1引言

隨著人們生活水平的提高，產(chǎn)品質(zhì)量、精度、性能、自動化程度、功能以及功耗、價格問題已經(jīng)是選擇家用電器的主要因素。永磁無刷直流電機既具有交流伺服電機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點，又具備直流伺服電機那樣良好的調(diào)速特性而無機械式換向器，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種調(diào)速驅(qū)動場合。MOTOROLA第二代電機控制專用芯片的出現(xiàn)，給永磁無刷直流電機調(diào)速裝置的設(shè)計帶來了極大的便利。這些芯片控制功能強，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，特別適用于工作環(huán)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(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(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個功率開關(guān)器件組成三相逆變器，就可驅(qū)動三相永磁無刷直流電機，控制器電路構(gòu)成，如圖1所示，圖中S1控制電機轉(zhuǎn)向，S2控制系統(tǒng)起停，S3選擇系統(tǒng)開環(huán)或閉環(huán)運行，S4控制系統(tǒng)制動，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，L1發(fā)光報警，同時自動封鎖系統(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、起停控制端、制動控制端、電流檢測端等控制邏輯信號狀態(tài)，經(jīng)過運算后，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調(diào)速機理進(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)動電路整形、放大后，施加到逆變器的6個開關(guān)管上，使其產(chǎn)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(zhuǎn)子位置檢測信號還送入MC33039經(jīng)F/V轉(zhuǎn)換，得到一個頻率與電機轉(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)成一個簡單的P調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，以提高電機的機械特性硬度。實際應(yīng)用中，還可外接各種PI,PD，調(diào)節(jié)電路以實現(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（起動或停止），正反轉(zhuǎn)控制和能耗制動控制，適當(dāng)加上一些外圍元件，可實現(xiàn)軟起動。

3.1.1轉(zhuǎn)子位置傳感器譯碼電路

該譯碼電路將電動機的轉(zhuǎn)子位置傳感器信號轉(zhuǎn)換成六路驅(qū)動輸出信號，三路上側(cè)驅(qū)動輸出和三路下側(cè)驅(qū)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(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(tài)決定了電動機,個不同位置狀態(tài)。其余2種組合對應(yīng)于位置傳感不正常狀態(tài)，即3個信號線開路或?qū)Φ囟搪窢顟B(tài)，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(zhuǎn)向。當(dāng)腳3邏輯狀態(tài)改變時，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，使電動機反轉(zhuǎn)。電動機的起停控制由腳7使能端來實現(xiàn)。當(dāng)腳7懸空時，內(nèi)部有電流源使驅(qū)動輸出電路正常工作。若腳7接地，3個上側(cè)驅(qū)動輸出開路（1狀態(tài)），3個下側(cè)驅(qū)動輸出強制為低電平（0狀態(tài)），使電動機失去激勵而停車，同時故障信號輸出為零。

當(dāng)加到腳23上的制動信號為高電平時，電動機進(jìn)行制動操作。它使3個上側(cè)驅(qū)動輸出開路，下側(cè)3個驅(qū)動輸出為高電平，外接逆變橋下側(cè)3個功率開關(guān)導(dǎo)通，使電動機3個繞組端對地短接，實現(xiàn)能耗制動。芯片內(nèi)設(shè)一個四與門電路，其輸入端是腳23的制動信號和上側(cè)驅(qū)動輸出3個信號，它的作用是等待3個上側(cè)驅(qū)動輸出確實已轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)后，才允許3個下側(cè)驅(qū)動輸出變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)，從而避免逆變橋上下開關(guān)出現(xiàn)同時導(dǎo)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(nèi)設(shè)有高性能，全補償?shù)恼`差放大器。在閉環(huán)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(huán)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(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個驅(qū)動輸出調(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個下側(cè)驅(qū)動輸出。改變輸出脈沖寬度，相當(dāng)于改變供給電動機繞組的平均電壓，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)動輸出關(guān)閉，以限制電流繼續(xù)增大。在鋸齒波下降時間，重新將觸發(fā)器置位，使驅(qū)動輸出開通。利用這樣的逐個周期電流比較，實現(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作，在腳9輸入前可設(shè)置RC低通濾波器。

3.2MC33039電子測速器

MC33039是為無刷直流電動機閉環(huán)速度控制專門設(shè)計的集成電路，系統(tǒng)不必使用高價的電磁式或光電測速機，就可實現(xiàn)精確調(diào)速控制。它直接利用三相無刷直流電動機轉(zhuǎn)子位置傳感器3個輸出信號，經(jīng)F/V變換成正比于電動機轉(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個信號，經(jīng)有滯后的緩沖電路，以抑制輸入噪聲。經(jīng)“或”運算得到相當(dāng)于電動機每對極下6個脈沖的信號。再經(jīng)有外接定時元件CT和Rr的單穩(wěn)態(tài)電路，從腳5輸出的fout信號的

占空比與電動機轉(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。三相電動機中應(yīng)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(jié)論

為了更好的驗證前面理論的可行性及安全性，按設(shè)計進(jìn)行了實驗。

4.1準(zhǔn)備

實驗的主要部分_控制電路，設(shè)計為MC33035和MC33039所組成的閉環(huán)系統(tǒng)。由于實驗條件的限制，我們對實驗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)的功能以及實驗的結(jié)果。

首先要作調(diào)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(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。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(shù)是電動機每一轉(zhuǎn)輸出的3×6=18個脈沖。按電動機的最高轉(zhuǎn)速來選擇定時元件。實驗中電動機的最高轉(zhuǎn)速為1500r/min即1500/60=25r/s。此時每秒輸出脈沖數(shù)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(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)動信號只能直接驅(qū)動p溝道的VMOS管而下側(cè)可直接驅(qū)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(qū)動信號變非即可。組成后的電路圖，如圖6示。

4.2實驗結(jié)論

在電機實際操作之前，以手動方式轉(zhuǎn)動電機，用萬用表測量電機上設(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。實驗結(jié)果，如表2示。

手動工作的結(jié)果：實驗所得與理論真值表一致。

電機在電源驅(qū)動情況下的實驗波形，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，實驗輸出與理論相符。

測量電流波形時，首先，將一驅(qū)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(jīng)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(nèi)的分布有點相同，但波形上區(qū)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(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，沒有負(fù)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(cè)驅(qū)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(yīng)該是上側(cè)輸出的波形不因速度控制器的變動而改變，而fout波形則應(yīng)該隨速度控制器的變動而改變一周期內(nèi)脈沖的數(shù)量，從而改變電動機兩端的平均電壓，改變電動機轉(zhuǎn)速。

但由于試驗中的種種客觀原因，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)動波每一周期的脈沖數(shù)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(yīng)。在試驗過程中，電源電壓Vcc從15V不斷被調(diào)低，當(dāng)?shù)竭_(dá)10.5V左右時，報警電路驅(qū)動LED點亮，故障報警。

5結(jié)語

雖然在實驗中，出現(xiàn)了一些與理論不太符合的現(xiàn)象，但總體來說，實驗的結(jié)果基本達(dá)到了預(yù)期的結(jié)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。