永磁無刷直流電機控制器設計

1 引 言
　　隨著人們生活水平的提高，產品質量、精度、性能、自動化程度、功能以及功耗、價格問題已經是選擇家用電器的主要因素。永磁無刷直流電機既具有交流伺服電機的結構簡單、 運行可靠、維護方便等優點，又具備直流伺服電機那樣良好的調速特性而無機械式換向器，現已廣泛應用于各種調速驅動場合。MOTOROLA 第二代電機控制專用芯片的出現，給永磁無刷直流電機調速裝置的設計帶來了極大的便利。這些芯片控制功能強，保護功能完善，工作性能穩定，組成的系統所需外圍電路簡單，抗干擾能力強，特別適用于工作環境惡劣，對控制器體積，價格性能比要求較高的場合。
　　2 控制器結構與原理
　　2.1 控制器結構
　　MC33035 是 MOTORLORA 公司研制的第二代無刷直流電機控制專用集成電路，加上1片 MC3309 電子測速器將無刷直流電動機的轉子位置信號進行 F/V 轉換，形成轉速反饋信號，即可構成轉速閉環調節系統。外接 6 個功率開關器件組成三相逆變器，就可驅動三相永磁無刷直流電機，控制器電路構成，如圖 1 所示，圖中 S1 控制電機轉向，S2 控制系統起停，S3 選擇系統開環或閉環運行，S4 控制系統制動，S5 選擇轉
　　子位置檢測信號為 60°或 120°方式，S6 控制系統的復位。電位器 RP1 用以設定所需電機轉速，發光二板管 L1 用作故障
　　指示，當出現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，驅動電路電壓低于9.1V，基準電壓低于4.5V）、芯片內部過熱、起停端低電平時，L1發光報警，同時自動封鎖系統。故障排除后，經系統復位才能恢復正常工作。
　　2.2 控制原理
　　從電機轉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，經芯片內部譯碼電路結合正反轉控制端、起停控制端、制動控制端、電流檢測端等控制邏輯信號狀態，經過運算后，產生逆變器三相上、下橋臂開關器件的6路原始控制信號，其中，三相下橋開關信號還要按無刷直流電機調速機理進行脈寬調制處理。處理后的三相下橋 PWM 控制信號 （Ar ,Br, Cr）經過驅動電路整形、放大后，施加到逆變器的6個開關管上，使其產生出供電機正常運行所需的三相方波交流電流。
　　另一方面，轉子位置檢測信號還送入 MC33039 經 F/V轉換，得到一個頻率與電機轉速成正比的脈沖信號 FB。FB 通過簡單的 阻容網絡濾波后形成轉速反饋信號，利用 MC33035 中的誤差放大器即可構成一個簡單的P調節器，實現電機轉速的閉環控制，以提高電機的機械特性硬度。實際應用中，還可外接各種 PI, PD，調節電路以實現更為復雜的閉環調節控制。

　　3 芯片功能
　　3.1 MC33035 結構組成及功能
　　其主要組成部分包括：
　　（ 1 ）轉子位置傳感器譯碼電路；
　　（ 2 ）帶溫度補償的內部基準電源；
　　（ 3 ）頻率可設定的鋸齒波振蕩器；
　　（ 4 ）誤差放大器；
　　（ 5）脈寬調制（PWM）比較器；
　　（ 6 ）輸出驅動電路；
　　（ 7 ）欠電壓封鎖保護芯片過熱保護等故障輸出；
　　（ 8 ）限流電路。
　　該集成電路的典型控制功能包括 PWM 開環速度控制，使能控制（起動或停止），正反轉控制和能耗制動控制，適當加上一些外圍元件，可實現軟起動。

3.1.1 轉子位置傳感器譯碼電路
　　該譯碼電路將電動機的轉子位置傳感器信號轉換成六路驅動輸出信號，三路上側驅動輸出和三路下側驅動輸出。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機。
　　由于 3 個輸入邏輯信號，可有 8 種邏輯組合。其中 6 種正常狀態決定了電動機 , 個不同位置狀態。其余 2 種組合對應于位置傳感不正常狀態，即 3 個信號線開路或對地短路狀態，此時腳 14 將輸出故障信號（低電平）。
　　用腳 3 邏輯電平來確定電動機轉向。當腳 3 邏輯狀態改變時，傳感器信號在譯碼器內將原來的邏輯狀態改變成非，再經譯碼后，得到反相序的換向輸出，使電動機反轉。電動機的起停控制由腳 7 使能端來實現。當腳 7 懸空時，內部有電流源使驅動輸出電路正常工作。若腳 7 接地，3 個上側驅動輸出開路（1 狀態），3 個下側驅動輸出強制為低電平（ 0 狀態），使電動機失去激勵而停車，同時故障信號輸出為零。
　　當加到腳 23 上的制動信號為高電平時，電動機進行制動操作。它使 3 個上側驅動輸出開路，下側 3 個驅動輸出為高電平，外接逆變橋下側 3 個功率開關導通，使電動機 3 個繞組端對地短接，實現能耗制動。芯片內設一個四與門電路，其輸入端是腳 23 的制動信號和上側驅動輸出 3 個信號，它的作用是等待 3 個上側驅動輸出確實已轉變為高電平狀態后，才允許 3 個下側驅動輸出變為高電平狀態，從而避免逆變橋上下開關出現同時導通的危險，其控制真值表，如表1示。

3.1.2 誤差放大器
　　該芯片內設有高性能，全補償的誤差放大器。在閉環速度控制時，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。作開環速度控制時，可將此放大器改接成增益為 1 的電壓跟隨器，即速度設定電壓從其同相輸入端腳 11輸入。腳 12～13 短接。
　　3.1.3 脈寬調制器
　　除非由于過電流或故障狀態使 6 個驅動輸出調閉鎖，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，產生脈寬調制（ PWM ）信號，控制 3 個下側驅動輸出。改變輸出脈沖寬度，相當于改變供給電動機繞組的平均電壓，從而控制其轉速和轉矩。脈寬調制時序圖，如圖 3 示。
　　

3.1.4 電流限制
　　外接逆變橋經一電阻 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置有 100mV 基準電壓，作為電流限流基準。在振蕩器鋸齒波上升時間內，若電流過大，此比較器翻轉，使下 Rs 觸發器重置，將驅動輸出關閉，以限制電流繼續增大。在鋸齒波下降時間，重新將觸發器置位，使驅動輸出開通。利用這樣的逐個周期電流比較，實現了限流，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作，在腳 9 輸入前可設置 RC 低通濾波器。
　　3.2 MC33039電子測速器
　　MC33039是為無刷直流電動機閉環速度控制專門設計的集成電路，系統不必使用高價的電磁式或光電測速機，就可實現精確調速控制。它直接利用三相無刷直流電動機轉子位置傳感器 3 個輸出信號，經 F / V 變換成正比于電動機轉速的電壓。
　　從 MC33039 結構圖圖 4 可知，腳 1 、 2、 3 接收位置傳感器 3 個信號，經有滯后的緩沖電路，以抑制輸入噪聲。經“或”運算得到相當于電動機每對極下 6 個脈沖的信號。再經有外接定時元件 CT 和 Rr 的單穩態電路，從腳 5 輸出的 fout 信號的
　　占空比與電動機轉速有關，其直流分量與轉速成正比，此信號在外接低通濾波器處理后，即可得到與轉速成正比的測速電壓。三相電動機中應用時的波形圖中，fout是腳5輸出，Vout，（AVG）表示它的平均值，即直流分量。　　

4 實驗與結論
　　為了更好的驗證前面理論的可行性及安全性，按設計進行了實驗。
　　4.1 準備
　　實驗 的 主 要 部 分 _ 控 制 電 路，設 計 為 MC33035 和MC33039 所組成的閉環系統。由于實驗條件的限制，我們對實驗電路作了一些必要的調整，這些調整并沒有影響系統的功能以及實驗的結果。
　　首先要作調整的是電源。試驗中選用的電機是三相六極電機，n0 = 1500r/min, I0 = 10A, U0 = 50V 。在供電電源和 MC33035 的 腳 17 之 間 加 入 LM317 穩 壓 三 端 以 保證MC33035的Vcc在許可的范圍內。LM317 是 50V 輸入、 15V 輸出的穩壓三端。它的基本電路結構，如圖 5 示。

　其次，該閉環速度控制系統中，用 3 個霍爾集成電路作轉子位置傳感器。用 MC33035 的腳 8 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 MC33039 和MC33035。實驗中的電動機是六極的，從 MC33039 的腳 5 輸
　　出的脈沖數是電動機每一轉輸出的 3×6 = 18 個脈沖。按電動機的最高轉速來選擇定時元件。實驗中電動機的最高轉速為1500r/min即 1500/60 = 25r/s 。此時每秒輸出脈沖數是 25×18 = 450個。即其頻率為 450Hz，周期約為 2.2ms 。由 MC33039 說明書，取定時元件參數 R1=1MΩ，C1 = 750PF，單穩態電路產生脈沖寬度為 95µs 。腳 8 接 MC33035 的基準電壓。腳 5 輸出經電阻 R3 接 MC33035 的腳 12 ，即誤差放大反相輸入端。放大器此時增益為 10，電容 C3, 起濾波平滑作用。MC33035 振蕩器參數：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，由于上側驅動信號只能直接驅動 p 溝道的 VMOS 管而下側可直接驅動 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動信號變非即可。組成后的電路圖，如圖 6 示。

4.2 實驗結論
　　在電機實際操作之前，以手動方式轉動電機，用萬用表測量電機上設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。實驗結果，如表 2 示。

手動工作的結果：實驗所得與理論真值表一致。
　　電機在電源驅動情況下的實驗波形，如圖７、８示。

兩圖中的上側曲線均為傳感器輸出的 ＳＢ ，圖 ７的下側曲線為Ｓc ，圖 8 的下側曲線為 SA。對照可知，實驗輸出與理論相符。
　　測量電流波形時，首先，將一驅動電動機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，即流經電阻的波形，即電機電流波形。如圖 9 示。

可是，圖 9 中的波形并不與理論。只是在周期內的分布有點相同，但波形上區別較大。這是由于電機處于空載運行所致。因為在實驗中，無刷電機是運行在空載狀態，逆變器的每一次換相，帶來的沖擊電流大于滿載狀態時，沒有負載消耗平緩電流的波動。
　　接著做起動加速運行的波形測試。實驗以某一 MC33035 的上側驅動輸出和 MC33035 的 fout 為實驗對象。測得的波形，如圖 10, 示。

理論上這一波形應該是上側輸出的波形不因速度控制器的變動而改變，而 fout 波形則應該隨速度控制器的變動而改變一周期內脈沖的數量，從而改變電動機兩端的平均電壓，改變電動機轉速。
　　但由于試驗中的種種客觀原因，導致了顯示的波形出現了缺相的現象。但圖中仍可看到下側的驅動波每一周期的脈沖數量逐漸增加，即電機加速。
　　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。在試驗過程中，電源電壓 Vcc 從 15V 不斷被調低 ，當到達 10.5V 左右時，報警電路驅動 LED 點亮，故障報警。
　　5 結 語
　　雖然在實驗中，出現了一些與理論不太符合的現象，但總體來說，實驗的結果基本達到了預期的結果，證明了運用小型無刷直流電機作家用傳動裝置的實際可行性。