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，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(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 [b][align=center]Design of control system for Brushless DC Motors SUN GuanQun;SHI Ming;TONG LinYi;XU YiPing[/align][/b] Abstract:It introduces the MOTORALA company used for the characteristics of the chip MC33035 and MC33039 which control the brushless direct current motor exclusively and its work principle. The system design divides into two major parts: the control circuit and the power driver circuit, the control circuit take MC33035/33039 as the core, receive feedback position signal, with the speed to the quota synthesis, the judgment circular telegram winding and produces the switching signal. In the actuation circuit design, uses the three-phase Y joint all to control the electric circuit, uses six high speed MOSFET switching valve to compose. Through the experiment, the electric motor movement 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)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(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測出的位置信號進(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)態(tài)制動(dòng)、過流保護(hù)、三相驅(qū)動(dòng)信號的產(chǎn)生、電動(dòng)機(jī)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(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)簡單，因而整個(gè)線路外圍元件少、走線簡單，可大大減小逆變器體積。 2.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送至MC33035和MC33039。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，從而構(gòu)成系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。 [align=center] 圖1 系統(tǒng)控制原理[/align] 3.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6.25V。MC33035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合,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)。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。MC33035外圍電路如圖2。 [align=center] 圖2 MC33035外圍電路[/align] 　　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(gè)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(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。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管腳對地的電壓,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(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,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)傳感器用來檢測轉(zhuǎn)子位置,一旦決定電機(jī)的換相,并可以根據(jù)該信號來計(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,這樣就得到6個(gè)強(qiáng)制換相點(diǎn),MC33035對3個(gè)霍爾信號進(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對輸入的轉(zhuǎn)子位置信號碼進(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。 　　從電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測器送來的三相位置檢測信號（SA、SB、SC）一方面送入MC33035，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、電流檢測端等控制邏輯信號狀態(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，其中，三相下橋開關(guān)信號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（AB、BB、CB）及三相上橋控制信號（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)子位置檢測信號還送入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FOUT，其通過簡單的阻容網(wǎng)絡(luò)濾波后形成轉(zhuǎn)速反饋信號，利用MC33035中的誤差放大器即可構(gòu)成一個(gè)簡單的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。 [align=center] 圖3 MC33039構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)電路圖[/align] 　　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58×12=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,取定時(shí)元件參數(shù)R21=100KΩ,C4=0.01uF,單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生脈沖寬度為1340ns。8腳接MC33035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,0.1μF的電容起濾波平滑作用。MC33035振蕩器參數(shù):電阻取5.1kΩ,電容取0.1μF,PWM頻率約為2.4kHz。該系統(tǒng)采用無感電阻（0.04Ω,0.5W）作為電流檢測用,并經(jīng)1.1kΩ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。 4.驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) [align=center] 圖4 驅(qū)動(dòng)電路圖[/align] 　　如圖4所示，其輸出的下橋三路驅(qū)動(dòng)信號可直接驅(qū)動(dòng)N溝通功率MOSFET的IRF530，上橋三路驅(qū)動(dòng)信號可直接驅(qū)動(dòng)P溝通功率MOSFET的IRF9530。MC33035的1、2、24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(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。 5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果 [align=center] 圖5 驅(qū)動(dòng)信號[/align] 　　圖5中的2路驅(qū)動(dòng)信號，分別屬于某一橋壁的上下兩只MOSFET的驅(qū)動(dòng)信號，比較可知，每支開關(guān)管一周期導(dǎo)通120°，并且2路驅(qū)動(dòng)信號間不可能重合。 6.結(jié)論 　　本文設(shè)計(jì)的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng),是采用純硬件方式實(shí)現(xiàn)的,它具有簡單、可靠、體積小、低成本的特點(diǎn),尤其是配合MC33039構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制后,調(diào)速性能非常優(yōu)異。但是由于MC33035的PWM調(diào)制方式為調(diào)節(jié)占空比,這就難以改善輸出電流的波形,電機(jī)運(yùn)行時(shí)有一定的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。總之,MC33035非常適于小功率無刷電機(jī)的控制,尤其可應(yīng)用于伺服機(jī)構(gòu)、機(jī)電一體化的調(diào)速設(shè)備。 參考文獻(xiàn): 　　[1]張琛. 直流無刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用（第二版）. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社. 2004. 　　[2]譚建成.電機(jī)控制專用集成電路.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1997. 　　[3]萬國慶,許清泉,崔曉蕓.MC33035無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器及應(yīng)用[A].常州工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005,18（5）:36-39. 　　[4]韋敏,季小尹.MC33035在直流無刷電機(jī)控制中的應(yīng)用.電工技術(shù)雜志,2004,11:83-85. 　　[5]潘建.無刷直流電機(jī)控制器MC33035的原理及其應(yīng)用[B].國外電子元器件,2003,8:38-41 　　[6]王海峰，江漢紅，陳少昌.直流無刷電機(jī)系統(tǒng)的最佳控制器設(shè)計(jì).電機(jī)與控制應(yīng)用,2005.32（7）:24-28. 　　[7] 孫冠群 李曉青 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