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永磁无刷直流电机控制器的设计


永磁无刷直流电机控制器的设计
刘万明 昆明电机有限责任公司 摘 要 采用 MC33035 专用芯片设计的无刷直流电机控制器设计制 作比较简单,保护功能完善,工作性能稳定,组成的系统所需外围电路简 单,抗干扰能力强,特别适用于工作环境恶劣,对控制器体积,价格性能 比要求较高的场合。 而采用单片机设计的控制器, 可以采用多种控制方法 进行控制, 并且可通过通讯接口与其它控制系统进行协调工作, 特别实用 于位置控制,稳定的转速控制等自动控制系统。 关键词 永磁直流电机,永磁同步电机,无刷控制器,单片机。
一.采用 Motorola MC33035 和 MC33039 组成的控制器 1.MC33035 是 Motorola 公司研制的第二代无刷直流电机控制专用集成电路,MC33035 无刷直流电机 控制器采用双极性模拟工艺制造,具有较高稳定性。该控制器内含可用于正确整定转子位置时序的译码 器,并对传感器提供具温度补偿的稳定电源,同时它还具有一个频率可编程的锯齿波振荡器、一个误差 信号放大器、一个脉冲调制器比较器、三个集电极开路顶端驱动输出和三个非常适用于驱动功率场效应 管(MOSFET)的大电流图腾柱式底部输出驱动器。此外,MC33035 还有欠压锁定功能,同时带有可选 表 1 MC33035 的管脚功能 脚 号 1,2,24 3 4,5,6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 22 23 Fwd/Rev SA,SB,SC Ooutput Enable Reference Output Current Sense Noninverting Input Oscillator Error Amp Noninverting Input Error Amp Inverting Input Error Amp Out/PWM Input Fault Output Current Sense Inverting Input Gnd Vcc Vc 60°/120° Select Brake 符 BT,AT,CT 号 功 能 说 明 三个集电极开路顶端驱动输出 正向/反向输入,用于改变电机转向 三个传感器输入,用于控制整流序列 输出使能,高电平有效。 提供参考电压,传感器电源 电流检测同向输入。 振荡器脚,振荡频率由 RT 和 CT 决定 误差信号放大器同向输入。 误差信号放大器反向输入。 误差放大器输出/PWM 输入。 故障输出端。低电平 电流检测反向输入端。 电源地 正电源。10V~30V 的范围内 底部驱动输出的高端电压,10V~30V 图腾柱式底部驱动输出。 60°(高电平)120°(低电平) 刹车控制。低时允许马达运行
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19,20,21 CB,BB,AB

时间延迟锁存关断模式的逐周限流特性以及内部热关断等特性。控制功能包括开环速度、正向或反向、 以及运行使能等。 2.管脚排列及功能说明如表 1 3.控制器电路构成 如图 1 所示,图中 K2 控制电机转向,K3 控制系统起停,K4 选择系统开环或闭环运行,K1 控 制系统制动,J1 选择转子位置检测信号为 60°或 120°方式,K6 控制系统的复位。电位器 R15 用以设 定所需电机转速,发光二板管 Led 用作故障指示,K5 为允许/禁止故障闭锁,当出现: a. 不正常的位置检测信号; b. 主电路过流; c. 3 种欠电压之一(芯片电压低于 9.1V,驱动电路电压低于 9.1V,基准电压低于 4.5V) ; d. 芯片内部过热; e. 使能端低电平; 时 Led 发光报警,若 K5 是闭合的则同时自动封锁系统,故障排除后,经系统复位才能恢复正常工作。

IC2 MC33039 1 2 3 4 C B A A VCC GND RT/CT Fout 8 7 6 5 R5 C1 750p 1k R6 1k IC1 1 2
正/正正

R1 1M

DC 24V C2 0.1 R2 R3 R4 1.1k 1.1k 1.1k C3 1000 S N

S

MC33035 Ct Brake 60/120 Ab Bb Cb Vc Vcc Gnd CSII FaultOut PWM R17 1M 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 J2 14 13 K1 J1

R7 1k
刹刹

N

Bt At Fwd/Rev Sa Sb Sc EnOut RefOut CSNI Osc EANI EAII

3 4 5 6

K2

R8 R9

470 470 R10 470 DC24V

K3
使使

R11

4.7k 7 8 9 10 11 12

D1

D2

D3 1N5819 IRF9541 Q1 IRF9541 Q2 IRF9541 Q3

R12 5.1k C4 0.01

R13 330 D4 1N5355B 18v T
故故故故 R18 2.2k D5 K5

R14 2.20k C5 0.1 Led
故故故故

IRFZ48N Q4

IRFZ48N Q5

IRFZ48N Q6

T

R15 10k
调调

R19 C8 0.1 R20 33 100 R21 0.05/1w

C6 R16 100k K4

0.1
开开开开

C7 47uf K6
复复复复

1N4148

图一

4.控制原理 从电机转子位置检测器送来的三相位置检测信号一方面送入 MC33035(Sa,Sb,Sc) ,经芯片内部译码
45

电路结合正反转控制端、起停控制端、制动控制端、电流检测端等控制逻辑信号状态,经过运算后,产 生三相逆变器上、下桥臂开关器件的 6 路原始控制信号,其中,三相下桥开关信号还要按无刷直流电机 调速机理进行脉宽调制处理,即产生 PWM 调制信号。 另一方面,转子位置检测信号还送入 MC33039 进行 F/V 转换,得到一个频率与电机转速成正比的 脉冲信号 Fout。Fout 通过简单的阻容滤波后形成转速反馈信号送入 MC33035 的 PWM 输入端,实现 电机转速的闭环控制,以提高电机的机械特性。 4.1 转子位置传感器译码电路 该译码电路将电动机的转子位置传感器信号转换成六路驱动输出信号,三路上侧驱动输出和三路下 侧驱动输出。它适合于集电极开路的霍尔集成电路或光耦合电路等传感器。输入端脚 4、5、6 都未设提 升电阻,输入电路与 TTL 电路电平兼容,门槛电压为 2.2V。该集成电路适用于传感器相位差为 60°、 120°、240°、300° 四种情况的三相无刷电动机。由于 3 个输入逻辑信号,可有 8 种逻辑组合。其中 6 种正常状态决定了电动机的不同位置。其余 2 种组合是位置传感器不可能产生的状态,即 3 个信号线 开路或对地短路,此时 14 脚将输出故障信号(低电平) 。 用脚 3 逻辑电平来确定电动机转向。当脚 3 逻辑状态改变时,传感器信号在译码器内将原来的逻 辑状态改变成非,再经译码后,得到反相序的换向输出,使电动机反转。电动机的起停控制由脚 7 使能 端来实现。当脚 7 悬空时,内部有电流源使驱动输出电路正常工作。若脚 7 接地,上侧 3 个驱动输出 开路 R2,R3,R4 将电位拉高,Q1,Q2,Q3 截止。3 个下侧驱动输出强制为低电平,Q4,Q5,Q6 截 止,电动机失电,同时故障指示 Led 亮。 当 K1 打开,加到脚 23 上的制动信号为高电平,电动机进行制动操作。它使 3 个上侧驱动输出开 路, 下侧 3 个驱动输出为高电平, 外接逆变桥下侧 3 个功率开关导通, 使电动机 3 个绕组端对地短接, 实现能耗制动。芯片内设一个四与门电路,其输入端是脚 23 的制动信号和上侧驱动输出 3 个信号,它 的作用是等待 3 个上侧驱动输出确实已转变为高电平状态后, 才允许 3 个下侧驱动输出变为高电平状态, 从而避免逆变桥上下开关管出现同时导通的危险。 4.2 误差放大器 该芯片内设有高性能, 全补偿的误差放大器。 在闭环速度控制时, 该放大器的直流电压增益为 80dB, 增益带宽为 0.6MHz,输入共模电压范围从地到 VREF(典型值为 6.25V ) ,可得到良好性能。当图一中 K4 闭合脚 12~13 短接,此时为开环速度控制,放大器接成增益为 1 的电压跟随器。 4.3 脉宽调制器 除非由于过电流或故障状态使 6 个驱动输出闭锁, 在正常情况下, 误差放大器输出与振荡器输出锯 齿波信号比较后,产生脉宽调制( PWM )信号,控制 3 个下侧驱动输出。改变输出脉冲宽度,相当 于改变供给电动机绕组的平均电压,从而控制其转速和转矩。 5.4 电流限制 电阻 R21 用作外接逆变桥的电流采样。采样电压由脚 9 输入至电流检测比较器。比较器反相输入 端设置有 100mV 基准电压,作为电流限流基准。在振荡器锯齿波上升时间内,若电流过大,此比较器

46

翻转,使下 RS 触发器重置,将驱动输出关闭,以限制电流继续增大。在锯齿波下降时间,重新将触发 器置位,使驱动输出开通。利用这样的逐个周期电流比较,实现了限流,若允许最大电流为 Imax ,则 采样电阻按下式选择: R21 = 0.1/ Imax 为了避免由换相尖峰脉冲引起电流检测误动作, 在脚 9 输入前设置 R19,C8,R20 组成的 RC 低通滤 波器。 4.5 MC33039 电子测速器 MC33039 是专为无刷直流电动机闭环速度控制设计的集成电路, 系统不必使用高价的电磁式或光电 测速机,就可实现精确调速控制。它直接利用三相无刷直流电动机转子位置传感器 3 个输出信号,经 F / V 变换成正比于电动机转速的电压信号。 脚 1 、 2、 3 接收位置传感器 3 个信号,经有滞后的缓冲电路,以抑制输入噪声。经“或”运算 得到相当于电动机每对极下 6 个脉冲的信号。再经有外接定时元件 CT 和 Rr 的单稳态电路,从脚 5 输出的 fout 信号的占空比与电动机转速有关,其直流分量与转速成正比,此信号 R16,C6,R17 低通滤波 器处理后,即可得到与转速成正比的测速电压,送入 MC33035 PWM 输入端进行闭环控制。 二. 由单片机构成的控制器 1. PIC16C73 单片机 PIC 系列单片机是美国 Microchip 公司的产品,PIC16C73 单片机是一钟低功耗、高性能、CMOS、 全静态、8 位微处理器。采用一种先进的 RISC 指令结构,具有 22 个 I/O 口,三个定时/计数器、两个捕 捉/比较/PWM 摸块、5 通道高速 A/D 转换器、看门狗电路等。其工作电压为 3—6V,由于 PIC16CXX 系 列抗干扰能力较好,广泛应用在汽车,安全,遥控传感器和其他应用领域。 2. 由 PIC16C73 单片机构成的控制器电原理图:见图二 图中 K1 为使能和电机启停开关,K2 为刹车,K2、K3 为按钮步进调速输入信号,K4 为正反转控制 开关, R2 为手动调速电位器,R2 滑臂电平进入 AN0 进行 8 位 A/D 转换,可设置 255 级转速,J3 为串 行通讯口以便实施联机控制。电机转速,报警信息直接由 4 位 7 段数码显示,其余 RB3,RB4 两个 I/O 口备用。 2.1 传感器信号处理 电机的三路霍尔集成电路或光耦合电路等传感器信号直接送入 PIC16C73 RB5—RB7, RB5—RB7 由 电平变化引起的中断及定时计数值来检测计算各路信号相位、占空比、周期等,判断电机的转向、传感 器信号分布的电角度等,以利实施相应的智能控制. 2.2 主电路过流检测 图中 R10 为检流电阻, 其两端电压经 R8, C4 组成的 RC 低通滤波器滤除尖峰脉冲后送入 LM358 R9, 同相端进行放大后再送入 AN1 进行 A/D 转换,判断是否过流。LM358 的增益设计在 40dB 左右,Vcc 使用 5V 电源时对应 LM358 送到 A/D 的电压大于 4.5V 为过流。LM358 的增益设计可以设计到 100dB, 此时可降低 R10 的阻值。

47

2.3 控制逻辑 上电时系统的初始化设值 RC3,RC4,RC5,定义为输出端口,初始值为 1,Q1,Q2,Q3 截止 RC0,RC1,RC2,定义为输出端口,初始值为 0,Q4,Q5,Q6 截止 AN0,AN1 定义为 A/D 口

RA2,RA3,RA4,RA5,RB0,定义为输入口 K2,K3 所对应的寄存器 K23,清 0
VCC

A B C D E F G P

A B C D E F G P

A B C D E F G P

3 4 5 6 10 11 12 13

3 4 5 6 10 11 12 13

3 4 5 6 10 11 12 13

Q0 Q2 Q2 Q3 Q4 8 CLK Q5 Q6 9 MR Q7

Q0 Q2 Q2 Q3 Q4 8 CLK Q5 Q6 9 MR Q7

Q0 Q2 Q2 Q3 Q4 8 CLK Q5 Q6 9 MR Q7

1 2 3 4

74LS164 1 A 2 B

1 A 2 B

1 A 2 B

VCC R2 10k

R1

10k

IC1 1 Vpp RA0/AN0 RA1/AN1 RA2/AN2

PIC16C73 RB7 RB6 RB5 RB4 RB3 RB2 RB1 RB0/INT Vdd Vss RC7/RX RC6/TX RC5 RC4 28 VCC 27 26 VCC 25 J2 24 23
正正正 21 K5

手手调调 2

3 K1 使使 K2 刹刹 K3 K4 4

5 RA3/AN3 调速+ 6 RA4 调速7 RA5/AN4 8 Vss

22

1 2 3 4

1 A 2 B

IC3

74LS164 IC4

74LS164

IC5

74LS164 IC6

R3 1k

R4 1k

R5 1k

DC 24V S S

C2 16p 20M 9 OSC2 X1 10 OSC1 C3 16p 11 RCO 12 13 14 RC1 RC2 RC3

20 19

VCC J3 IRF9541 Q1 IRF9541 Q2 IRF9541 Q3

18 17 16 15

1 2 3 IRFZ48N Q4 IRFZ48N Q5 IRFZ48N Q6

VCC LM358 T 8 1 R6 40k

IC2A 2 3

4

图二 当 K1 闭合时:若 R2=0 电位,K23=0 时,电机处于待运行状态 若 R2≠0 或 K23≠0,电机自动启动运转。
48

Q0 Q2 Q2 Q3 Q4 8 CLK Q5 Q6 9 MR Q7 N N R8 100 R7 C4 R9 1k 0.1 33 R10 0.05

J1

VCC

3 4 5 6 10 11 12 13

A B C D E F G P

当 K2 闭合时:电机处于制动状态,Q1,Q2,Q3 截止,Q4,Q5,Q6 导通,使电动机 3 个绕 组端对地短接,实现能耗制动。 2.3.1 两两导通控制模式:见图三 图三中功率管导通序列依次为 Q1+Q6,Q2+Q6,Q2+Q4,Q3+Q4,Q3+Q5,Q1+Q5,Q1+Q6,…。 电机的各相电压波形近似为阶梯波。
0° Sa 60速
传 传传 信信

60°

120°

180°

240°

300°

360°

420°

480°

540°

600°

660°

720°

Sb

Sc

Sa 120速 传 传传 信信

Sb

Sc

Q1

Q2

Q3
导导 导导

Q4

Q5

Q6

+ A O _ + B O _ + C O _

图三

49

2.3.2 三三导通控制模式:见图四 图四中功率管导通序列依次为 Q1+Q5+Q6,Q1+Q2+Q6,Q2+Q4+Q6,,Q2+Q3+Q4,Q3+Q4+Q5, Q1+Q3+Q5。电机的各相电压波形近似为方波。
0° Sa 60速
传 传传 信信

60°

120°

180°

240°

300°

360°

420°

480°

540°

600°

660°

720°

Sb

Sc

Sa 120速 传 传传 信信

Sb

Sc

Q1

Q2

Q3
导导 导导

Q4

Q5

Q6

+ A O _ + B O _ + C O _

图四 2.3.2 其它控制模式 从另一个角度看,永磁无刷直流电机可以看作附加了位置传感器的永磁同步电机,因此永磁无刷直

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流电机也可以工作在同步方式。此时在三三导通控制模式下,将每个周波分成多份,把每等份正弦波积 分面积换成等幅矩形面积,以形成宽度不等的 PWM 脉冲输出序列,分的等份越多合成的波越接近正弦 波,但要根据单片机的运算速度来定。此时电机工作在三相互差 120°的旋转磁场中,通过改变旋转磁场 的频率、幅值来控制和稳定电机的转速。

三.总结 随着市场经济的发展,产品质量、精度、性能、自动化程度、功能以及功耗、价格、售后服务等, 已经商家竞争主要武器。永磁无刷直流电机既具有交流伺服电机的结构简单、 运行可靠、维护方便等优 点,又具备直流伺服电机那样良好的调速特性而无机械式换向器,现已广泛应用于各种调速驱动场合。 设计一种性价比较高的永磁无刷直流电机控制器是我们当前的任务。 采用专用芯片设计的无刷直流电机控制器设计制作比较简单,保护功能完善,工作性能稳定,组成 的系统所需外围电路简单,抗干扰能力强,特别适用于工作环境恶劣,对控制器体积,价格性能比要求 较高的场合。而采用单片机设计的控制器,可以采用多种控制方法进行控制,并且可通过通讯接口与其 它控制系统进行协调工作,特别实用于位置控制,稳定的转速控制等自动控制系统。

参考文献 1. Motorola MC33035 技术数据手册。 2. 潭建成主编《电机控制专用集成电路》机械工业出版社。 3. Microchip Pic16c73 技术数据手册。

作者简介 专利。

刘万明,高级工程师,曾获得过《一种电子密码锁》和《化油器空燃比电调装置》实用新型

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