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(wèn)題已經(jīng)是選擇家用電器的主要因素。永磁無(wú)刷直流電機(jī)既具有交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(wú)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(chǎng)合。MOTOROLA第二代電機(jī)控制專(zhuān)用芯片的出現(xiàn)，給永磁無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速裝置的設(shè)計(jì)帶來(lái)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(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，特別適用于工作環(huán)境惡劣，對(duì)控制器體積，價(jià)格性能比要求較高的場(chǎng)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(wú)刷直流電機(jī)控制專(zhuān)用集成電路，加上1片MC3309電子測(cè)速器將無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行F/V轉(zhuǎn)換，形成轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，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(kāi)關(guān)器件組成三相逆變器，就可驅(qū)動(dòng)三相永磁無(wú)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(kāi)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(cè)信號(hào)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(cè)信號(hào)、主電路過(guò)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(guò)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(cè)器送來(lái)的三相位置檢測(cè)信號(hào)（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、起停控制端、制動(dòng)控制端、電流檢測(cè)端等控制邏輯信號(hào)狀態(tài)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算后，產(chǎn)生逆變器三相上、下橋臂開(kāi)關(guān)器件的6路原始控制信號(hào)，其中，三相下橋開(kāi)關(guān)信號(hào)還要按無(wú)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(hào)（Ar,Br,Cr）經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路整形、放大后，施加到逆變器的6個(gè)開(kāi)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(cè)信號(hào)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(hào)FB。FB通過(guò)簡(jiǎn)單的阻容網(wǎng)絡(luò)濾波后形成轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，利用MC33035中的誤差放大器即可構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)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

3.1MC33035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(guò)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(kāi)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(hào)轉(zhuǎn)換成六路驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)，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(kāi)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(mén)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(wú)刷電動(dòng)機(jī)。

由于3個(gè)輸入邏輯信號(hào)，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(duì)應(yīng)于位置傳感不正常狀態(tài)，即3個(gè)信號(hào)線(xiàn)開(kāi)路或?qū)Φ囟搪窢顟B(tài)，此時(shí)腳14將輸出故障信號(hào)（低電平）。

用腳3邏輯電平來(lái)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(hào)在譯碼器內(nèi)將原來(lái)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)的起停控制由腳7使能端來(lái)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(kāi)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(chē)，同時(shí)故障信號(hào)輸出為零。

當(dāng)加到腳23上的制動(dòng)信號(hào)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(kāi)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(kāi)關(guān)導(dǎo)通，使電動(dòng)機(jī)3個(gè)繞組端對(duì)地短接，實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)。芯片內(nèi)設(shè)一個(gè)四與門(mén)電路，其輸入端是腳23的制動(dòng)信號(hào)和上側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出3個(gè)信號(hào)，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(kāi)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(kāi)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(guò)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(hào)比較后，產(chǎn)生脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)，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(cè)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(guò)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(kāi)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(cè)誤動(dòng)作，在腳9輸入前可設(shè)置RC低通濾波器。

3.2MC33039電子測(cè)速器

MC33039是為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)速度控制專(zhuān)門(mén)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(cè)速機(jī)，就可實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速控制。它直接利用三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器3個(gè)輸出信號(hào)，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(hào)，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(duì)極下6個(gè)脈沖的信號(hào)。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(hào)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(hào)在外接低通濾波器處理后，即可得到與轉(zhuǎn)速成正比的測(cè)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(duì)實(shí)驗(yàn)電路作了一些必要的調(diào)整，這些調(diào)整并沒(méi)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?；魻柤呻娐份敵鲂盘?hào)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(lái)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(shuō)明書(shū)，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95?s。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=0.01?F，PWM頻率約為24kHz。

另外，因無(wú)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(hào)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(hào)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(wàn)用表測(cè)量電機(jī)上設(shè)置的霍爾傳感器的三路輸出信號(hào)與MC33035輸出信號(hào)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(xiàn)均為傳感器輸出的SB，圖7的下側(cè)曲線(xiàn)為Sc，圖8的下側(cè)曲線(xiàn)為SA。對(duì)照可知，實(shí)驗(yàn)輸出與理論相符。

測(cè)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(xiàn)上裝置電流傳感器，再接入一5Ω的測(cè)量電阻后接地。然后以示波器測(cè)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(wú)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(lái)的沖擊電流大于滿(mǎn)載狀態(tài)時(shí)，沒(méi)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(cè)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(duì)象。測(cè)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(guān)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(cè)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(duì)故障信號(hào)的反應(yīng)。在試驗(yàn)過(guò)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(yǔ)

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(lái)說(shuō)，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(wú)刷直流電機(jī)作家用傳動(dòng)裝置的實(shí)際可行性。