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，系統設計分為控制電路與功率驅動電路兩大部分，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信號。在驅動電路設計中，采用三相Y聯結全控電路，使用六支高速MOSFET開關管組成。通過實驗，電機運行穩定。 關鍵詞：無刷直流電機;MC33035/33039;控制電路;驅動電路 [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、轉子和轉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、結構簡單、工作特性優良,而且具有體積更小、可靠性更高、控制更容易、應用范圍更廣泛、制造維護更方便等優點,使無刷電機的研究具有重大意義。 　　本系統設計是利用調壓調速，根據調整供電PWM電源的占空比進而調整電壓的方式實現。本設計采用無刷直流電機專用控制芯片MC33035，它能夠對霍爾傳感器檢測出的位置信號進行譯碼,它本身更具備過流、過熱、欠壓、正反轉選擇等輔助功能, 組成的系統所需外圍電路簡單，設計者不必因為采用分立元件組成龐大的模擬電路,使得系統的設計、調試相當復雜,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、運轉起動以及動態制動、過流保護、三相驅動信號的產生、電動機轉速的簡易閉環控制等。利用專用集成芯片構成的無刷直流電機控制系統，具有集成度高、速度快及完善的保護功能等特點。驅動電路結構簡單，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。 2.系統原理 　　該閉環速度控制系統用三個霍爾集成電路作為轉子位置傳感器。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。系統控制結構框圖如圖1所示，MC33039的輸出經低通濾波器平滑，引入MC33035的誤差放入器的反相輸入端，而轉速給定信號經積分環節輸入MC33035的誤差放大器的同相輸入端，從而構成系統的轉速閉環控制。 [align=center] 圖1 系統控制原理[/align] 3.控制電路設計 　　MC33035的工作電源電壓范圍很寬，在10V-30V之間，芯片內含有基準電壓6.25V。MC33035內部的轉子位置譯碼器主要用于監控三個傳感器輸入,以便系統能夠正確提供高端和低端驅動輸入的正確時序。傳感器輸入可直接與集電極開路型霍爾效應開關或者光電耦合器相連接。此外,該電路還內含上拉電阻,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合,其中六種是有效的轉子位置,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°電氣相位的窗口內分辨出電機轉子的位置。MC33035直流無刷電機控制器的正向/反向輸出可通過翻轉定子繞組上的電壓來改變電機轉向。當輸入狀態改變時,指定的傳感器輸入編碼將從高電平變為低電平,從而改變整流時序,以使電機改變旋轉方向。電機通/斷控制可由輸出使能來實現,當該管腳開路時,連接到正電源的內置上拉電阻將會啟動頂部和底部驅動輸出時序。而當該腳接地時,頂端驅動輸出將關閉,并將底部驅動強制為低,從而使電動機停轉。MC33035中的誤差放大器、振蕩器、脈沖寬度調制、電流限制電路、片內電壓參考、欠壓鎖定電路、驅動輸出電路以及熱關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/R控制電機轉向，正向/反向輸出可通過翻轉定子繞組上的電壓來改變電機轉向。當輸入狀態改變時,指定的傳感器輸入編碼將從高電平變為低電平,從而改變整流時序,以使電機改變旋轉方向。 　　電機通/斷控制可由輸出使能7管腳來實現,當該管腳開路時,連接到正電源的內置上拉電阻將會啟動頂部和底部驅動輸出時序。而當該腳接地時,頂端驅動輸出將關閉,并將底部驅動強制為低,從而使電動機停轉。 　　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,在這個系統中PWM信號的產生是很容易的,而且PWM信號的頻率可以由外部電路調節, 其頻率由公式決定, R5是一個可變電阻,通過調節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電位器即可產生我們所需要的脈寬調制信號。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,其頻率由決定。R5為控制無刷電機轉速的電位器,通過該電位器改變11管腳對地的電壓,從而來改變電機的轉速。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，當出現無效的傳感器輸入碼、過流、欠壓、芯片內部過熱、使能端為低電平時，LED發光報警，同時自動封鎖系統，只有故障排除后，經系統復位才能恢復正常工作。R6及C1決定了內部振蕩器頻率（也即PWM的調制頻率）,轉速給定電位計W的輸出經過積分環節輸入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,誤差放大器便構成了一個單位增益電壓跟隨器,從而完成系統的轉速控制。 　　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腳的輸入連接內部一比較器的同相輸入端,該比較器的反相輸入為內部一9.1V標準電壓,此時MC33035通過與門將驅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部的電路,無需設計外圍電路。 　　該系統的無刷直流電機內置有3個霍爾效應傳感器用來檢測轉子位置,一旦決定電機的換相,并可以根據該信號來計算電機的轉速。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,電機轉速為0,即可實現剎車制動。 　　MC330399是Motorola公司配合MC33035專門設計的無刷電機閉環速度控制器,這是一個8腳的雙列直插窄式集成電路塊。MC33039對輸入的轉子位置信號碼進行有關的處理,產生一個與電機實際轉速成正比的轉速電壓信號。 　　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、下橋臂開關器件的六路原始控制信號，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（AB、BB、CB）及三相上橋控制信號（AT、BT、CT）經過驅動放大后，施加到逆變器的六個開關管上，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FOUT，其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。實際應用中，還可用外接各種PI、PID調節電路實現復雜的閉環調節控制，如圖3所示。 [align=center] 圖3 MC33039構成的閉環控制系統電路圖[/align] 　　從MC33039的5腳輸出的脈沖數是電動機每一轉輸出12個脈沖。按電動機最高轉速來選擇定時元件。設最高轉速是3500r/min,即58r/s。此時,每秒輸出脈沖數是58×12=696個。即其頻率約為700Hz,周期約為1.4ms。根據MC33039技術手冊,取定時元件參數R21=100KΩ,C4=0.01uF,單穩態電路產生脈沖寬度為1340ns。8腳接MC33035的基準電壓。5腳輸出經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,0.1μF的電容起濾波平滑作用。MC33035振蕩器參數:電阻取5.1kΩ,電容取0.1μF,PWM頻率約為2.4kHz。該系統采用無感電阻（0.04Ω,0.5W）作為電流檢測用,并經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下。 4.驅動電路設計 [align=center] 圖4 驅動電路圖[/align] 　　如圖4所示，其輸出的下橋三路驅動信號可直接驅動N溝通功率MOSFET的IRF530，上橋三路驅動信號可直接驅動P溝通功率MOSFET的IRF9530。MC33035的1、2、24腳的信號經過IRF9530放大，19、20、21腳的信號經過IRF530得到的信號驅動無刷直流電動機轉動。A、B、C分別與無刷直流電動機三相繞組成三角形接法。 5.實驗結果 [align=center] 圖5 驅動信號[/align] 　　圖5中的2路驅動信號，分別屬于某一橋壁的上下兩只MOSFET的驅動信號，比較可知，每支開關管一周期導通120°，并且2路驅動信號間不可能重合。 6.結論 　　本文設計的直流無刷電機控制系統,是采用純硬件方式實現的,它具有簡單、可靠、體積小、低成本的特點,尤其是配合MC33039構成轉速閉環控制后,調速性能非常優異。但是由于MC33035的PWM調制方式為調節占空比,這就難以改善輸出電流的波形,電機運行時有一定的轉矩脈動。總之,MC33035非常適于小功率無刷電機的控制,尤其可應用于伺服機構、機電一體化的調速設備。 參考文獻: 　　[1]張琛. 直流無刷電動機原理及應用（第二版）. 北京: 機械工業出版社. 2004. 　　[2]譚建成.電機控制專用集成電路.北京：機械工業出版社.1997. 　　[3]萬國慶,許清泉,崔曉蕓.MC33035無刷電機驅動控制器及應用[A].常州工學院學報，2005,18（5）:36-39. 　　[4]韋敏,季小尹.MC33035在直流無刷電機控制中的應用.電工技術雜志,2004,11:83-85. 　　[5]潘建.無刷直流電機控制器MC33035的原理及其應用[B].國外電子元器件,2003,8:38-41 　　[6]王海峰，江漢紅，陳少昌.直流無刷電機系統的最佳控制器設計.電機與控制應用,2005.32（7）:24-28. 　　[7] 孫冠群 李曉青 張犁鎖.SR電機調速系統控制器設計.中國計量學院學報，2006.17（3）：207-211