永磁无刷直流电机控制器设计

1引言

随着人们生活水平的提高，产品质量、精度、性能、自动化程度、功能以及功耗、价格问题已经是选择家用电器的主要因素。永磁无刷直流电机既具有交流伺服电机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流伺服电机那样良好的调速特性而无机械式换向器，现已广泛应用于各种调速驱动场合。MOTOROLA第二代电机控制专用芯片的出现，给永磁无刷直流电机调速装置的设计带来了极大的便利。这些芯片控制功能强，保护功能完善，工作性能稳定，组成的系统所需外围电路简单，抗干扰能力强，特别适用于工作环境恶劣，对控制器体积，价格性能比要求较高的场合。

2控制器结构与原理

2.1控制器结构

MC33035是MOTORLORA公司研制的第二代无刷直流电机控制专用集成电路，加上1片MC3309电子测速器将无刷直流电动机的转子位置信号进行F/V转换，形成转速反馈信号，即可构成转速闭环调节系统。外接6个功率开关器件组成三相逆变器，就可驱动三相永磁无刷直流电机，控制器电路构成，如图1所示，图中S1控制电机转向，S2控制系统起停，S3选择系统开环或闭环运行，S4控制系统制动，S5选择转

子位置检测信号为60°或120°方式，S6控制系统的复位。电位器RP1用以设定所需电机转速，发光二板管L1用作故障

指示，当出现不正常的位置检测信号、主电路过流、3种欠电压之一（芯片电压低于9.1V，驱动电路电压低于9.1V，基准电压低于4.5V）、芯片内部过热、起停端低电平时，L1发光报警，同时自动封锁系统。故障排除后，经系统复位才能恢复正常工作。

2.2控制原理

从电机转子位置检测器送来的三相位置检测信号（SA,SB,SC）一方面送入）MC33035，经芯片内部译码电路结合正反转控制端、起停控制端、制动控制端、电流检测端等控制逻辑信号状态，经过运算后，产生逆变器三相上、下桥臂开关器件的6路原始控制信号，其中，三相下桥开关信号还要按无刷直流电机调速机理进行脉宽调制处理。处理后的三相下桥PWM控制信号（Ar,Br,Cr）经过驱动电路整形、放大后，施加到逆变器的6个开关管上，使其产生出供电机正常运行所需的三相方波交流电流。

另一方面，转子位置检测信号还送入MC33039经F/V转换，得到一个频率与电机转速成正比的脉冲信号FB。FB通过简单的阻容网络滤波后形成转速反馈信号，利用MC33035中的误差放大器即可构成一个简单的P调节器，实现电机转速的闭环控制，以提高电机的机械特性硬度。实际应用中，还可外接各种PI,PD，调节电路以实现更为复杂的闭环调节控制。

3芯片功能

3.1MC33035结构组成及功能

其主要组成部分包括：

（1）转子位置传感器译码电路；

（2）带温度补偿的内部基准电源；

（3）频率可设定的锯齿波振荡器；

（4）误差放大器；

（5）脉宽调制（PWM）比较器；

（6）输出驱动电路；

（7）欠电压封锁保护芯片过热保护等故障输出；

（8）限流电路。

该集成电路的典型控制功能包括PWM开环速度控制，使能控制（起动或停止），正反转控制和能耗制动控制，适当加上一些外围元件，可实现软起动。

3.1.1转子位置传感器译码电路

该译码电路将电动机的转子位置传感器信号转换成六路驱动输出信号，三路上侧驱动输出和三路下侧驱动输出。它适合于集电极开路的霍尔集成电路或光耦合电路等传感器。输入端脚4、5、6都设有提升电阻，输入电路分TTL电路电平兼容，门槛电压为2.2V。该集成电路适用于传感器相位差为,60°、120°、240°、300°四种情况的三相无刷电动机。

由于3个输入逻辑信号，可有8种逻辑组合。其中6种正常状态决定了电动机,个不同位置状态。其余2种组合对应于位置传感不正常状态，即3个信号线开路或对地短路状态，此时脚14将输出故障信号（低电平）。

用脚3逻辑电平来确定电动机转向。当脚3逻辑状态改变时，传感器信号在译码器内将原来的逻辑状态改变成非，再经译码后，得到反相序的换向输出，使电动机反转。电动机的起停控制由脚7使能端来实现。当脚7悬空时，内部有电流源使驱动输出电路正常工作。若脚7接地，3个上侧驱动输出开路（1状态），3个下侧驱动输出强制为低电平（0状态），使电动机失去激励而停车，同时故障信号输出为零。

当加到脚23上的制动信号为高电平时，电动机进行制动操作。它使3个上侧驱动输出开路，下侧3个驱动输出为高电平，外接逆变桥下侧3个功率开关导通，使电动机3个绕组端对地短接，实现能耗制动。芯片内设一个四与门电路，其输入端是脚23的制动信号和上侧驱动输出3个信号，它的作用是等待3个上侧驱动输出确实已转变为高电平状态后，才允许3个下侧驱动输出变为高电平状态，从而避免逆变桥上下开关出现同时导通的危险，其控制真值表，如表1示。

3.1.2误差放大器

该芯片内设有高性能，全补偿的误差放大器。在闭环速度控制时，该放大器的直流电压增益为80dB，增益带宽为0.6MHz,输入共模电压范围从地到VREF（典型值为6.25V），可得到良好性能。作开环速度控制时，可将此放大器改接成增益为1的电压跟随器，即速度设定电压从其同相输入端脚11输入。脚12～13短接。

3.1.3脉宽调制器

除非由于过电流或故障状态使6个驱动输出调闭锁，在正常情况下，误差放大器输出与振荡器输出锯齿波信号比较后，产生脉宽调制（PWM）信号，控制3个下侧驱动输出。改变输出脉冲宽度，相当于改变供给电动机绕组的平均电压，从而控制其转速和转矩。脉宽调制时序图，如图3示。

3.1.4电流限制

外接逆变桥经一电阻Rs接地作电流采样。采样电压由脚9和脚15输入至电流检测比较器。比较器反相输入端设置有100mV基准电压，作为电流限流基准。在振荡器锯齿波上升时间内，若电流过大，此比较器翻转，使下Rs触发器重置，将驱动输出关闭，以限制电流继续增大。在锯齿波下降时间，重新将触发器置位，使驱动输出开通。利用这样的逐个周期电流比较，实现了限流，若允许最大电流为Imax，则采样电阻按下式选择：

Rs=0.1/Imax为了避免由换相尖峰脉冲引起电流检测误动作，在脚9输入前可设置RC低通滤波器。

3.2MC33039电子测速器

MC33039是为无刷直流电动机闭环速度控制专门设计的集成电路，系统不必使用高价的电磁式或光电测速机，就可实现精确调速控制。它直接利用三相无刷直流电动机转子位置传感器3个输出信号，经F/V变换成正比于电动机转速的电压。

从MC33039结构图图4可知，脚1、2、3接收位置传感器3个信号，经有滞后的缓冲电路，以抑制输入噪声。经“或”运算得到相当于电动机每对极下6个脉冲的信号。再经有外接定时元件CT和Rr的单稳态电路，从脚5输出的fout信号的

占空比与电动机转速有关，其直流分量与转速成正比，此信号在外接低通滤波器处理后，即可得到与转速成正比的测速电压。三相电动机中应用时的波形图中，fout是脚5输出，Vout，（AVG）表示它的平均值，即直流分量。

4实验与结论

为了更好的验证前面理论的可行性及安全性，按设计进行了实验。

4.1准备

实验的主要部分_控制电路，设计为MC33035和MC33039所组成的闭环系统。由于实验条件的限制，我们对实验电路作了一些必要的调整，这些调整并没有影响系统的功能以及实验的结果。

首先要作调整的是电源。试验中选用的电机是三相六极电机，n0=1500r/min,I0=10A,U0=50V。在供电电源和MC33035的脚17之间加入LM317稳压三端以保证MC33035的Vcc在许可的范围内。LM317是50V输入、15V输出的稳压三端。它的基本电路结构，如图5示。

其次，该闭环速度控制系统中，用3个霍尔集成电路作转子位置传感器。用MC33035的脚8参考电压（6.24V）作为它们的电源。霍尔集成电路输出信号送至MC33039和MC33035。实验中的电动机是六极的，从MC33039的脚5输

出的脉冲数是电动机每一转输出的3×6=18个脉冲。按电动机的最高转速来选择定时元件。实验中电动机的最高转速为1500r/min即1500/60=25r/s。此时每秒输出脉冲数是25×18=450个。即其频率为450Hz，周期约为2.2ms。由MC33039说明书，取定时元件参数R1=1MΩ，C1=750PF，单稳态电路产生脉冲宽度为95?s。脚8接MC33035的基准电压。脚5输出经电阻R3接MC33035的脚12，即误差放大反相输入端。放大器此时增益为10，电容C3,起滤波平滑作用。MC33035振荡器参数：R2=5.1kΩ，C2=0.01?F，PWM频率约为24kHz。

另外，因无法做成图1所示的NPN-PNP逆变桥。故用了N沟道的VMOS管，可组成六路逆变桥的电路，由于上侧驱动信号只能直接驱动p沟道的VMOS管而下侧可直接驱动N沟道的VMOS管。因而上桥臂与逆变桥之间的电路中加入反相器将驱动信号变非即可。组成后的电路图，如图6示。

4.2实验结论

在电机实际操作之前，以手动方式转动电机，用万用表测量电机上设置的霍尔传感器的三路输出信号与MC33035输出信号真值表是否一致。实验结果，如表2示。

手动工作的结果：实验所得与理论真值表一致。

电机在电源驱动情况下的实验波形，如图7、8示。

两图中的上侧曲线均为传感器输出的SB，图7的下侧曲线为Sc，图8的下侧曲线为SA。对照可知，实验输出与理论相符。

测量电流波形时，首先，将一驱动电动机逆变器的主回路引出，在电线上装置电流传感器，再接入一5Ω的测量电阻后接地。然后以示波器测量电流传感器的电流，即流经电阻的波形，即电机电流波形。如图9示。

可是，图9中的波形并不与理论。只是在周期内的分布有点相同，但波形上区别较大。这是由于电机处于空载运行所致。因为在实验中，无刷电机是运行在空载状态，逆变器的每一次换相，带来的冲击电流大于满载状态时，没有负载消耗平缓电流的波动。

接着做起动加速运行的波形测试。实验以某一MC33035的上侧驱动输出和MC33035的fout为实验对象。测得的波形，如图10,示。

理论上这一波形应该是上侧输出的波形不因速度控制器的变动而改变，而fout波形则应该随速度控制器的变动而改变一周期内脉冲的数量，从而改变电动机两端的平均电压，改变电动机转速。

但由于试验中的种种客观原因，导致了显示的波形出现了缺相的现象。但图中仍可看到下侧的驱动波每一周期的脉冲数量逐渐增加，即电机加速。

在故障测试中，用一电位器接入控制电路的电源输入端，改变控制电路的电源电压Vcc，看电路对故障信号的反应。在试验过程中，电源电压Vcc从15V不断被调低，当到达10.5V左右时，报警电路驱动LED点亮，故障报警。

5结语

虽然在实验中，出现了一些与理论不太符合的现象，但总体来说，实验的结果基本达到了预期的结果，证明了运用小型无刷直流电机作家用传动装置的实际可行性。