1、一種無刷直流電動機控制系統(tǒng)設(shè)計摘要：介紹了 MOTORALA公司專門用于無刷直流電機控制的芯片MC33035和 MC33039的特點及其工作原理，系統(tǒng)設(shè)計分為控制電路與功率驅(qū)動電路兩大部分，控制電 路以MC33035/33039為核心，接收反饋的位置信號，與速度給定量合成，判斷通電繞組 并給出開關(guān)信號。在驅(qū)動電路設(shè)計中，采用三相Y聯(lián)結(jié)全控電路，使用六支高速MOSFET 開關(guān)管組成。通過實驗，電機運行穩(wěn)定。關(guān)鍵詞：無刷直流電機;MC33035/33039;控制電路;驅(qū)動電路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是近年來迅速成熟起來的一種新型機電一體化電機。該電機由定子、 轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子位置檢測元件霍爾傳感器等組成，由于沒有勵磁裝置，效率高、結(jié)構(gòu)

5、簡單、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、制造維護更方便 等優(yōu)點，使無刷電機的研究具有重大意義。本系統(tǒng)設(shè)計是利用調(diào)壓調(diào)速，根據(jù)調(diào)整供電PWM電源的占空比進而調(diào)整電壓的方式實 現(xiàn)。本設(shè)計采用無刷直流電機專用控制芯片MC33035,它能夠?qū)魻杺鞲衅鳈z測出的位置 信號進行譯碼，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 外圍電路簡單，設(shè)計者不必因為采用分立元件組成龐大的模擬電路，使得系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試 相當復(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機的正反轉(zhuǎn)、 運轉(zhuǎn)起動以及動

6、態(tài)制動、過流保護、三相驅(qū)動信號的產(chǎn)生、電動機轉(zhuǎn)速的簡易閉環(huán)控制等。 利用專用集成芯片構(gòu)成的無刷直流電機控制系統(tǒng)，具有集成度高、速度快及完善的保護功能 等特點。驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)簡單，因而整個線路外圍元件少、走線簡單，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。斷電控制故障信號轉(zhuǎn)子位置檢測信號去逆變 橋基極故障 保護圖1系統(tǒng)控制原理控制電路設(shè)計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)控三個傳感器輸入，以便系統(tǒng)能夠正確提供 高端和低端驅(qū)動輸入的正確時序。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。其三個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)分辨出電機轉(zhuǎn)子的位置。MC33035直流無刷電機控制器的正向/反向輸出可通過翻轉(zhuǎn) 定子繞組上的電壓來改變電機轉(zhuǎn)向。當輸入狀態(tài)改變時，指定的傳感器輸入編碼將從高電平 變?yōu)榈碗娖剑瑥亩淖冋鲿r序，以使電機改變旋轉(zhuǎn)方向。電機通/斷控制可由輸出使能來實 現(xiàn)，當該管腳開路時，連接到正電源的內(nèi)置上拉電阻將會啟動頂部和底部驅(qū)動輸出時序。而當 該腳接地時,頂端驅(qū)動輸出將關(guān)閉，并將底部驅(qū)動強制為低,從而使電動機停轉(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轉(zhuǎn)向。當輸入狀態(tài)改變時，指定的傳感器輸入編碼將從高電平 變?yōu)榈碗娖剑瑥亩淖冋鲿r序，以使電機改變旋轉(zhuǎn)方向。電機通/斷控制可由輸出使能7管腳來實現(xiàn)，當該管腳開路時，連接到正電源的內(nèi)置上拉 電阻將會啟動頂部和底部驅(qū)動輸出時序。而當該腳接地時,頂端驅(qū)動輸出將

10、關(guān)閉，并將底部驅(qū) 動強制為低,從而使電動機停轉(zhuǎn)。由于MC33035的8管腳提供6.25V標準電壓輸出，因此可以用此電壓給霍爾元器件 以及其他器件供電,在這個系統(tǒng)中PWM信號的產(chǎn)生是很容易的，而且PWM信號的頻率可以 由外部電路調(diào)節(jié)，其頻率由公式-決定，R5是一個可變電阻，通過調(diào)節(jié)R5,即可改 變PWM信號的頻率。只需要在MC33035的外圍加一個電容、一個電阻及一個可調(diào)電位 器即可產(chǎn)生我們所需要的脈寬調(diào)制信號。因MC33035的8管腳輸出為6.25V標準電壓， 由R6、C1組成了一個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為控制無刷電機轉(zhuǎn)速的電位器，通過該電位器改變

11、11管腳對地的電壓，從而來改 變電機的轉(zhuǎn)速。運算放大器1由外部接成一個跟隨器的形式，所以11管腳的對地電壓即為 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。14管腳是故障輸出端，L1用作故障指示，當出現(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，LED發(fā)光報警，同時自動封鎖系統(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8腳電壓為高電平時，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，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標準電壓，此時MC33035通過與門將驅(qū)動 下橋的三路輸出全部封鎖，下橋的三個功率三極管全部關(guān)斷，電機停止運行,起欠壓保護作 用。過熱保護等功能是芯片內(nèi)部的電路,無需設(shè)計外圍電路。該系統(tǒng)的無刷直流電機內(nèi)置有3個霍爾效應(yīng)傳感器用來檢測轉(zhuǎn)子位置，一旦決定電

13、機的 換相，并可以根據(jù)該信號來計算電機的轉(zhuǎn)速。傳感器的輸出端直接接MC33035的4、5、6 管腳。當電機正常運行時，通過霍爾傳感器可得到3個脈寬為180度電角度的互相重疊的信 號，這樣就得到6個強制換相點,MC33035對3個霍爾信號進行譯碼，使得電機正確換相。當MC33035的11腳接地時，電機轉(zhuǎn)速為0,即可實現(xiàn)剎車制動。MC330399是Motorola公司配合MC33035專門設(shè)計的無刷電機閉環(huán)速度控制器， 這是一個8腳的雙列直插窄式集成電路塊。MC33039對輸入的轉(zhuǎn)子位置信號碼進行有關(guān) 的處理，產(chǎn)生一個與電機實際轉(zhuǎn)速成正比的轉(zhuǎn)速電壓信號。從電機轉(zhuǎn)子位置檢測器送來的三相位置檢測信號（

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、起停控制端、制動控制端、電流檢測端等控 制邏輯信號狀態(tài)，經(jīng)過運算后，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， 其中，三相下橋開關(guān)信號還要按無刷直流電機調(diào)速機理進行脈寬調(diào)制處理。處理后的三相下 橋PWM控制信號（AB、BB、CB）及三相上橋控制信號（AT、BT、CT）經(jīng)過驅(qū)動放大后， 施加到逆變器的六個開關(guān)管上，使其產(chǎn)生出供電機正常運行所需的三相方波交流電流。另一 方面，轉(zhuǎn)子位置檢測信號還送入MC33039，經(jīng)F/V轉(zhuǎn)換，得到一個頻率與電機轉(zhuǎn)速成正 比的脈沖信號FOUT，其通過簡單的阻容網(wǎng)絡(luò)濾波后形成轉(zhuǎn)

15、速反饋信號，利用MC33035 中的誤差放大器即可構(gòu)成一個簡單的P調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。實際應(yīng)用中， 還可用外接各種PI、PID調(diào)節(jié)電路實現(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)是電動機每一轉(zhuǎn)輸出12個脈沖。按電動機最高轉(zhuǎn) 速來選擇定時元件。設(shè)最高轉(zhuǎn)速是3500r/min,即58r/s。此時，每秒輸出脈沖數(shù)是58x12 = 696個。即其頻率約為700Hz,周期約為1.4ms。根據(jù)MC33039技術(shù)手冊，取定時元件 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)動電路設(shè)計圖4驅(qū)動電路圖如圖4所示，其輸出的下橋三路驅(qū)動信號可直接驅(qū)動N溝通功率MOSFET的IRF530, 上橋三路驅(qū)動信號可直接驅(qū)動P溝通功率MOSFET的IRF9530。MC33035的1、2、2 4腳的信號經(jīng)過IRF9530放大，19、20、21腳的信號經(jīng)過IRF530得到的信號驅(qū)動無刷 直流電動機轉(zhuǎn)動。A、B、C分別與無刷直流電動機三相繞組成三角形接法。實驗結(jié)果圖5驅(qū)動信號