一種無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、一種無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：介紹了 MOTORALA公司專門用于無刷直流電機(jī)控制的芯片MC33035和 MC33039的特點(diǎn)及其工作原理，系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為控制電路與功率驅(qū)動(dòng)電路兩大部分，控制電 路以MC33035/33039為核心，接收反饋的位置信號(hào)，與速度給定量合成，判斷通電繞組 并給出開關(guān)信號(hào)。在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，采用三相Y聯(lián)結(jié)全控電路，使用六支高速M(fèi)OSFET 開關(guān)管組成。通過實(shí)驗(yàn)，電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī);MC33035/33039;控制電路;驅(qū)動(dòng)電路Design of control system for Brushless DC MotorsSUN GuanQun;SH

2、I Ming;TONG LinYi;XU YiPingAbstract: It introduces the MOTORALA company used for the characteristics o f the chip MC33035 and MC33039 which control the brushless direct curren t motor exclusively and its work principle. The system design divides into tw o major parts: the control circuit and the pow

3、er driver circuit, the control circ uit take MC33035/33039 as the core, receive feedback position signal, with th e speed to the quota synthesis, the judgment circular telegram winding and p roduces the switching signal. In the actuation circuit design, uses the three-p hase Y joint all to control t

4、he electric circuit, uses six high speed MOSFET swit ching valve to compose. Through the experiment, the electric motor moveme nt stable is reliable.Keywords: Brushless DC motor;MC33035/33039;control circuit;drive circuit 1.引言永磁直流無刷電機(jī)是近年來迅速成熟起來的一種新型機(jī)電一體化電機(jī)。該電機(jī)由定子、 轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)元件霍爾傳感器等組成，由于沒有勵(lì)磁裝置，效率高、結(jié)構(gòu)

5、簡(jiǎn)單、工作特 性優(yōu)良，而且具有體積更小、可靠性更高、控制更容易、應(yīng)用范圍更廣泛、制造維護(hù)更方便 等優(yōu)點(diǎn)，使無刷電機(jī)的研究具有重大意義。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是利用調(diào)壓調(diào)速，根據(jù)調(diào)整供電PWM電源的占空比進(jìn)而調(diào)整電壓的方式實(shí) 現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用無刷直流電機(jī)專用控制芯片MC33035,它能夠?qū)魻杺鞲衅鳈z測(cè)出的位置 信號(hào)進(jìn)行譯碼，它本身更具備過流、過熱、欠壓、正反轉(zhuǎn)選擇等輔助功能，組成的系統(tǒng)所需 外圍電路簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)者不必因?yàn)椴捎梅至⒃M成龐大的模擬電路，使得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試 相當(dāng)復(fù)雜，而且要占用很大面積的電路板。MC33035和MC33039這兩種集成芯片也可以方便地完成無刷直流電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)、 運(yùn)轉(zhuǎn)起動(dòng)以及動(dòng)

6、態(tài)制動(dòng)、過流保護(hù)、三相驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的簡(jiǎn)易閉環(huán)控制等。 利用專用集成芯片構(gòu)成的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，具有集成度高、速度快及完善的保護(hù)功能 等特點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因而整個(gè)線路外圍元件少、走線簡(jiǎn)單，可大大減小逆變器體積。系統(tǒng)原理該閉環(huán)速度控制系統(tǒng)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MC33035和MC3303 9。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，MC33039的輸出經(jīng)低通濾波器平滑，引入MC33035 的誤差放入器的反相輸入端，而轉(zhuǎn)速給定信號(hào)經(jīng)積分環(huán)節(jié)輸入MC33035的誤差放大器的 同相輸入端，從

7、而構(gòu)成系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。斷電控制故障信號(hào)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)信號(hào)去逆變 橋基極故障 保護(hù)圖1系統(tǒng)控制原理控制電路設(shè)計(jì)MC33035的工作電源電壓范圍很寬，在10V-30V之間，芯片內(nèi)含有基準(zhǔn)電壓6.25 VMC33035內(nèi)部的轉(zhuǎn)子位置譯碼器主要用于監(jiān)控三個(gè)傳感器輸入，以便系統(tǒng)能夠正確提供 高端和低端驅(qū)動(dòng)輸入的正確時(shí)序。傳感器輸入可直接與集電極開路型霍爾效應(yīng)開關(guān)或者光電 耦合器相連接。此外，該電路還內(nèi)含上拉電阻，其輸入與門限典型值為2.2V的TTL電平兼容。 用MC33035系列產(chǎn)品控制的三相電機(jī)可在最常見的四種傳感器相位下工作。MC33035 所提供的60/120選擇可使MC33035很方便地控制具

8、有60、120、240或300 的傳感器相位電機(jī)。其三個(gè)傳感器輸入有八種可能的輸入編碼組金其中六種是有效的轉(zhuǎn)子 位置，另外兩種編碼組合無效，通過六個(gè)有效輸入編碼可使譯碼器在使用60電氣相位的窗 口內(nèi)分辨出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。MC33035直流無刷電機(jī)控制器的正向/反向輸出可通過翻轉(zhuǎn) 定子繞組上的電壓來改變電機(jī)轉(zhuǎn)向。當(dāng)輸入狀態(tài)改變時(shí)，指定的傳感器輸入編碼將從高電平 變?yōu)榈碗娖?，從而改變整流時(shí)序，以使電機(jī)改變旋轉(zhuǎn)方向。電機(jī)通/斷控制可由輸出使能來實(shí) 現(xiàn)，當(dāng)該管腳開路時(shí)，連接到正電源的內(nèi)置上拉電阻將會(huì)啟動(dòng)頂部和底部驅(qū)動(dòng)輸出時(shí)序。而當(dāng) 該腳接地時(shí),頂端驅(qū)動(dòng)輸出將關(guān)閉，并將底部驅(qū)動(dòng)強(qiáng)制為低,從而使電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)

9、。MC33035 中的誤差放大器、振蕩器、脈沖寬度調(diào)制、電流限制電路、片內(nèi)電壓參考、欠壓鎖定電路、 驅(qū)動(dòng)輸出電路以及熱關(guān)斷等電路的工作原理及操作方法與其它同類芯片的方法基本類似。M C33035外圍電路如圖2。圖2 MC33035外圍電路如圖所示，我們給電壓為24V的電源，F(xiàn)/R控制電機(jī)轉(zhuǎn)向，正向/反向輸出可通過翻轉(zhuǎn) 定子繞組上的電壓來改變電機(jī)轉(zhuǎn)向。當(dāng)輸入狀態(tài)改變時(shí)，指定的傳感器輸入編碼將從高電平 變?yōu)榈碗娖?，從而改變整流時(shí)序，以使電機(jī)改變旋轉(zhuǎn)方向。電機(jī)通/斷控制可由輸出使能7管腳來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)該管腳開路時(shí)，連接到正電源的內(nèi)置上拉 電阻將會(huì)啟動(dòng)頂部和底部驅(qū)動(dòng)輸出時(shí)序。而當(dāng)該腳接地時(shí),頂端驅(qū)動(dòng)輸出將

10、關(guān)閉，并將底部驅(qū) 動(dòng)強(qiáng)制為低,從而使電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。由于MC33035的8管腳提供6.25V標(biāo)準(zhǔn)電壓輸出，因此可以用此電壓給霍爾元器件 以及其他器件供電,在這個(gè)系統(tǒng)中PWM信號(hào)的產(chǎn)生是很容易的，而且PWM信號(hào)的頻率可以 由外部電路調(diào)節(jié)，其頻率由公式-決定，R5是一個(gè)可變電阻，通過調(diào)節(jié)R5,即可改 變PWM信號(hào)的頻率。只需要在MC33035的外圍加一個(gè)電容、一個(gè)電阻及一個(gè)可調(diào)電位 器即可產(chǎn)生我們所需要的脈寬調(diào)制信號(hào)。因MC33035的8管腳輸出為6.25V標(biāo)準(zhǔn)電壓， 由R6、C1組成了一個(gè)RC振蕩器，所以10管腳的輸入近似一三角波，其頻率由-I 決定。R5為控制無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速的電位器，通過該電位器改變

11、11管腳對(duì)地的電壓，從而來改 變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。運(yùn)算放大器1由外部接成一個(gè)跟隨器的形式，所以11管腳的對(duì)地電壓即為 比較器2的反相輸入電壓，通過電位器R5改變11腳的對(duì)地電壓從而改變比較器2的輸出 方波的占空比，即比較器2的輸出為我們所需的PWM信號(hào)。14管腳是故障輸出端，L1用作故障指示，當(dāng)出現(xiàn)無效的傳感器輸入碼、過流、欠壓、 芯片內(nèi)部過熱、使能端為低電平時(shí)，LED發(fā)光報(bào)警，同時(shí)自動(dòng)封鎖系統(tǒng)，只有故障排除后， 經(jīng)系統(tǒng)復(fù)位才能恢復(fù)正常工作R6及C1決定了內(nèi)部振蕩器頻率（也即PWM的調(diào)制頻率）, 轉(zhuǎn)速給定電位計(jì)W的輸出經(jīng)過積分環(huán)節(jié)輸入MC33035的誤差放大器的同相輸入端，其反 向輸入端與輸出端相連

12、，這樣，誤差放大器便構(gòu)成了一個(gè)單位增益電壓跟隨器,從而完成系統(tǒng) 的轉(zhuǎn)速控制。8管腳接一 NPN的三極管，當(dāng)8腳電壓為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，為MC33039和霍 耳傳感器提供電壓。電解電容C2是濾波作用，防止電流回流。MC33035的17管腳的輸入電壓低于9.1V時(shí)，由于17腳的輸入連接內(nèi)部一比較器的 同相輸入端，該比較器的反相輸入為內(nèi)部一9.1V標(biāo)準(zhǔn)電壓，此時(shí)MC33035通過與門將驅(qū)動(dòng) 下橋的三路輸出全部封鎖，下橋的三個(gè)功率三極管全部關(guān)斷，電機(jī)停止運(yùn)行,起欠壓保護(hù)作 用。過熱保護(hù)等功能是芯片內(nèi)部的電路,無需設(shè)計(jì)外圍電路。該系統(tǒng)的無刷直流電機(jī)內(nèi)置有3個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器用來檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，一旦決定電

13、機(jī)的 換相，并可以根據(jù)該信號(hào)來計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速。傳感器的輸出端直接接MC33035的4、5、6 管腳。當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，通過霍爾傳感器可得到3個(gè)脈寬為180度電角度的互相重疊的信 號(hào)，這樣就得到6個(gè)強(qiáng)制換相點(diǎn),MC33035對(duì)3個(gè)霍爾信號(hào)進(jìn)行譯碼，使得電機(jī)正確換相。當(dāng)MC33035的11腳接地時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為0,即可實(shí)現(xiàn)剎車制動(dòng)。MC330399是Motorola公司配合MC33035專門設(shè)計(jì)的無刷電機(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。MC33039對(duì)輸入的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)碼進(jìn)行有關(guān) 的處理，產(chǎn)生一個(gè)與電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速成正比的轉(zhuǎn)速電壓信號(hào)。從電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器送來的三相位置檢測(cè)信號(hào)（

14、SA、SB、SC）一方面送入MC330 35,經(jīng)芯片內(nèi)部譯碼電路結(jié)合正反轉(zhuǎn)控制端、起?？刂贫恕⒅苿?dòng)控制端、電流檢測(cè)端等控 制邏輯信號(hào)狀態(tài)，經(jīng)過運(yùn)算后，產(chǎn)生逆變器三相上、下橋臂開關(guān)器件的六路原始控制信號(hào)， 其中，三相下橋開關(guān)信號(hào)還要按無刷直流電機(jī)調(diào)速機(jī)理進(jìn)行脈寬調(diào)制處理。處理后的三相下 橋PWM控制信號(hào)（AB、BB、CB）及三相上橋控制信號(hào)（AT、BT、CT）經(jīng)過驅(qū)動(dòng)放大后， 施加到逆變器的六個(gè)開關(guān)管上，使其產(chǎn)生出供電機(jī)正常運(yùn)行所需的三相方波交流電流。另一 方面，轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)信號(hào)還送入MC33039，經(jīng)F/V轉(zhuǎn)換，得到一個(gè)頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正 比的脈沖信號(hào)FOUT，其通過簡(jiǎn)單的阻容網(wǎng)絡(luò)濾波后形成轉(zhuǎn)

15、速反饋信號(hào)，利用MC33035 中的誤差放大器即可構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的P調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。實(shí)際應(yīng)用中， 還可用外接各種PI、PID調(diào)節(jié)電路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，如圖3所示。圖3 MC33039構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)電路圖從MC33039的5腳輸出的脈沖數(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) 速來選擇定時(shí)元件。設(shè)最高轉(zhuǎn)速是3500r/min,即58r/s。此時(shí)，每秒輸出脈沖數(shù)是58x12 = 696個(gè)。即其頻率約為700Hz,周期約為1.4ms。根據(jù)MC33039技術(shù)手冊(cè)，取定時(shí)元件 參數(shù)R21 = 100KQ,C4 = 0.01uF，單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生脈沖寬度為1340ns。8腳接M

16、C33035 的基準(zhǔn)電壓。5腳輸出經(jīng)100k電阻接MC33035的12腳（誤差放大器反相輸入端）。放 大器此時(shí)增益為10倍,0.1pF的電容起濾波平滑作用。MC33035振蕩器參數(shù):電阻取5.1 kQ,電容取0.1pF,PWM頻率約為2.4kHz。該系統(tǒng)采用無感電阻（0.04Q,0.5W）作為電 流檢測(cè)用，并經(jīng)1.1kQ電阻連接到9腳。由于22腳接地為低電平，因此控制電路工作在120。的傳感器電氣相位輸入狀態(tài)下。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖4驅(qū)動(dòng)電路圖如圖4所示，其輸出的下橋三路驅(qū)動(dòng)信號(hào)可直接驅(qū)動(dòng)N溝通功率MOSFET的IRF530, 上橋三路驅(qū)動(dòng)信號(hào)可直接驅(qū)動(dòng)P溝通功率MOSFET的IRF9530。MC33035的1、2、2 4腳的信號(hào)經(jīng)過IRF9530放大，19、20、21腳的信號(hào)經(jīng)過IRF530得到的信號(hào)驅(qū)動(dòng)無刷 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。A、B、C分別與無刷直流電動(dòng)機(jī)三相繞組成三角形接法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖5驅(qū)動(dòng)信號(hào)