的ADCIN0、ADCIN1、ADCIN2相連通過調(diào)節(jié)XHI和XLO的電壓值來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)功能，PWMH和PWML同時(shí)連接到DSP的EPWM端，通過調(diào)節(jié)占空比控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和速度。圖2為 DSP控制無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 DSP控制無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

由于無位置傳感器電機(jī)內(nèi)部無位置傳感器，所以需要外接電機(jī)轉(zhuǎn)子位置監(jiān)測(cè)電路^[4-5]。圖3為電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路圖，電機(jī)輸出端電壓信號(hào)首先通過左邊框圖構(gòu)成的低通濾波電路消除高頻噪聲，C₂為隔直電容用來消除三相電壓不對(duì)稱所產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移。電路的主體部分為右邊框圖構(gòu)成的電壓滯回過零比較器，比較器的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)與電機(jī)的換相時(shí)刻相對(duì)應(yīng)。比較器的輸出信號(hào)為±15 V的方波信號(hào)，DSP的捕捉模塊接口CAP的輸入電壓為0～3.3 V，因此比較器的輸出信號(hào)需經(jīng)過光耦合器件整形，信號(hào)最終被DSP的CAP引腳捕獲。原理圖中的穩(wěn)壓二極管D1起到保護(hù)DSPI/O的作用。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖4為電機(jī)轉(zhuǎn)至左極限時(shí)的PWM波形，與之相對(duì)應(yīng)的電機(jī)輸出電流值為圖5所示，電流值為31.1 A。圖6所示的PWM波形為電機(jī)轉(zhuǎn)至右極限時(shí)的PWM波形，與之相對(duì)應(yīng)的電機(jī)輸出電流值為圖7所示，電流值為-31.2 A。無刷電機(jī)能夠提供的電流為31 A左右，這就大大提高了電機(jī)提供的助力扭矩，使EPS系統(tǒng)能夠應(yīng)用在大型農(nóng)用機(jī)械上。

5 結(jié)束語

該設(shè)計(jì)所使用的無刷電機(jī)為額定功率600 W，額定電壓12 V的電機(jī)，A4935芯片能夠使電機(jī)穩(wěn)定工作，芯片能夠承受30A至40A的較大電流，通過示波器觀察，電機(jī)輸出的PWM穩(wěn)定，能夠很好的改善大型農(nóng)用機(jī)械轉(zhuǎn)向沉重的現(xiàn)象。

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