基于無(wú)刷電機(jī)的調(diào)速

1、常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 i 摘 要 這篇文章設(shè)計(jì)了以c8051f單片機(jī)、mc33035、mc33039和hd7279a顯示芯片為 核心的無(wú)刷直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)。 mc33035是高性能第二代無(wú)刷直流電機(jī)專(zhuān)用集成控制器，可用來(lái)控制開(kāi)環(huán)兩 相、三相或四相無(wú)換向電機(jī)所需的全部有效功能。該器件由具有良好整流序列 的轉(zhuǎn)子位置譯碼器、誤差放大器、可提供傳感器功率的溫度補(bǔ)償參考、頻率可 設(shè)定的鋸齒波振蕩器、3個(gè)集電極開(kāi)路頂端驅(qū)動(dòng)輸出和3個(gè)非常適用于驅(qū)動(dòng)功率 場(chǎng)效應(yīng)管(mosfet)的大電流圖騰柱式底部輸出器構(gòu)成。 mc33039是一款高性能的閉環(huán)速度控制芯片，專(zhuān)用于各種無(wú)刷直流電機(jī)控制 系統(tǒng)中。利用m

2、c33039無(wú)需專(zhuān)門(mén)的磁性或光學(xué)轉(zhuǎn)速計(jì)就能完成精確地速度控制。 hd7279a是一片真正的單片led數(shù)碼管顯示和鍵盤(pán)接口芯片，無(wú)需外圍電路， 只需要外接少量的電阻等即可構(gòu)成完善的顯示、鍵盤(pán)接口電路。 關(guān)鍵詞 無(wú)刷直流電機(jī)；c8051f單片機(jī)；mc33035；mc33039；hd7279a 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 ii abstract this paper designed a closed loop velocity adjustment control system of brushless dc motor based on c8051f, mc 33035、mc33039 and hd

3、7279a. . the mc33035 is a high performance second generation monolithic brushless dc motor controller containing all of the active functions required to implement a full featured open loop, three or four phase motor control system. this device consists of a rotor position decoder. for proper commuta

4、tion sequencing, temperature compensated reference capable of supplying sensor power, frequency programmable sawtooth oscillator, three open collector top drivers,and three high current totem pole bottom drivers ideally suited for driving power mosfets. the mc33039 is a high performance closedloop s

5、peed control adapter specifically designed for use in brushless dc motor control systems. implementation will allow precise speed regulation without the need for a magnetic or optical tachometer. hd7279a is a new led and keyboard interface intelligent control chip,it can construct good display and k

6、eyboard interface circuit using few resistances instead of outside circuit. key words brushless dc motor；c8051f；singlechip；mc33035；mc33039；hd7279a 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 iii 目 錄 摘 要.i abstract.ii 目 錄.iii 第第 1 1 章章 緒論緒論.- 4 - 1.1 課題來(lái)源.- 5 - 1.2 智能排風(fēng)系統(tǒng)的特點(diǎn).- 5 - 1.3 智能排風(fēng)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì).- 5 - 1.3.1 智能排風(fēng)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀.- 5 - 1.

7、3.2 智能排風(fēng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì).- 6 - 第 2 章智能排風(fēng)系統(tǒng)中電機(jī)的控制原理.- 7 - 2.1 排風(fēng)電機(jī)（直流無(wú)刷電機(jī)）的控制特性.- 7 - 2.2 排風(fēng)電機(jī)（直流無(wú)刷電機(jī)）的控制結(jié)構(gòu).- 7 - 2.3排風(fēng)電機(jī)（直流無(wú)刷電機(jī)）的控制原理 - 8- 第 3 章智能排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證.- 9 - 3.1 方案簡(jiǎn)介.- 9 - 3.1.1 電機(jī)的選取及驅(qū)動(dòng)發(fā)案.- 7 - 3.1.2 單片機(jī)的選取及按鍵顯示方案.- 9 - 3.2 系統(tǒng)方案論證.- 10 - 第4章 基于c8051f330單片機(jī)直流無(wú)刷電機(jī)的智能排風(fēng)控制系統(tǒng) - 11 - 4.1 ir2110 簡(jiǎn)介 .- 11 - 4

8、.2 單片機(jī) 330 簡(jiǎn)介.- 15 - 4.3 hd7279 簡(jiǎn)介 .- 16 - 4.4 系統(tǒng)電路介紹.- 24 - 4.4.1 電源電路 .- 24 - 4.4.2 8051f330d 單片機(jī)控制電路.- 24 - 4.4.3 鍵盤(pán)顯示電路 .- 25 - 第 5 章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).- 26 - 5.1 系統(tǒng)功能概述.- 26 - 5.2 程序流程圖.- 26 - 5.3 程序清單.- 28 - 5.4 軟件程序調(diào)試與仿真.- 33 - 結(jié) 論.- 35 - 致 謝.- 38 - 附 錄.- 39 - 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 - 0 - 第 1 章 緒論 1.1 課題來(lái)源 無(wú)刷直流電

9、機(jī)上世紀(jì)50 年代由國(guó)外研發(fā)，我國(guó)60 年代開(kāi)始研究并有產(chǎn)品 出現(xiàn)；因?yàn)榭刂破靼嘿F的價(jià)格，早先主要用于軍事武器裝備中。70 年代初，西 安微電機(jī)研究所就為低噪音攝影機(jī)研制生產(chǎn)過(guò)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。早期的無(wú)刷電 機(jī)因電子元器件技術(shù)發(fā)展緩慢而進(jìn)步不快，90 年代以后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、集 成電路控制技術(shù)、電機(jī)控制理論的進(jìn)步，而且無(wú)刷電機(jī)的技術(shù)特征也逐漸為用 戶(hù)所認(rèn)識(shí)，因此發(fā)展速度極快，目前已成為微特電機(jī)中最具發(fā)展前途的機(jī)種。 無(wú)刷直流電機(jī)實(shí)際上是定、轉(zhuǎn)子倒置的同步電動(dòng)機(jī)，因此既具有交流電動(dòng)機(jī)的 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠和免維護(hù)的特點(diǎn)，又具備直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率、調(diào)速性能 好等優(yōu)點(diǎn)，故在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域，如家用電

10、器、工業(yè)控制、儀表儀器等方面 的應(yīng)用日益普及。目前，計(jì)算機(jī)軟、硬磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)的主軸電機(jī)和風(fēng)扇電機(jī)，錄像 機(jī)中的伺服電機(jī)，電動(dòng)自行車(chē)中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，均數(shù)以千、百萬(wàn)計(jì)地使用無(wú)刷直 流電動(dòng)機(jī)。 由于通過(guò)電刷和換向器的配合作用實(shí)現(xiàn)換向的直流電機(jī)具有調(diào)速范圍寬廣、 線性機(jī)械特性、控制電路簡(jiǎn)單、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、效率較高等優(yōu)點(diǎn)，因此在諸多領(lǐng) 域中得到了廣泛的應(yīng)用；但它的電刷和換向器存在著可靠性較低、使用壽命較 短、易產(chǎn)生火花等弊端。隨著大功率電子器件、模擬和數(shù)字集成電路、高性能 磁性材料的進(jìn)步，采用電子換向的無(wú)刷直流電機(jī)與大功率電子器件、專(zhuān)用集成 電路、微機(jī)、稀土永磁材料、新型控制理論及電機(jī)理論的發(fā)展緊密結(jié)合，得到

11、了越來(lái)越廣的應(yīng)用。 1.2 無(wú)刷直流電機(jī)的技術(shù)特征 和直流電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)相比較，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)特征是： 1、經(jīng)電子控制獲得類(lèi)似直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性，有較好的可控性，寬調(diào)速 范圍； 2、需要轉(zhuǎn)子位置反饋信息和電子多相逆變驅(qū)動(dòng)器； 3、本質(zhì)上是交流電動(dòng)機(jī)，由于沒(méi)有電刷和換向器的火花、磨損問(wèn)題，可工 作于高速，可得到較高的可靠性，工作壽命長(zhǎng)，無(wú)需經(jīng)常維護(hù)； 4、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)高，轉(zhuǎn)子無(wú)損耗和發(fā)熱，有較高的效率；有資 料對(duì)比，7.5kw異步電動(dòng)機(jī)效率為86.4%，同容量的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)效率達(dá) 92.4%； 5、必須有電子控制部分，總成本比直流電動(dòng)機(jī)高。 盡管成本較高，由于永磁無(wú)刷

12、直流電動(dòng)機(jī)性能有明顯的優(yōu)勢(shì)。近年，經(jīng)業(yè) 者的努力，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)市場(chǎng)已不斷擴(kuò)展，在許多領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)中，永磁無(wú)刷 直流電動(dòng)機(jī)已經(jīng)爭(zhēng)中，永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)已經(jīng)并正在不斷地取代直流電動(dòng)機(jī) 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 - 1 - 和異步電動(dòng)機(jī)，獲得越來(lái)越多的應(yīng)用。永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電流方可分為 方波驅(qū)動(dòng)和正弦波驅(qū)動(dòng)，后者又稱(chēng)為同步型永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)，主要用于伺 服控制。上世紀(jì)80年代才進(jìn)入實(shí)用階段的同步型永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)是可與直 流伺服電機(jī)性能匹敵的伺服電機(jī)。據(jù)國(guó)際電機(jī)會(huì)議專(zhuān)家分析，交流伺服電動(dòng)機(jī) 正以每年15% 的速度取代直流伺服電動(dòng)機(jī)，交流伺服電動(dòng)機(jī)將會(huì)占據(jù)首位，其 前景是極其美好的。因此，國(guó)際

13、上有電機(jī)專(zhuān)家斷言，21 世紀(jì)是永磁無(wú)刷直流電 動(dòng)機(jī)廣泛推廣應(yīng)用的世紀(jì)。特別是在小型電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)將占據(jù) 主導(dǎo)地位。 1.3 直流無(wú)刷電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 1.3.1 直流無(wú)刷電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)與一般直流電動(dòng)機(jī)具有相同的工作原理和應(yīng)用特性，而其 組成是不一樣的。除了電機(jī)本身外，前者還多一個(gè)換向電路，電機(jī)本身和換向 電路緊密結(jié)合在一起。許多小功率電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本身是與換向電路合成一體， 從外觀上看直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)完全一樣。 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本身是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換部分，它除了電機(jī)電樞、永磁 勵(lì)磁兩部分外，還帶有傳感器。電機(jī)本身是直流無(wú)刷電機(jī)的核心，它不僅關(guān)系 到性能指

14、標(biāo)、噪聲振動(dòng)、可靠性和使用壽命等，還涉及制造費(fèi)用及產(chǎn)品成本。 由于采用永磁磁場(chǎng)，使直流無(wú)刷電機(jī)擺脫一般直流電機(jī)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)，滿(mǎn) 足各種應(yīng)用市場(chǎng)的要求，并向著省銅節(jié)材、制造簡(jiǎn)便的方向發(fā)展。永磁磁場(chǎng)的 發(fā)展與永磁材料的應(yīng)用密切相關(guān)，第三代永磁材料的應(yīng)用，促使直流無(wú)刷電機(jī) 向高效率、小型化、節(jié)能方向邁進(jìn)。 為了實(shí)現(xiàn)電子換向必須有位置信號(hào)來(lái)控制電路。早期用機(jī)電位置傳感器獲 得位置信號(hào)，現(xiàn)已逐步用電子式位置傳感器或其它方法得到位置信號(hào)，最簡(jiǎn)便 的方法是利用電樞繞組的電勢(shì)信號(hào)作為位置信號(hào)。 要實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制必須有速度信號(hào)。用獲得位置信號(hào)相近方法取得速 度信號(hào)，最簡(jiǎn)單的速度傳感器是測(cè)頻式測(cè)速發(fā)電機(jī)與

15、電子線路相結(jié)合。 直流無(wú)刷電機(jī)的換向電路由驅(qū)動(dòng)及控制兩部分組成，這兩部分是不容易分 開(kāi)的，尤其小功率用電路往往將兩者集成化成為單一專(zhuān)用集成電路。 在功率較大的電機(jī)中，驅(qū)動(dòng)電路和控制電路可各自成為一體。驅(qū)動(dòng)電路輸 出電功率，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電樞繞組，并受控于控制電路。目前，驅(qū)動(dòng)電路已從 線性放大狀態(tài)轉(zhuǎn)成脈寬調(diào)制的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，相應(yīng)電路組成也從晶體管分立電路轉(zhuǎn) 成模塊化集成電路。模塊化集成電路有功率雙極晶體管、功率場(chǎng)效應(yīng)管和隔離 柵場(chǎng)效應(yīng)雙極晶體管等組成形式。雖然，隔離柵場(chǎng)效應(yīng)雙極晶體管價(jià)格較貴， 但從可靠安全和性能角度看，選用它還是較合適的。 控制電路用作控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、電流(或轉(zhuǎn)矩)以及保護(hù)電機(jī)

16、的過(guò)流、 過(guò)壓、過(guò)熱等。上述參數(shù)容易轉(zhuǎn)成模擬信號(hào)，用此來(lái)控制較簡(jiǎn)單，但從發(fā)展來(lái) 看，電機(jī)的參數(shù)應(yīng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過(guò)數(shù)字式控制電路來(lái)控制電機(jī)。當(dāng)前，控 制電路有專(zhuān)用集成電路、微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器等三種組成方式。在對(duì)電 機(jī)控制要求不高的場(chǎng)合，專(zhuān)用集成電路組成控制電路是簡(jiǎn)單實(shí)用的方式。采用 數(shù)字信號(hào)處理器組成控制電路是今后發(fā)展方向，有關(guān)數(shù)字信號(hào)處理器將在下面 交流同步伺服電動(dòng)機(jī)中介紹。 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 - 2 - 目前，在微小功率范疇直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)是發(fā)展較快的新型電機(jī)。由于各個(gè) 應(yīng)用領(lǐng)域需要各自獨(dú)特的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，所以直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型較多。 大體上有計(jì)算機(jī)外存儲(chǔ)器以及 vcd、dv

17、d、cd 主軸驅(qū)動(dòng)用扁平式無(wú)鐵心電機(jī)結(jié)構(gòu)， 小型通風(fēng)機(jī)用外轉(zhuǎn)子電機(jī)結(jié)構(gòu)，家電用多極磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)及內(nèi)裝式結(jié)構(gòu)，電動(dòng)自行 車(chē)用多極、外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)等等。上述直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本身和電路均成一體， 使用十分方便，它的產(chǎn)量也非常大。為了滿(mǎn)足大批量、低成本的市場(chǎng)需要，直 流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)必須要形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)。因此，直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)是一種高投 入、高產(chǎn)出的行業(yè)。同時(shí)，我們應(yīng)該考慮到市場(chǎng)也在不斷地發(fā)展，如家用空調(diào) 用電機(jī)正由 3a 轉(zhuǎn)向 3d，需要大量的中小功率的直流無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，研究和 開(kāi)發(fā)中小功率的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)也成當(dāng)務(wù)之急。 1.3.2 直流無(wú)刷電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) 永磁無(wú)刷直流電機(jī)是一種電子電動(dòng)機(jī)。隨著電力電子

18、技術(shù)的發(fā)展，許多新 型的高性能半導(dǎo)體功率器件，如 gtr、mosfet、igbt 等相繼出現(xiàn)以及高性能永 磁材料，如稀土永磁材料的問(wèn)世，為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用奠定的基礎(chǔ), 它由直流電源經(jīng)過(guò)逆變器、位置檢測(cè)裝置向電動(dòng)機(jī)供電，因而既保持了直流電 機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便的一系列優(yōu)點(diǎn)，又改善了有刷直流電機(jī)效 率低、耗電多、噪音大、維護(hù)困難、使用壽命短等運(yùn)行狀況，還具備交流電機(jī) 運(yùn)行效率高，無(wú)勵(lì)磁損耗及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)。電機(jī)系統(tǒng)屬環(huán)保節(jié)能型產(chǎn) 品，是國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策支持的高新技術(shù)項(xiàng)目，正處在產(chǎn)品成長(zhǎng)期，具有廣闊的市 場(chǎng)前景。無(wú)刷永磁直流電機(jī)正在以其特有的優(yōu)勢(shì)不斷蓬勃發(fā)展。 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)有

19、著很多其它電動(dòng)機(jī)無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)使得它在很多領(lǐng)域得 到了很廣泛的應(yīng)用。 1直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在家用電器中的應(yīng)用。 在空調(diào)器行業(yè)，永磁直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用已成為衡量空調(diào)技術(shù)水準(zhǔn)的重 要指標(biāo)之一。目前，變頻空調(diào)技術(shù)已從異步電機(jī)變頻控制發(fā)展到無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的 變轉(zhuǎn)速控制，即市場(chǎng)上宣傳的“直流變頻空調(diào)” ，其壓縮機(jī)電機(jī)和室內(nèi)、室外風(fēng) 機(jī)都采用永磁直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，與采用異步電機(jī)的交流變頻空調(diào)相比，直流變 轉(zhuǎn)速空調(diào)具有起動(dòng)功率大、高效節(jié)能，抗電壓波動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。目前直流變 轉(zhuǎn)速空調(diào)電控系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)主要包括:壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制技 術(shù)，無(wú)位置傳感器控制技術(shù)，高效率低噪音的室內(nèi)外風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 變頻洗衣

20、機(jī)是近年來(lái)進(jìn)入居民家庭消費(fèi)的又一熱門(mén)產(chǎn)品。目前應(yīng)用于變頻 洗衣機(jī)的電機(jī)類(lèi)型主要有三相異步電動(dòng)機(jī)，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)和直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī) 三大類(lèi)。永磁直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)洗衣機(jī)具有機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效節(jié) 能、洗滌脫水運(yùn)行噪音低等一系列優(yōu)點(diǎn)，代表了未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。 2直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在計(jì)算機(jī)外設(shè)和辦公自動(dòng)化設(shè)備中的應(yīng)用。 3直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在工業(yè)中的應(yīng)用。 4直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在汽車(chē)、摩托車(chē)、自行車(chē)等交通工具中的應(yīng)用。 5直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用. 隨著電子技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展, 位置檢測(cè)可以通過(guò)芯片配合適當(dāng)?shù)乃惴?來(lái)實(shí)現(xiàn)。高速微處理器和dsp 器件以及專(zhuān)用的控制芯片的出現(xiàn), 使得運(yùn)行速度、 處理能力

21、有很大的提高。dsp 固有的計(jì)算能力可用來(lái)在無(wú)刷電機(jī)上實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感 器控制。采用dsp 實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器控制成為研究的熱點(diǎn), 低成本dsp 無(wú)位置 傳感器無(wú)刷電動(dòng)機(jī), 成為無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展方向。 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 - 3 - 第2章 無(wú)刷直流電機(jī)的控制原理 2.1 無(wú)刷直流電機(jī)的控制特性 圖2-1 所示為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu),它由直流電源、控制電路、電 機(jī)本體和位置傳感器這幾部分構(gòu)成,控制電路是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。 直流電源控制電路電動(dòng)機(jī)本體 位置傳感器 圖2-1 無(wú)刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)中電子開(kāi)關(guān)線路是用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)定子上各相繞組通電的順序和時(shí)間 的,主要由邏輯開(kāi)關(guān)單元和位置傳感

22、器信號(hào)處理單元2 個(gè)部分組成。功率邏輯開(kāi) 關(guān)單元是控制電路的核心,其功能是將電源的功率按一定的邏輯關(guān)系分配給無(wú)刷 直流電動(dòng)機(jī)定子上的各相繞組,以便使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩;而各相繞組 導(dǎo)通的順序和時(shí)間,主要取決于來(lái)自位置傳感器的信號(hào),但位置傳感器的信號(hào)一 般不能直接用來(lái)控制功率邏輯開(kāi)關(guān)單元,往往需要經(jīng)過(guò)一定的邏輯處理后才能控 制邏輯開(kāi)關(guān)單元。 2.2 無(wú)刷直流電機(jī)的控制結(jié)構(gòu) 直流無(wú)刷電機(jī)是同步電機(jī)的一種，也就是說(shuō)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機(jī)定子旋 轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)(p)影響：n=120*f / p。在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改 變定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直流無(wú)刷電機(jī)即是將同步電機(jī)

23、加上電子式控制(驅(qū)動(dòng)器)，控制定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率，并將電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回 授至控制中心反復(fù)校正，以期達(dá)到接近直流電機(jī)特性的方式。也就是說(shuō)直流無(wú) 刷電機(jī)能夠在額定負(fù)載范圍內(nèi)當(dāng)負(fù)載變化時(shí)仍可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)子維持一定的轉(zhuǎn) 速。直流無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器包括電源部及控制部如圖 2-2：電源部提供三相電源給電 機(jī)，控制部則依需求轉(zhuǎn)換輸入電源頻率。 電源部可以直接以直流電輸入(一般 為 24v)或以交流電輸入(110v/220 v)，如果輸入是交流電就得先經(jīng)轉(zhuǎn)換器 (converter)轉(zhuǎn)成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉(zhuǎn)入電機(jī)線圈前須先 將直流電壓由換流器 (inverter)轉(zhuǎn)成 3 相電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。換流器(

24、inverter) 一般由 6 個(gè)功率晶體管(q1q6)分為上臂(q1、q3、q5)/下臂 (q2、q4、q6)連 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 - 4 - 接電機(jī)作為控制流經(jīng)電機(jī)線圈的開(kāi)關(guān)。控制部則提供 pwm(脈沖寬度調(diào)制)決定 功率晶體管開(kāi)關(guān)頻度及換流器(inverter)換相 的時(shí)機(jī)。直流無(wú)刷電機(jī)一般希望 使用在當(dāng)負(fù)載變動(dòng)時(shí)速度可以穩(wěn)定于設(shè)定值而不會(huì)變動(dòng)太大的速度控制，所以 電機(jī)內(nèi)部裝有能感應(yīng)磁場(chǎng)的霍爾傳感器(hall- sensor)，做為速度之閉回路控 制，同時(shí)也做為相序控制的依據(jù)。但這只是用來(lái)做為速度控制并不能拿來(lái)做為 定位控制。 圖2-2 電機(jī)控制結(jié)構(gòu) 2.3 無(wú)刷直流電機(jī)的控制原理

25、 要讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，首先控制部就必須根據(jù) hall-sensor 感應(yīng)到的電機(jī)轉(zhuǎn) 子目前所在位置，然后依照定子繞線決定開(kāi)啟(或關(guān)閉)換流器 (inverter)中功 率晶體管的順序，如下（圖 2-3 ）inverter 中之 ah、bh、ch(這些稱(chēng)為上臂功 率晶體管)及 al、bl、cl(這些稱(chēng)為下臂功率晶體管)，使電流依序流經(jīng)電機(jī)線 圈產(chǎn)生順向(或逆 向)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，如此就能使電機(jī)順 時(shí)/逆時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到 hall-sensor 感應(yīng)出另一組信號(hào)的位置時(shí)，控 制部又再開(kāi)啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)電機(jī)就可以依同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)直 到控制部決定要電機(jī)轉(zhuǎn)子停止則關(guān)

26、閉功率晶體管(或只開(kāi)下臂功率晶體管)；要 電機(jī)轉(zhuǎn)子反向則功率晶體管開(kāi)啟順序相反。 基本上功率晶體管的開(kāi)法可舉例如 下： ah、bl 一組ah、cl 一組bh、cl 一組bh、al 一組ch、al 一組 ch、bl 一組 但絕不能開(kāi)成 ah、al 或 bh、bl 或 ch、cl。此外因?yàn)殡娮恿?件總有開(kāi)關(guān)的響應(yīng)時(shí)間，所以功率晶體管在關(guān)與開(kāi)的交錯(cuò)時(shí)間要將零件的響應(yīng) 時(shí)間考慮進(jìn)去，否則當(dāng)上臂(或下臂)尚未完全關(guān)閉，下臂(或上臂)就已開(kāi)啟， 結(jié)果就造成上、下臂短路而使功率晶體管燒毀。 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 - 5 - 圖2-3 電機(jī)控制原理 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，控制部會(huì)再根據(jù)驅(qū)動(dòng)器設(shè)定的速度及加/減速率

27、所組成的 命令 (command)與 hall-sensor 信號(hào)變化的速度加以比對(duì)(或由軟件運(yùn)算)再來(lái) 決定由下一組(ah、bl 或 ah、cl 或 bh、cl 或)開(kāi)關(guān) 導(dǎo)通，以及導(dǎo)通時(shí)間 長(zhǎng)短。速度不夠則開(kāi)長(zhǎng)，速度過(guò)頭則減短，此部份工作就由 pwm 來(lái)完成。pwm 是決定電機(jī)轉(zhuǎn)速快或慢的方式，如何產(chǎn)生這樣的 pwm 才是要 達(dá)到較精準(zhǔn)速度控 制的核心。高轉(zhuǎn)速的速度控制必須考慮到系統(tǒng)的 clock 分辨率是否足以掌握處 理軟件指令的時(shí)間，另外對(duì)于 hall-sensor 信號(hào)變化的資料存取方式也影響到 處理器效能與判定正確性、實(shí)時(shí)性。至于低轉(zhuǎn)速的速度控制尤其是低速起動(dòng)則 因?yàn)榛貍鞯?hal

28、l-sensor 信號(hào)變化變得更慢，怎樣擷取信號(hào)方式、處理時(shí)機(jī)以 及根據(jù)電機(jī)特性適當(dāng)配置控制參數(shù)值就顯得非常重要。或者速度回傳改變以 encoder 變化為參考，使信號(hào)分辨率增加以期得到更佳的控制。電機(jī)能夠運(yùn)轉(zhuǎn) 順暢而且響應(yīng)良好，p.i.d.控制的恰當(dāng)與否也無(wú)法忽視。之前提到直流無(wú)刷電 機(jī)是閉回路控制，因此回授信號(hào)就等于是告訴控制部現(xiàn)在電機(jī)轉(zhuǎn)速距離目標(biāo)速 度還差多少，這就是誤差(error)。知道了誤差自然就要補(bǔ)償，方式有傳統(tǒng)的工 程控制如 p.i.d.控制。但控制的狀態(tài)及環(huán)境其實(shí)是復(fù)雜多變的，若要控制的堅(jiān) 固耐用則要考慮的因素恐怕不是傳統(tǒng)的工程控制能 完全掌握，所以模糊控制、 專(zhuān)家系統(tǒng)及神經(jīng)

29、網(wǎng)絡(luò)也將被納入成為智能型 p.i.d.控制的重要理論。 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 - 6 - 第3章 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案論證 3.1 方案簡(jiǎn)介 3.1.1 基于專(zhuān)用集成電路構(gòu)成的無(wú)刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法 采用專(zhuān)用集成芯片構(gòu)成的無(wú)刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制原理圖如圖3-1所示。 c 1 b 2 a 3 a 4 r/c 6 fout 5 gnd 7 vcc 8 mc33039 bt 1 at 2 f/r 3 sa 4 sb 5 sc 6 oe 7 vref 8 current sense 9 osc 10 amp+ 11 amp- 12 ampout 13 fault out 14 isense vre

30、f in 15 gnd 16 vc 17 vcc 18 cb 19 bb 20 ab 21 60/120select 22 brake 23 ct 24 mc33035 r16 r17 r18 470 d1 in5859 d2 in5859 d3 in5859 r5 1k r12 1k r13 1k r14 1k r15 1k r16 1kc7 1000uf c8 0.1uf +24v r4 1m c3 0.1uf close loop r3 100k r21 0.05ohm r8 100 r9 33c5 0.1uf tp2 d4 in5338c4 0.1uf r7 1k d6 fault c

31、ondition r11 2.2k r2 5.1k c2 0.01uf a d b c a c b a b c u0 db9 10k r20 reset 100pf c6 47uf s? sw-spst s? sw-spst 1k d? diode bat18 4.7k r19 圖3-1 三相無(wú)刷直流電機(jī)閉環(huán)控制電路 如圖3-1所示，為專(zhuān)用集成芯片mc33039，mc33035,mpm3003組成的三相全波 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)速度控制系統(tǒng)。mpm3003三相逆變橋功率模塊是12腳塑料封 裝模塊。上側(cè)三個(gè)p溝道功率mosfet的導(dǎo)通電阻為0.28，下側(cè)三個(gè)p溝道功率 mosfet的導(dǎo)通電阻為0.

32、15，漏-源電壓為60v，電流為10a。各功率管均帶有反 向續(xù)流二極管。 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 - 7 - 該閉環(huán)速度控制系統(tǒng)中，用三個(gè)霍爾集成電路作為轉(zhuǎn)子位置傳感器。用 mc33035的8腳參考電壓（6.24v）作為它們的電源。霍爾集成電路輸出信號(hào)送至 mc33039和mc33035。從mc33039的5腳輸出脈沖數(shù)是電動(dòng)機(jī)每一轉(zhuǎn)輸出12個(gè)脈沖。 按電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速來(lái)選擇定時(shí)元件。設(shè)最高轉(zhuǎn)速為5000r/min，即83r/s。此時(shí) 每秒輸出脈沖數(shù)是8312=996個(gè)。即其功率約為1000hz，周期約為1ms。由 mc33039說(shuō)明書(shū)，取定時(shí)元件參數(shù)r1=1m，c1=750pf，單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生

33、脈沖寬 度為950us。8腳接mc33035的基準(zhǔn)電壓。5腳輸出經(jīng)電阻r3接mc33035的12腳，即 誤差放大器反相輸入端。放大器此時(shí)增益為10，電容c3起濾波平滑作用。 mc33035振蕩器參數(shù)：r2=5.1k,c2=0.01uf，pwm頻率約為24khz。 系統(tǒng)采用無(wú)感電阻r21（0.05，1w）作為電流檢測(cè)用，并經(jīng)r8，r9分壓后 再連接到9腳。c5是小濾波電容。這樣，系統(tǒng)限流為8a。 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制如圖3-2所示,mc33039 對(duì)輸入的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行有 關(guān)的處理, 產(chǎn)生與電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速成正比的轉(zhuǎn)速電壓信號(hào)。mc33039 的輸出經(jīng)低 通濾波器平滑, 引入mc33035 的誤差放

34、大器的反相輸入端, 而轉(zhuǎn)速給定信號(hào)經(jīng) 積分環(huán)節(jié)輸入mc33039 誤差放大器的同相輸入端，從而構(gòu)成系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。 圖3-2 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制電路 (1) 基于mpm3003模塊的驅(qū)動(dòng)單元 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 - 8 - 圖3-3 mpm3003內(nèi)部電路原理圖 圖3-3中，mpm3003管腳7、10、3為上側(cè)三個(gè)p溝道功率mosfet的柵極，管腳 2、5、8則為下側(cè)三個(gè)n溝道功率mosfet的柵極，它們均由mc33035驅(qū)動(dòng)。上側(cè)功 率mosfet由低電平驅(qū)動(dòng)，下側(cè)功率mosfet由高電平驅(qū)動(dòng)。每次各有一個(gè)上側(cè)功 率mosfet和一個(gè)下側(cè)功率mosfet導(dǎo)通，且受mc33035的控制。正常工

35、作時(shí)，上下 兩個(gè)導(dǎo)通的功率mosfet應(yīng)不在同一橋臂上。其連接方式為：mpm3003的管腳 7、10、3依次與mc33035的管腳1、2、24相連，mpm3003的管腳2、5、8依次與 mc33035的管腳19、20、21相連。mpm3003的管腳11為上側(cè)三個(gè)功率mosfet的源 極，接電源1830v。管腳1為下側(cè)三個(gè)功率mosfet的源極，與電流檢測(cè)電路相 連。管腳4、6、9為各管的漏極，依次與電動(dòng)機(jī)繞組a、b、c相連。在應(yīng)用時(shí)， mpm3003應(yīng)按實(shí)際情況加合適的散熱片。 (2) 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè) 在無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中，位置傳感器一方面用來(lái)測(cè)定轉(zhuǎn)子磁極的位置， 以便為實(shí)現(xiàn)電子換向提供信息

36、；另一方面用來(lái)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以便為閉環(huán)速 度反饋提供電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。本設(shè)計(jì)采用霍爾型位置傳感器來(lái)采集轉(zhuǎn)子磁極 位置。它將霍爾元件及其半導(dǎo)體集成電路集成在一塊n型外延片上，其外形與一 般小型晶體管相似，采用這種方式體積小、靈敏度高，因而大多數(shù)無(wú)刷直流電 動(dòng)機(jī)均采用霍爾型位置傳感器。 (3) 速度檢測(cè) 通過(guò)mc33039可利用轉(zhuǎn)子位置傳感器的輸出信號(hào)，經(jīng)變換得到正比于電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)速的脈沖信號(hào)fb，并將該信號(hào)反饋給控制器，即可形成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。 其連接方式是將mc33039的管腳1、2、3接位置傳感器三個(gè)信號(hào)；管腳5的輸 出接mc33035的12腳(即誤差放大器反相輸入端)；管腳7接地；管腳8接m

37、c33035 的管腳8 (即其基準(zhǔn)電壓)；管腳6和8則連接定時(shí)元件r1、c1。 (4) 速度給定 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 - 9 - 速度給定是速度環(huán)的一個(gè)組成部分。本系統(tǒng)采用的是電位器給定的方式， 電位器接在06.25v之間，給出的模擬電壓幅值在06.25 v之間。在管腳8與11 之間加一個(gè)電位器可以控制速度的大小，兩管腳之間的電阻越小，速度越快。 3.1.2 基于 8051f 單片機(jī)直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介 該設(shè)計(jì)是以c8051f330d單片機(jī)為核心，利用mc33035和mc33039構(gòu)成的無(wú)刷 直流電機(jī)閉環(huán)速度控制系統(tǒng)。 該電路如圖3-4所示，主要由mc33035，mc3303

38、9，驅(qū)動(dòng)電路和電機(jī)組成。但 是這與之前介紹的基于專(zhuān)用集成電路構(gòu)成的無(wú)刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法不同， 此電路中電機(jī)的啟動(dòng)和停止，正反轉(zhuǎn)，機(jī)動(dòng)剎車(chē)以及加速和減速等功能都是由 單片機(jī)控制的。 c 1 b 2 a 3 a 4 r/c 6 fout 5 gnd 7 vcc 8 mc33039 bt 1 at 2 f/r 3 sa 4 sb 5 sc 6 oe 7 vref 8 current sense 9 osc 10 amp+ 11 amp- 12 ampout 13 fault out 14 isense vref in 15 gnd 16 vc 17 vcc 18 cb 19 bb 20 ab

39、21 60/120select 22 brake 23 ct 24 mc33035 r16 r17 r18 470 d1 in5859 d2 in5859 d3 in5859 r5 1k r12 1k r13 1k r14 1k r15 1k r16 1kc7 1000uf c8 0.1uf +24v r4 1m c3 0.1uf close loop r3 100k r21 0.05ohm r8 100 r9 33c5 0.1uf tp2 d4 in5338c4 0.1uf r7 1k d6 fault condition r11 2.2k r2 5.1k c2 0.01uf a d b c

40、 a c b a b c u0 db9 2 3 6 47 1 8 5 ar? op amp +6v -6v 1k r? rpot 1k r11 p0.1 圖 3-4 電機(jī)控制原理圖 8051f330d單片機(jī)的p0.1口接一個(gè)運(yùn)放器，運(yùn)放的輸出饋入到mc33035的11 腳即誤差信號(hào)放大器同向輸入端來(lái)產(chǎn)生與速度成比例的直流電壓，從而來(lái)改變 電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 p1.1接mc33035的23腳使能端，當(dāng)p1.1為低電平時(shí)允許馬達(dá)運(yùn)行，為高電平 時(shí)馬達(dá)運(yùn)行停止。 p1.2控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，它接mc33035的3腳正反向輸入端，當(dāng)該腳為高 電平時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，為低電平時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。 p1.3控制電機(jī)的啟動(dòng)和停

41、止，它接mc33035的7腳，當(dāng)該腳為高電平時(shí)，電 機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，為低電平時(shí)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 - 10 - 3.2 系統(tǒng)方案論證 以上介紹了兩種直流無(wú)刷電機(jī)速度控制設(shè)計(jì)方法，兩種設(shè)計(jì)都能實(shí)現(xiàn)電機(jī) 的啟動(dòng)和停止，正反轉(zhuǎn)，機(jī)動(dòng)剎車(chē)以及加速和減速等功能。 第一種方法，基于mc33035,mc33039，mpm3003專(zhuān)用集成電路及一些外圍電 路構(gòu)成的直流無(wú)刷電機(jī)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)可以很好地實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的一些功能， 方便簡(jiǎn)單而且有效。但是該電路在速度調(diào)節(jié)上面不是太精確，而且不可以顯示 當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速，只能進(jìn)行單機(jī)控制,缺乏智能性。 基于8051f330d單片機(jī)直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)用且性

42、價(jià)比高，可以顯示電 機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，運(yùn)算速度快，兼容了第一種設(shè)計(jì)方法 的優(yōu)點(diǎn)，所以通過(guò)對(duì)比論證，我們決定采用該設(shè)計(jì)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度控制。 第4章 基于8051f單片機(jī)直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng) 該設(shè)計(jì)是以c8051f330d單片機(jī)為核心，利用mc33035和mc33039構(gòu)成的無(wú)刷 直流電機(jī)閉環(huán)速度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格低廉,運(yùn)行性能良好。 c8051f系列單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片( soc),具有與8051 兼容 的高速c ip251內(nèi)核(運(yùn)算速度高達(dá)25 m ips) ,與mcs251指令集完全兼容; c8051f單片機(jī)具有片內(nèi)調(diào)試電路,通過(guò)4腳jta

43、g接口,可以進(jìn)行非侵入式、全速的 在系統(tǒng)調(diào)試; c8051f高速soc的芯片上還集成了構(gòu)成單片機(jī)控制系統(tǒng)所需的幾乎 所有模擬、數(shù)字外設(shè)及其他功能部件(包括adc、dac、可編程增益放大器;電壓 比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、smbus/ i2c、uart、sp i、定時(shí)器、可編程 計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列( pca) 、內(nèi)部振蕩器、看門(mén)狗定時(shí)器及電源監(jiān)視器等) 。 這些外設(shè)的高度集成,為設(shè)計(jì)小體積、低功耗、高可靠性、高性能的單片機(jī)應(yīng)用 系統(tǒng)提供了極大的方便,可大大降低系統(tǒng)的整體成本。 4.1 mc33035簡(jiǎn)介 mc33035 是motorola公司第二代高性能無(wú)刷直流電機(jī)專(zhuān)用芯片,它采用雙極 性模

44、擬工藝制造,在任何惡劣的環(huán)境條件下仍然具有很高的穩(wěn)定性和優(yōu)秀品質(zhì)。 芯片內(nèi)包含有誤差信號(hào)放大器、pwm脈沖調(diào)制放大器、頻率可編程的鋸齒波振蕩 器、3個(gè)集電極開(kāi)路頂端驅(qū)動(dòng)輸出和3個(gè)非常適用于驅(qū)動(dòng)功率場(chǎng)效應(yīng)管(mosfet) 的大電流圖騰柱式底部輸出器。它還有可用于正確整流時(shí)序的轉(zhuǎn)子位置譯碼器、 可對(duì)傳感器的溫度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)膮⒖茧娖?。還帶有欠鎖定功能及欠壓保護(hù)、過(guò)流 保護(hù)、芯片過(guò)熱保護(hù)、故障信號(hào)輸出、單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)輸入等功能。mc33035內(nèi) 部原理圖如圖4-1所示?？傊?它是一種具有典型的包括開(kāi)環(huán)速度、正向運(yùn)轉(zhuǎn)和 反向運(yùn)轉(zhuǎn)、以及運(yùn)行使能等的電機(jī)控制專(zhuān)用小型系統(tǒng)。 該集成電路的主要組成部分包括： 轉(zhuǎn)

45、子位置傳感器譯碼器電路 帶溫度補(bǔ)償?shù)膬?nèi)部基準(zhǔn)電源 頻率可設(shè)定的鋸齒波振蕩器 誤差放大器 脈寬調(diào)制（pwm）比較器 輸出驅(qū)動(dòng)電路 欠電壓封鎖保護(hù)、芯片過(guò)熱保護(hù)等故障輸出 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 - 11 - 限流電路 mc33035芯片的特點(diǎn)： 工作的電源電壓范圍很寬,有1030v； 芯片內(nèi)含有基準(zhǔn)電壓源6.25v； 傳感器相角可以選擇60/300度或120/240度； 帶外部頻率調(diào)整的鋸齒波發(fā)生器； 可直接控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)； 可直接實(shí)現(xiàn)電機(jī)剎車(chē)制動(dòng)； 可直接控制電機(jī)啟停。 mc33035是24腳的雙列直插窄式集成電路塊，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。 圖4-1 mc33035內(nèi)部電路原理圖 其主要功

46、能有：(1) 轉(zhuǎn)子位置譯碼器接受轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器的信號(hào), 處理 后生成6 路輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制逆變橋的正確換流; (2) 故障與處理包括欠壓、 過(guò)熱、誤碼、過(guò)流等; (3) 正/反轉(zhuǎn)控制改變6路輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的順序, 以改 變定子繞組的電流方向,從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)向; (4) 制動(dòng)封鎖所有上橋臂的驅(qū)動(dòng) 信號(hào), 使電機(jī)與電源隔離, 同時(shí)打開(kāi)所有下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào), 短接電機(jī)的電動(dòng) 勢(shì), 使電機(jī)迅速減速; (5) 內(nèi)部振蕩器決定pwm 的調(diào)制頻率; (6) 轉(zhuǎn)速給定 包括1個(gè)誤差放大器和1 個(gè)pwm 比較器, 給定的轉(zhuǎn)速信號(hào)與振蕩器的輸出鋸齒波 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 - 12 - 相比較, 產(chǎn)生pwm 控制

47、信號(hào); (7)內(nèi)部基準(zhǔn)電壓不僅用于內(nèi)部比較器和振蕩器 的電源,還輸出作為轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器的電源。 表4-1 mc33035引腳功能說(shuō)明 引腳號(hào)符號(hào)與功能功能說(shuō)明 1，2，24 3 4，5，6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19，20， 21 22 bt, at, ct 正向/反向 sa, sb, sc 使能控制 基準(zhǔn)電壓輸出 電流檢測(cè)輸入 振蕩器 誤差放大器輸入 誤差放大器輸入 誤差放大器輸出 故障信號(hào)輸出 電流檢測(cè)輸入 地 vcc vc cb, bb, ab 60/120選擇 集電極開(kāi)路輸出，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)三相橋上側(cè)三個(gè)功率開(kāi) 關(guān)。最大允許電壓為40v，最大吸入

48、電流為50ma 改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向 轉(zhuǎn)子位置傳感器輸入端 邏輯高電平使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，邏輯低電平使電動(dòng)機(jī)停車(chē) 典型值6.24v 電流檢測(cè)比較器的同相輸入端 由外接定時(shí)元件rt和ct決定其振蕩頻率 同相輸入端 反相輸入端 在閉環(huán)控制時(shí)連接校正阻容元件。此引腳亦連接到內(nèi) 部pwm比較器反相輸入端 集電極開(kāi)路輸出，故障時(shí)輸出低電平 反相輸入端 供給本集成電路的正電源，10-30v 給下驅(qū)動(dòng)輸出提供正電源，10-30v 下側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出端 高電平對(duì)應(yīng)傳感器相差60，低電平對(duì)應(yīng)傳感器相差 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 - 13 - 23 制動(dòng)輸入 120 邏輯低電平使電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，邏輯高電平使電動(dòng)機(jī) 制動(dòng)減速 mc33

49、035mc33035功能說(shuō)明功能說(shuō)明 （1） 轉(zhuǎn)子位置傳感器譯碼電路 該譯碼電路將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成六路驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)，三 路上側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出和三路下側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出。它適合于集電極開(kāi)路的霍爾集成電路或 光耦合電路等傳感器。輸入端腳 4、5、6 都設(shè)有提升電阻，輸入電路分 ttl 電路電平兼容，門(mén)檻電壓為 2.2v。該集成電路適用于傳感器相位差為,60、 120、240、300 四種情況的三相無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。 由于 3 個(gè)輸入邏輯信號(hào)，可有 8 種邏輯組合。其中 6 種正常狀態(tài)決定了 電動(dòng)機(jī)的不同位置狀態(tài)。其余 2 種組合對(duì)應(yīng)于位置傳感不正常狀態(tài)，即 3 個(gè) 信號(hào)線開(kāi)路或?qū)Φ囟搪窢顟B(tài)，此時(shí)腳 1

50、4 將輸出故障信號(hào)（低電平）。 用腳 3 邏輯電平來(lái)確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向。當(dāng)腳 3 邏輯狀態(tài)改變時(shí)，傳感器信 號(hào)在譯碼器內(nèi)將原來(lái)的邏輯狀態(tài)改變成非，再經(jīng)譯碼后，得到反相序的換向輸 出，使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)的起?？刂朴赡_ 7 使能端來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)腳 7 懸空時(shí)， 內(nèi)部有電流源使驅(qū)動(dòng)輸出電路正常工作。若腳 7 接地，3 個(gè)上側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出開(kāi)路 （1 狀態(tài)），3 個(gè)下側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出強(qiáng)制為低電平（ 0 狀態(tài)），使電動(dòng)機(jī)失去激勵(lì) 而停車(chē)，同時(shí)故障信號(hào)輸出為零。 當(dāng)加到腳 23 上的制動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)，電動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)操作。它使 3 個(gè) 上側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出開(kāi)路，下側(cè) 3 個(gè)驅(qū)動(dòng)輸出為高電平，外接逆變橋下側(cè) 3 個(gè)功率 開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，使

51、電動(dòng)機(jī) 3 個(gè)繞組端對(duì)地短接，實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)。芯片內(nèi)設(shè)一個(gè)四與 門(mén)電路，其輸入端是腳 23 的制動(dòng)信號(hào)和上側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出 3 個(gè)信號(hào)，它的作用是 等待 3 個(gè)上側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出確實(shí)已轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)后，才允許 3 個(gè)下側(cè)驅(qū)動(dòng)輸 出變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)，從而避免逆變橋上下開(kāi)關(guān)出現(xiàn)同時(shí)導(dǎo)通的危險(xiǎn)。 （2） 誤差放大器 該芯片內(nèi)設(shè)有高性能，全補(bǔ)償?shù)恼`差放大器。在閉環(huán)速度控制時(shí)，該放大 器的直流電壓增益為 80db ，增益帶寬為 0.6mhz,輸入共模電壓范圍從地到 vref（典型值為 6.25v ），可得到良好性能。作開(kāi)環(huán)速度控制時(shí)，可將此放大 器改接成增益為 1 的電壓跟隨器，即速度設(shè)定電壓從其同相輸入端腳 11

52、輸入。 腳 1213 短接。 （3） 脈寬調(diào)制器 除非由于過(guò)電流或故障狀態(tài)使 6 個(gè)驅(qū)動(dòng)輸出調(diào)閉鎖，在正常情況下，誤差 放大器輸出與振蕩器輸出鋸齒波信號(hào)比較后，產(chǎn)生脈寬調(diào)制（ pwm ）信號(hào)，控 制 3 個(gè)下側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出。改變輸出脈沖寬度，相當(dāng)于改變供給電動(dòng)機(jī)繞組的平均 電壓，從而控制其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。脈寬調(diào)制時(shí)序圖，如圖 4-2 所示。 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 - 14 - 圖 4-2 脈沖調(diào)制時(shí)序圖 （4） 電流限制 外接逆變橋經(jīng)一電阻 rs 接地作電流采樣。采樣電壓由腳 9 和腳 15 輸入 至電流檢測(cè)比較器。比較器反相輸入端設(shè)置有 100mv 基準(zhǔn)電壓，作為電流限流 基準(zhǔn)。在振蕩器鋸齒波上升

53、時(shí)間內(nèi)，若電流過(guò)大，此比較器翻轉(zhuǎn)，使下 rs 觸 發(fā)器重置，將驅(qū)動(dòng)輸出關(guān)閉，以限制電流繼續(xù)增大。在鋸齒波下降時(shí)間，重新 將觸發(fā)器置位，使驅(qū)動(dòng)輸出開(kāi)通。利用這樣的逐個(gè)周期電流比較，實(shí)現(xiàn)了限流， 若允許最大電流為 imax ，則采樣電阻按下式選擇:rs = 0.1/ imax 為了避免 由換相尖峰脈沖引起電流檢測(cè)誤動(dòng)作，在腳 9 輸入前可設(shè)置 rc 低通濾波器。 4.2 電子測(cè)速芯片mc33039 mc33039 是 motorola 公司配合 mc33035 專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的無(wú)刷電機(jī)閉環(huán)速度控制 器,這是一個(gè) 8 腳的雙列直插窄式集成電路塊。系統(tǒng)不必試用較高價(jià)格的電磁式 或光電式測(cè)速機(jī)，就可實(shí)現(xiàn)精確調(diào)

54、速控制。它直接利用三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn) 子位置傳感器三個(gè)輸出信號(hào)，經(jīng) f/v 變換成正比于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的電壓。 該芯片包含三個(gè)輸入緩沖，每路輸入緩沖都帶有一個(gè)延時(shí)器以提高抗干擾 能力，此外，mc33039還帶有三個(gè)數(shù)字信號(hào)邊沿檢測(cè)器, 一個(gè)可編程單穩(wěn)態(tài)以及 一個(gè)內(nèi)部并聯(lián)調(diào)節(jié)器。同時(shí)該芯片還包含一個(gè)變換器輸出，故可滿(mǎn)足要求傳感 器進(jìn)行相位轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)。圖4-3所示是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。雖然mc33039芯片主要與 mc33035芯片構(gòu)成無(wú)刷電機(jī)控制器，但也可以有效、廉價(jià)地在其它閉環(huán)速度控制 中應(yīng)用。 mc33039的主要特點(diǎn)如下： 1. 可對(duì)每個(gè)輸入變化進(jìn)行數(shù)字檢測(cè)，以用于改進(jìn)低速電機(jī)的工作； 2. 與tt

55、l輸入兼容，帶滯后； 3. 可直接由mc33035 參考源供電，運(yùn)行電壓可低至5.5 v； 4. 內(nèi)部旁路穩(wěn)壓器允許從非穩(wěn)壓的電源中獲得電源； 5. 帶倒相器輸出，可提供方便的60/300或120/240傳感器相位轉(zhuǎn) 換。 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 - 15 - 圖4-3 mc33039原理框圖 mc33039的工作原理：mc33039可通過(guò)一種低成本的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電 機(jī)閉環(huán)速度的控制。 在這只列舉了60傳感器的相位輸入。mc33039可直接將 三相無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器的三個(gè)方波輸入信號(hào)，經(jīng)f/v變換成正比于電 機(jī)轉(zhuǎn)速的電壓信號(hào)。它的1、2、3腳可接收電機(jī)位置傳感器的三個(gè)信號(hào)，并經(jīng)有

56、 滯后的緩沖電路來(lái)抑制輸入噪聲，再經(jīng)“或”運(yùn)算后得到相當(dāng)于電機(jī)每對(duì)極下 六個(gè)脈沖的信號(hào)，然后經(jīng)外接定時(shí)組件的單穩(wěn)態(tài)電路(rt、ct) 引起ct放電。 mc33039從5腳輸出的信號(hào)的占空比與電機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，其直流分量與轉(zhuǎn)速成正 比。當(dāng)電機(jī)加速時(shí)，輸出脈沖序列的平均電壓將會(huì)上升。此信號(hào)在外接低通濾 波器處理后，即可得到與轉(zhuǎn)速成正比的測(cè)速電壓。這樣，采用經(jīng)濟(jì)的三相電機(jī) 就能實(shí)現(xiàn)100轉(zhuǎn)/分鐘的恒定速度運(yùn)行。而a變換器輸出(引腳4)則可用在控制 器和電機(jī)傳感器相位轉(zhuǎn)換不兼容的系統(tǒng)中。 4.3 mpm3003 mpm3003是一種三相逆變橋功能模塊，包括三個(gè)p溝道和三個(gè)n溝道功率 mosfet。mpm

57、3003可理想地應(yīng)用在磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中。mpm3003 采用12腳塑料封裝，其內(nèi)部集成了6個(gè)mosfet。 4.4 c8051f330d微控制器概述 （1） c8051f330d 簡(jiǎn)介 模擬外設(shè)模擬外設(shè) 1010位位 adcadc（只限于（只限于f330f330） 轉(zhuǎn)換速率可達(dá)200ksps 可多達(dá)16個(gè)外部單端或差分輸入 vref可在內(nèi)部vref、外部引腳或vdd中選擇 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 - 16 - 內(nèi)部或外部轉(zhuǎn)換啟動(dòng)源 內(nèi)置溫度傳感器 10位電流輸出位電流輸出dac（只限于（只限于f330） 比較器比較器 可編程回差電壓和響應(yīng)時(shí)間 可配置為中斷或復(fù)位源 小電流（0.4a）

58、 在片調(diào)試在片調(diào)試 片內(nèi)調(diào)試電路提供全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試（不需仿真器?。?支持?jǐn)帱c(diǎn)、單步、觀察/修改存儲(chǔ)器和寄存器 比使用仿真芯片、目標(biāo)仿真頭和仿真插座的仿真系統(tǒng)有更優(yōu)越的性能 廉價(jià)而完整的開(kāi)發(fā)套件 供電電壓供電電壓2.7v2.7v - - 3.6v3.6v 典型工作電流：6.4ma 25mhz 9a 32khz 典型停機(jī)電流：0.1a 溫度范圍：溫度范圍：-40c-40c - - +85c+85c 高速高速80518051微控制器內(nèi)核微控制器內(nèi)核 流水線指令結(jié)構(gòu)；70%的指令的執(zhí)行時(shí)間為一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期 速度可達(dá)25mips（時(shí)鐘頻率為25mhz時(shí)） 擴(kuò)展的中斷系統(tǒng) 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器

59、 768字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)ram（256+512） 8kb flash；可在系統(tǒng)編程，扇區(qū)大小為512字節(jié) 數(shù)字外設(shè)數(shù)字外設(shè) 17個(gè)端口i/o；均耐5v電壓，大灌電流 硬件增強(qiáng)型uart、smbus和增強(qiáng)型spi串口 4個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器 16位可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列（pca），有3個(gè)捕捉/比較模塊 使用pca或定時(shí)器和外部時(shí)鐘源的實(shí)時(shí)時(shí)鐘方式 時(shí)鐘源時(shí)鐘源 兩個(gè)內(nèi)部振蕩器： 24.5mhz，2%的精度，可支持無(wú)晶體uart操作 80/40/20/10 khz低頻率、低功耗振蕩器 外部振蕩器：晶體、rc、c、或外部時(shí)鐘 可在運(yùn)行中切換時(shí)鐘源，適用于節(jié)電方式 封裝：封裝：20腳mlp （2）

60、 c8051f330d原理框圖 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 - 17 - 圖4-4 c8051f33od原理框圖 （3） c8051f330引腳定義 表 4-2 c8051f330 引腳定義 引腳名稱(chēng)引腳號(hào)引腳類(lèi)型說(shuō)明 vdd3 電源 gnd2 地 /rst c2ck 4 數(shù)字 i/o 數(shù)字 i/o 器件復(fù)位。內(nèi)部上電復(fù)位或 vdd 監(jiān)視器的漏極開(kāi)路輸出。 一個(gè)外部源可以通過(guò)將該引 腳驅(qū)動(dòng)為低電平（至少 10s）來(lái)啟動(dòng)一次系統(tǒng)復(fù)位。 c2 調(diào)試接口的時(shí)鐘信號(hào) p2.0 c2d 5 數(shù)字 i/o 數(shù)字 i/o 端口 p2.0 c2 調(diào)試接口的雙向數(shù)據(jù)信號(hào) p0.0 vref 1 數(shù)字 i/o 或模擬