1 引 言
隨著人們生活水平的提高，產(chǎn)品質(zhì)量、精度、性能、自動(dòng)化程度、功能以及功耗、價(jià)格問題已經(jīng)是選擇家用電器的主要因素。永磁無刷直流電機(jī)既具有交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、 運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，又具備直流伺服電機(jī)那樣良好的調(diào)速特性而無機(jī)械式換向器，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種調(diào)速驅(qū)動(dòng)場合。MOTOROLA 第二代電機(jī)控制專用芯片的出現(xiàn)，給永磁無刷直流電機(jī)調(diào)速裝置的設(shè)計(jì)帶來了極大的便利。這些芯片控制功能強(qiáng)，保護(hù)功能完善，工作性能穩(wěn)定，組成的系統(tǒng)所需外圍電路簡單，抗干擾能力強(qiáng)，特別適用于工作環(huán)境惡劣，對控制器體積，價(jià)格性能比要求較高的場合。
2 控制器結(jié)構(gòu)與原理
2.1 控制器結(jié)構(gòu)
MC33035 是 MOTORLORA 公司研制的第二代無刷直流電機(jī)控制專用集成電路，加上1片 MC3309 電子測速器將無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號進(jìn)行 F/V 轉(zhuǎn)換，形成轉(zhuǎn)速反饋信號，即可構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。外接 6 個(gè)功率開關(guān)器件組成三相逆變器，就可驅(qū)動(dòng)三相永磁無刷直流電機(jī)，控制器電路構(gòu)成，如圖 1 所示，圖中 S1 控制電機(jī)轉(zhuǎn)向，S2 控制系統(tǒng)起停，S3 選擇系統(tǒng)開環(huán)或閉環(huán)運(yùn)行，S4 控制系統(tǒng)制動(dòng)，S5 選擇轉(zhuǎn)
子位置檢測信號為 60°或 120°方式，S6 控制系統(tǒng)的復(fù)位。電位器 RP1 用以設(shè)定所需電機(jī)轉(zhuǎn)速，發(fā)光二板管 L1 用作故障
指示，當(dāng)出現(xiàn)不正常的位置檢測信號、主電路過流、3種欠電壓之一（芯片電壓低于9.1V，驅(qū)動(dòng)電路電壓低于9.1V，基準(zhǔn)電壓低于4.5V）、芯片內(nèi)部過熱、起停端低電平時(shí)，L1發(fā)光報(bào)警，同時(shí)自動(dòng)封鎖系統(tǒng)。故障排除后，經(jīng)系統(tǒng)復(fù)位才能恢復(fù)正常工作。
2.2 控制原理
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?、制動(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6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 （Ar ,Br, Cr）經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路整形、放大后，施加到逆變器的6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 FB。FB 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，以提高電機(jī)的機(jī)械特性硬度。實(shí)際應(yīng)用中，還可外接各種 PI, PD，調(diào)節(jié)電路以實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。
3 芯片功能
3.1 MC33035 結(jié)構(gòu)組成及功能
其主要組成部分包括：
?。?1 ）轉(zhuǎn)子位置傳感器譯碼電路；
?。?2 ）帶溫度補(bǔ)償?shù)膬?nèi)部基準(zhǔn)電源；
?。?3 ）頻率可設(shè)定的鋸齒波振蕩器；
?。?4 ）誤差放大器；
?。?5）脈寬調(diào)制（PWM）比較器；
?。?6 ）輸出驅(qū)動(dòng)電路；
?。?7 ）欠電壓封鎖保護(hù)芯片過熱保護(hù)等故障輸出；
?。?8 ）限流電路。
該集成電路的典型控制功能包括 PWM 開環(huán)速度控制，使能控制（起動(dòng)或停止），正反轉(zhuǎn)控制和能耗制動(dòng)控制，適當(dāng)加上一些外圍元件，可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)。
3.1.1 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)子位置傳感器信號轉(zhuǎn)換成六路驅(qū)動(dòng)輸出信號，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° 四種情況的三相無刷電動(dòng)機(jī)。
由于 3 個(gè)輸入邏輯信號，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) , 個(gè)不同位置狀態(tài)。其余 2 種組合對應(yīng)于位置傳感不正常狀態(tài)，即 3 個(gè)信號線開路或?qū)Φ囟搪窢顟B(tài)，此時(shí)腳 14 將輸出故障信號（低電平）。
用腳 3 邏輯電平來確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向。當(dāng)腳 3 邏輯狀態(tài)改變時(shí)，傳感器信號在譯碼器內(nèi)將原來的邏輯狀態(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，同時(shí)故障信號輸出為零。
當(dāng)加到腳 23 上的制動(dòng)信號為高電平時(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)功率開關(guān)導(dǎo)通，使電動(dòng)機(jī) 3 個(gè)繞組端對地短接，實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)。芯片內(nèi)設(shè)一個(gè)四與門電路，其輸入端是腳 23 的制動(dòng)信號和上側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出 3 個(gè)信號，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關(guān)出現(xiàn)同時(shí)導(dǎo)通的危險(xiǎn)，其控制真值表，如表1示。
3.1.2 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輸入。腳 12～13 短接。
3.1.3 脈寬調(diào)制器
除非由于過電流或故障狀態(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比較后，產(chǎn)生脈寬調(diào)制（ PWM ）信號，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 3 示。
3.1.4 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時(shí)間內(nèi)，若電流過大，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誤動(dòng)作，在腳 9 輸入前可設(shè)置 RC 低通濾波器。
3.2 MC33039電子測速器
MC33039是為無刷直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)速度控制專門設(shè)計(jì)的集成電路，系統(tǒng)不必使用高價(jià)的電磁式或光電測速機(jī)，就可實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速控制。它直接利用三相無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器 3 個(gè)輸出信號，經(jīng) F / V 變換成正比于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的電壓。
從 MC33039 結(jié)構(gòu)圖圖 4 可知，腳 1 、 2、 3 接收位置傳感器 3 個(gè)信號，經(jīng)有滯后的緩沖電路，以抑制輸入噪聲。經(jīng)“或”運(yùn)算得到相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)每對極下 6 個(gè)脈沖的信號。再經(jīng)有外接定時(shí)元件 CT 和 Rr 的單穩(wěn)態(tài)電路，從腳 5 輸出的 fout 信號的
占空比與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，其直流分量與轉(zhuǎn)速成正比，此信號在外接低通濾波器處理后，即可得到與轉(zhuǎn)速成正比的測速電壓。三相電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用時(shí)的波形圖中，fout是腳5輸出，Vout，（AVG）表示它的平均值，即直流分量。
4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論
為了更好的驗(yàn)證前面理論的可行性及安全性，按設(shè)計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。
4.1 準(zhǔn)備
實(shí)驗(yàn) 的 主 要 部 分 _ 控 制 電 路，設(shè) 計(jì) 為 MC33035 和MC33039 所組成的閉環(huán)系統(tǒng)。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，我們對實(shí)驗(yàn)電路作了一些必要的調(diào)整，這些調(diào)整并沒有影響系統(tǒng)的功能以及實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。
首先要作調(diào)整的是電源。試驗(yàn)中選用的電機(jī)是三相六極電機(jī)，n0 = 1500r/min, I0 = 10A, U0 = 50V 。在供電電源和 MC33035 的 腳 17 之 間 加 入 LM317 穩(wěn) 壓 三 端 以 保證MC33035的Vcc在許可的范圍內(nèi)。LM317 是 50V 輸入、 15V 輸出的穩(wěn)壓三端。它的基本電路結(jié)構(gòu)，如圖 5 示。
其次，該閉環(huán)速度控制系統(tǒng)中，用 3 個(gè)霍爾集成電路作轉(zhuǎn)子位置傳感器。用 MC33035 的腳 8 參考電壓（6.24V）作為它們 的 電 源?；?爾 集 成 電 路 輸 出 信 號 送 至 MC33039 和MC33035。實(shí)驗(yàn)中的電動(dòng)機(jī)是六極的，從 MC33039 的腳 5 輸
出的脈沖數(shù)是電動(dòng)機(jī)每一轉(zhuǎn)輸出的 3×6 = 18 個(gè)脈沖。按電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速來選擇定時(shí)元件。實(shí)驗(yàn)中電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為1500r/min即 1500/60 = 25r/s 。此時(shí)每秒輸出脈沖數(shù)是 25×18 = 450個(gè)。即其頻率為 450Hz，周期約為 2.2ms 。由 MC33039 說明書，取定時(shí)元件參數(shù) R1=1MΩ，C1 = 750PF，單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生脈沖寬度為 95μs 。腳 8 接 MC33035 的基準(zhǔn)電壓。腳 5 輸出經(jīng)電阻 R3 接 MC33035 的腳 12 ，即誤差放大反相輸入端。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 =5.1kΩ，C2 = 0.01μF，PWM 頻率約為 24kHz 。
另外，因無法做成圖 1 所示的 NPN-PNP 逆變橋。故用了 N 溝道的 VMOS 管，可組成六路逆變橋的電路，由于上側(cè)驅(qū)動(dòng)信號只能直接驅(qū)動(dòng) p 溝道的 VMOS 管而下側(cè)可直接驅(qū)動(dòng) N 溝道的 VMOS 管。因而上橋臂與逆變橋之間的電路中加入反相器將驅(qū)動(dòng)信號變非即可。組成后的電路圖，如圖 6 示。
4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論
在電機(jī)實(shí)際操作之前，以手動(dòng)方式轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，用萬用表測量電機(jī)上設(shè)置的霍爾傳感器的三路輸出信號與 MC33035 輸出信號真值表是否一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表 2 示。
手動(dòng)工作的結(jié)果：實(shí)驗(yàn)所得與理論真值表一致。
電機(jī)在電源驅(qū)動(dòng)情況下的實(shí)驗(yàn)波形，如圖７、８示。
兩圖中的上側(cè)曲線均為傳感器輸出的 ＳＢ ，圖 ７的下側(cè)曲線為Ｓc ，圖 8 的下側(cè)曲線為 SA。對照可知，實(shí)驗(yàn)輸出與理論相符。
測量電流波形時(shí)，首先，將一驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)逆變器的主回路引出，在電線上裝置電流傳感器，再接入一 5Ω的測量電阻后接地。然后以示波器測量電流傳感器的電流，即流經(jīng)電阻的波形，即電機(jī)電流波形。如圖 9 示。
可是，圖 9 中的波形并不與理論。只是在周期內(nèi)的分布有點(diǎn)相同，但波形上區(qū)別較大。這是由于電機(jī)處于空載運(yùn)行所致。因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中，無刷電機(jī)是運(yùn)行在空載狀態(tài)，逆變器的每一次換相，帶來的沖擊電流大于滿載狀態(tài)時(shí)，沒有負(fù)載消耗平緩電流的波動(dòng)。
接著做起動(dòng)加速運(yùn)行的波形測試。實(shí)驗(yàn)以某一 MC33035 的上側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出和 MC33035 的 fout 為實(shí)驗(yàn)對象。測得的波形，如圖 10, 示。
理論上這一波形應(yīng)該是上側(cè)輸出的波形不因速度控制器的變動(dòng)而改變，而 fout 波形則應(yīng)該隨速度控制器的變動(dòng)而改變一周期內(nèi)脈沖的數(shù)量，從而改變電動(dòng)機(jī)兩端的平均電壓，改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。
但由于試驗(yàn)中的種種客觀原因，導(dǎo)致了顯示的波形出現(xiàn)了缺相的現(xiàn)象。但圖中仍可看到下側(cè)的驅(qū)動(dòng)波每一周期的脈沖數(shù)量逐漸增加，即電機(jī)加速。
在故障測試中，用一電位器接入控制電路的電源輸入端，改變控制電路的電源電壓 Vcc ，看電路對故障信號的反應(yīng)。在試驗(yàn)過程中，電源電壓 Vcc 從 15V 不斷被調(diào)低 ，當(dāng)?shù)竭_(dá) 10.5V 左右時(shí)，報(bào)警電路驅(qū)動(dòng) LED 點(diǎn)亮，故障報(bào)警。
5 結(jié) 語
雖然在實(shí)驗(yàn)中，出現(xiàn)了一些與理論不太符合的現(xiàn)象，但總體來說，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果基本達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果，證明了運(yùn)用小型無刷直流電機(jī)作家用傳動(dòng)裝置的實(shí)際可行性。
（轉(zhuǎn)載）
