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1、摘 要这篇文章设计了以C8051F单片机、MC33035、MC33039和HD7279A显示芯片为核心的无刷直流电机闭环调速控制系统。MC33035是高性能第二代无刷直流电机专用集成控制器，可用来控制开环两相、三相或四相无换向电机所需的全部有效功能。该器件由具有良好整流序列的转子位置译码器、误差放大器、可提供传感器功率的温度补偿参考、频率可设定的锯齿波振荡器、3个集电极开路顶端驱动输出和3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器构成。MC33039是一款高性能的闭环速度控制芯片，专用于各种无刷直流电机控制系统中。利用MC33039无需专门的磁性或光学转速计就能完成
2、精确地速度控制。HD7279A是一片真正的单片LED数码管显示和键盘接口芯片，无需外围电路，只需要外接少量的电阻等即可构成完善的显示、键盘接口电路。关键词 无刷直流电机；C8051F单片机；MC33035；MC33039；HD7279A AbstractThis paper designed a closed loop velocity adjustment control system of brushless DC motor based on C8051F, MC 33035、MC33039 and HD7279A.The MC33035 is a high performance se
3、cond generation monolithic brushless DC motor controller containing all of the active functions required to implement a full featured open loop, three or four phase motor control system. This device consists of a rotor position decoder. for proper commutation sequencing, temperature compensated refe
4、rence capable of supplying sensor power, frequency programmable sawtooth oscillator, three open collector top drivers,and three high current totem pole bottom drivers ideally suited for driving power MOSFETs.The MC33039 is a high performance closedloop speed control adapter specifically designed for
5、 use in brushless DC motor control systems. Implementation will allow precise speed regulation without the need for a magnetic or optical tachometer.HD7279A is a new LED and keyboard interface intelligent control chip,it can construct good display and keyboard interface circuit using few resistances
6、 instead of outside circuit.KEY WORDS brushless DC motor；C8051F；singlechip；MC33035；MC33039；HD7279A目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第1章 绪论- 4 -1.1 课题来源- 5 -1.2智能排风系统的特点- 5 -1.3智能排风系统发展现状及发展趋势- 5 -1.3.1智能排风系统发展现状- 5 -1.3.2智能排风系统的发展趋势- 6 -第2章智能排风系统中电机的控制原理- 7 -2.1排风电机（直流无刷电机）的控制特性- 7 -2.2排风电机（直流无刷电机）的控制结构- 7 -2.
7、3排风电机（直流无刷电机）的控制原理 - 8-第3章智能排风系统设计方案论证- 9 -3.1 方案简介- 9 -3.1.1电机的选取及驱动发案- 7 -3.1.2单片机的选取及按键显示方案- 9 -3.2 系统方案论证- 10 -第4章 基于C8051F330单片机直流无刷电机的智能排风控制系统 - 11 -4.1 IR2110简介- 11 -4.2 单片机330简介- 15 -4.3 HD7279简介- 16 -4.4 系统电路介绍- 24 -4.4.1 电源电路- 24 -4.4.2 8051F330D单片机控制电路- 24 -4.4.3 键盘显示电路- 25 -第5章 控制系统软件设计-
8、 26 -5.1 系统功能概述- 26 -5.2 程序流程图- 26 -5.3 程序清单- 28 -5.4 软件程序调试与仿真- 33 -结 论- 35 -致 谢- 38 -附 录- 39 -第1章 绪论1.1 课题来源无刷直流电机上世纪50 年代由国外研发，我国60 年代开始研究并有产品出现；因为控制器昂贵的价格，早先主要用于军事武器装备中。70 年代初，西安微电机研究所就为低噪音摄影机研制生产过无刷直流电动机。早期的无刷电机因电子元器件技术发展缓慢而进步不快，90 年代以后，随着计算机技术、集成电路控制技术、电机控制理论的进步，而且无刷电机的技术特征也逐渐为用户所认识，因此发展速度极快，目
9、前已成为微特电机中最具发展前途的机种。无刷直流电机实际上是定、转子倒置的同步电动机，因此既具有交流电动机的结构简单、运行可靠和免维护的特点，又具备直流电动机运行效率、调速性能好等优点，故在国民经济各个领域，如家用电器、工业控制、仪表仪器等方面的应用日益普及。目前，计算机软、硬磁盘驱动的主轴电机和风扇电机，录像机中的伺服电机，电动自行车中的驱动电机，均数以千、百万计地使用无刷直流电动机。由于通过电刷和换向器的配合作用实现换向的直流电机具有调速范围宽广、线性机械特性、控制电路简单、起动转矩大、效率较高等优点，因此在诸多领域中得到了广泛的应用；但它的电刷和换向器存在着可靠性较低、使用寿命较短、易产生
10、火花等弊端。随着大功率电子器件、模拟和数字集成电路、高性能磁性材料的进步，采用电子换向的无刷直流电机与大功率电子器件、专用集成电路、微机、稀土永磁材料、新型控制理论及电机理论的发展紧密结合，得到了越来越广的应用。1.2 无刷直流电机的技术特征和直流电动机和异步电动机相比较，无刷直流电动机的关键技术特征是：1、经电子控制获得类似直流电动机的运行特性，有较好的可控性，宽调速范围；2、需要转子位置反馈信息和电子多相逆变驱动器；3、本质上是交流电动机，由于没有电刷和换向器的火花、磨损问题，可工作于高速，可得到较高的可靠性，工作寿命长，无需经常维护；4、无刷直流电动机功率因数高，转子无损耗和发热，有较高
11、的效率；有资料对比，7.5kW异步电动机效率为86.4%，同容量的无刷直流电动机效率达92.4%；5、必须有电子控制部分，总成本比直流电动机高。尽管成本较高，由于永磁无刷直流电动机性能有明显的优势。近年，经业者的努力，无刷直流电动机市场已不断扩展，在许多领域的竞争中，永磁无刷直流电动机已经争中，永磁无刷直流电动机已经并正在不断地取代直流电动机和异步电动机，获得越来越多的应用。永磁无刷直流电动机驱动电流方可分为方波驱动和正弦波驱动，后者又称为同步型永磁交流伺服电动机，主要用于伺服控制。上世纪80年代才进入实用阶段的同步型永磁交流伺服电动机是可与直流伺服电机性能匹敌的伺服电机。据国际电机会议专家分
12、析，交流伺服电动机正以每年15% 的速度取代直流伺服电动机，交流伺服电动机将会占据首位，其前景是极其美好的。因此，国际上有电机专家断言，21 世纪是永磁无刷直流电动机广泛推广应用的世纪。特别是在小型电动机领域，无刷直流电动机将占据主导地位。1.3 直流无刷电机发展现状及发展趋势1.3.1 直流无刷电机发展现状直流无刷电动机与一般直流电动机具有相同的工作原理和应用特性，而其组成是不一样的。除了电机本身外，前者还多一个换向电路，电机本身和换向电路紧密结合在一起。许多小功率电动机的电机本身是与换向电路合成一体，从外观上看直流无刷电动机与直流电动机完全一样。直流无刷电动机的电机本身是机电能量转换部分，
13、它除了电机电枢、永磁励磁两部分外，还带有传感器。电机本身是直流无刷电机的核心，它不仅关系到性能指标、噪声振动、可靠性和使用寿命等，还涉及制造费用及产品成本。由于采用永磁磁场，使直流无刷电机摆脱一般直流电机的传统设计和结构，满足各种应用市场的要求，并向着省铜节材、制造简便的方向发展。永磁磁场的发展与永磁材料的应用密切相关，第三代永磁材料的应用，促使直流无刷电机向高效率、小型化、节能方向迈进。为了实现电子换向必须有位置信号来控制电路。早期用机电位置传感器获得位置信号，现已逐步用电子式位置传感器或其它方法得到位置信号，最简便的方法是利用电枢绕组的电势信号作为位置信号。要实现电机转速的控制必须有速度信
14、号。用获得位置信号相近方法取得速度信号，最简单的速度传感器是测频式测速发电机与电子线路相结合。直流无刷电机的换向电路由驱动及控制两部分组成，这两部分是不容易分开的，尤其小功率用电路往往将两者集成化成为单一专用集成电路。在功率较大的电机中，驱动电路和控制电路可各自成为一体。驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电路。目前，驱动电路已从线性放大状态转成脉宽调制的开关状态，相应电路组成也从晶体管分立电路转成模块化集成电路。模块化集成电路有功率双极晶体管、功率场效应管和隔离栅场效应双极晶体管等组成形式。虽然，隔离栅场效应双极晶体管价格较贵，但从可靠安全和性能角度看，选用它还是较合适的。
15、控制电路用作控制电机的转速、转向、电流(或转矩)以及保护电机的过流、过压、过热等。上述参数容易转成模拟信号，用此来控制较简单，但从发展来看，电机的参数应转换成数字量，通过数字式控制电路来控制电机。当前，控制电路有专用集成电路、微处理器和数字信号处理器等三种组成方式。在对电机控制要求不高的场合，专用集成电路组成控制电路是简单实用的方式。采用数字信号处理器组成控制电路是今后发展方向，有关数字信号处理器将在下面交流同步伺服电动机中介绍。目前，在微小功率范畴直流无刷电动机是发展较快的新型电机。由于各个应用领域需要各自独特的直流无刷电动机，所以直流无刷电动机的类型较多。大体上有计算机外存储器以及VCD、
16、DVD、CD主轴驱动用扁平式无铁心电机结构，小型通风机用外转子电机结构，家电用多极磁场结构及内装式结构，电动自行车用多极、外转子结构等等。上述直流无刷电动机的电机本身和电路均成一体，使用十分方便，它的产量也非常大。为了满足大批量、低成本的市场需要，直流无刷电动机的生产必须要形成规模经济。因此，直流无刷电动机是一种高投入、高产出的行业。同时，我们应该考虑到市场也在不断地发展，如家用空调用电机正由3A转向3D，需要大量的中小功率的直流无刷直流电动机，研究和开发中小功率的直流无刷电动机也成当务之急。1.3.2 直流无刷电机的发展趋势永磁无刷直流电机是一种电子电动机。随着电力电子技术的发展，许多新型的
17、高性能半导体功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT等相继出现以及高性能永磁材料，如稀土永磁材料的问世，为无刷直流电动机的广泛应用奠定的基础, 它由直流电源经过逆变器、位置检测装置向电动机供电，因而既保持了直流电机的结构简单，运行可靠，维护方便的一系列优点，又改善了有刷直流电机效率低、耗电多、噪音大、维护困难、使用寿命短等运行状况，还具备交流电机运行效率高，无励磁损耗及调速性能好等诸多优点。电机系统属环保节能型产品，是国家产业政策支持的高新技术项目，正处在产品成长期，具有广阔的市场前景。无刷永磁直流电机正在以其特有的优势不断蓬勃发展。直流无刷电动机有着很多其它电动机无可比拟的优点使得它在很多
18、领域得到了很广泛的应用。 1直流无刷电动机在家用电器中的应用。 在空调器行业，永磁直流无刷电动机的应用已成为衡量空调技术水准的重要指标之一。目前，变频空调技术已从异步电机变频控制发展到无刷电动机的变转速控制，即市场上宣传的“直流变频空调”，其压缩机电机和室内、室外风机都采用永磁直流无刷电动机，与采用异步电机的交流变频空调相比，直流变转速空调具有起动功率大、高效节能，抗电压波动能力强等优点。目前直流变转速空调电控系统的技术难点主要包括:压缩机控制系统的换相转矩脉动抑制技术，无位置传感器控制技术，高效率低噪音的室内外风机驱动系统。 变频洗衣机是近年来进入居民家庭消费的又一热门产品。目前应用于变频洗
19、衣机的电机类型主要有三相异步电动机，开关磁阻电动机和直流无刷电动机三大类。永磁直流无刷电动机直接驱动洗衣机具有机械传动结构简单、高效节能、洗涤脱水运行噪音低等一系列优点，代表了未来的发展趋势。 2直流无刷电动机在计算机外设和办公自动化设备中的应用。 3直流无刷电动机在工业中的应用。 4直流无刷电动机在汽车、摩托车、自行车等交通工具中的应用。 5直流无刷电动机在其他领域中的应用.随着电子技术、控制技术的发展, 位置检测可以通过芯片配合适当的算法来实现。高速微处理器和DSP 器件以及专用的控制芯片的出现, 使得运行速度、处理能力有很大的提高。DSP 固有的计算能力可用来在无刷电机上实现无传感器控制
20、。采用DSP 实现无位置传感器控制成为研究的热点, 低成本DSP 无位置传感器无刷电动机, 成为无刷直流电机的发展方向。第2章 无刷直流电机的控制原理2.1 无刷直流电机的控制特性图2-1 所示为无刷直流电动机系统基本结构,它由直流电源、控制电路、电机本体和位置传感器这几部分构成,控制电路是系统的关键部分。直流电源控制电路电动机本体位置传感器图2-1 无刷直流电机的基本结构系统中电子开关线路是用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间的,主要由逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元2 个部分组成。功率逻辑开关单元是控制电路的核心,其功能是将电源的功率按一定的逻辑关系分配给无刷直流电动机定子上的
21、各相绕组,以便使电动机产生持续不断的转矩;而各相绕组导通的顺序和时间,主要取决于来自位置传感器的信号,但位置传感器的信号一般不能直接用来控制功率逻辑开关单元,往往需要经过一定的逻辑处理后才能控制逻辑开关单元。2.2 无刷直流电机的控制结构直流无刷电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(P)影响：N=120*f / P。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率，并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无刷电机能够
22、在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。直流无刷驱动器包括电源部及控制部如图2-2：电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。 电源部可以直接以直流电输入(一般为24V)或以交流电输入(110V/220 V)，如果输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器 (inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(Q1Q6)分为上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂 (Q2、Q4、Q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供PWM(脉冲宽度
23、调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相 的时机。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall- sensor)，做为速度之闭回路控制，同时也做为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。图2-2 电机控制结构2.3 无刷直流电机的控制原理要让电机转动起来，首先控制部就必须根据hall-sensor感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器 (inverter)中功率晶体管的顺序，如下（图2-3 ）inverter中之AH、BH、CH(这
24、些称为上臂功率晶体管)及AL、BL、CL(这些称为下臂功率晶体管)，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆 向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到hall-sensor感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管)；要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。 基本上功率晶体管的开法可举例如下： AH、BL一组AH、CL一组BH、CL一组BH、AL一组CH、AL一组CH、BL一组 但绝不能开成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因为电子
25、零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂(或上臂)就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。 图2-3 电机控制原理当电机转动起来，控制部会再根据驱动器设定的速度及加/减速率所组成的命令 (Command)与hall-sensor信号变化的速度加以比对(或由软件运算)再来决定由下一组(AH、BL或AH、CL或BH、CL或)开关 导通，以及导通时间长短。速度不够则开长，速度过头则减短，此部份工作就由PWM来完成。PWM是决定电机转速快或慢的方式，如何产生这样的PWM才是要 达到较精准速度控制的核心。高转速
26、的速度控制必须考虑到系统的CLOCK 分辨率是否足以掌握处理软件指令的时间，另外对于hall-sensor信号变化的资料存取方式也影响到处理器效能与判定正确性、实时性。至于低转速的速度控制尤其是低速起动则因为回传的hall-sensor信号变化变得更慢，怎样撷取信号方式、处理时机以及根据电机特性适当配置控制参数值就显得非常重要。或者速度回传改变以encoder变化为参考，使信号分辨率增加以期得到更佳的控制。电机能够运转顺畅而且响应良好，P.I.D.控制的恰当与否也无法忽视。之前提到直流无刷电机是闭回路控制，因此回授信号就等于是告诉控制部现在电机转速距离目标速度还差多少，这就是误差(Error)
27、。知道了误差自然就要补偿，方式有传统的工程控制如P.I.D.控制。但控制的状态及环境其实是复杂多变的，若要控制的坚固耐用则要考虑的因素恐怕不是传统的工程控制能 完全掌握，所以模糊控制、专家系统及神经网络也将被纳入成为智能型P.I.D.控制的重要理论。第3章 控制系统总体设计方案论证3.1 方案简介3.1.1 基于专用集成电路构成的无刷电机调速系统的设计方法采用专用集成芯片构成的无刷电机调速系统控制原理图如图3-1所示。图3-1 三相无刷直流电机闭环控制电路如图3-1所示，为专用集成芯片MC33039，MC33035,MPM3003组成的三相全波无刷直流电动机闭环速度控制系统。MPM3003三相
28、逆变桥功率模块是12脚塑料封装模块。上侧三个P沟道功率MOSFET的导通电阻为0.28，下侧三个P沟道功率MOSFET的导通电阻为0.15，漏-源电压为60V，电流为10A。各功率管均带有反向续流二极管。该闭环速度控制系统中，用三个霍尔集成电路作为转子位置传感器。用MC33035的8脚参考电压（6.24V）作为它们的电源。霍尔集成电路输出信号送至MC33039和MC33035。从MC33039的5脚输出脉冲数是电动机每一转输出12个脉冲。按电动机最高转速来选择定时元件。设最高转速为5000r/min，即83r/s。此时每秒输出脉冲数是8312=996个。即其功率约为1000Hz，周期约为1ms
29、。由MC33039说明书，取定时元件参数R1=1M，C1=750pF，单稳态电路产生脉冲宽度为950us。8脚接MC33035的基准电压。5脚输出经电阻R3接MC33035的12脚，即误差放大器反相输入端。放大器此时增益为10，电容C3起滤波平滑作用。MC33035振荡器参数：R2=5.1k,C2=0.01uF，PWM频率约为24kHz。系统采用无感电阻R21（0.05，1W）作为电流检测用，并经R8，R9分压后再连接到9脚。C5是小滤波电容。这样，系统限流为8A。系统的转速闭环控制如图3-2所示,MC33039 对输入的转子位置信号进行有关的处理, 产生与电机实际转速成正比的转速电压信号。M
30、C33039 的输出经低通滤波器平滑, 引入MC33035 的误差放大器的反相输入端, 而转速给定信号经积分环节输入MC33039 误差放大器的同相输入端，从而构成系统转速闭环控制。图3-2 转速闭环控制电路(1) 基于MPM3003模块的驱动单元 图3-3 MPM3003内部电路原理图图3-3中，MPM3003管脚7、10、3为上侧三个P沟道功率MOSFET的栅极，管脚2、5、8则为下侧三个N沟道功率MOSFET的栅极，它们均由MC33035驱动。上侧功率MOSFET由低电平驱动，下侧功率MOSFET由高电平驱动。每次各有一个上侧功率MOSFET和一个下侧功率MOSFET导通，且受MC330
31、35的控制。正常工作时，上下两个导通的功率MOSFET应不在同一桥臂上。其连接方式为：MPM3003的管脚7、10、3依次与MC33035的管脚1、2、24相连，MPM3003的管脚2、5、8依次与MC33035的管脚19、20、21相连。MPM3003的管脚11为上侧三个功率MOSFET的源极，接电源1830V。管脚1为下侧三个功率MOSFET的源极，与电流检测电路相连。管脚4、6、9为各管的漏极，依次与电动机绕组A、B、C相连。在应用时，MPM3003应按实际情况加合适的散热片。(2) 转子位置检测在无刷直流电机控制系统中，位置传感器一方面用来测定转子磁极的位置，以便为实现电子换向提供信息
32、；另一方面用来检测电动机转速，以便为闭环速度反馈提供电动机的实时转速。本设计采用霍尔型位置传感器来采集转子磁极位置。它将霍尔元件及其半导体集成电路集成在一块N型外延片上，其外形与一般小型晶体管相似，采用这种方式体积小、灵敏度高，因而大多数无刷直流电动机均采用霍尔型位置传感器。(3) 速度检测通过MC33039可利用转子位置传感器的输出信号，经变换得到正比于电动机转速的脉冲信号FB，并将该信号反馈给控制器，即可形成转速闭环控制。其连接方式是将MC33039的管脚1、2、3接位置传感器三个信号；管脚5的输出接MC33035的12脚(即误差放大器反相输入端)；管脚7接地；管脚8接MC33035的管脚
33、8 (即其基准电压)；管脚6和8则连接定时元件R1、C1。(4) 速度给定速度给定是速度环的一个组成部分。本系统采用的是电位器给定的方式，电位器接在06.25V之间，给出的模拟电压幅值在06.25 V之间。在管脚8与11之间加一个电位器可以控制速度的大小，两管脚之间的电阻越小，速度越快。3.1.2 基于8051F单片机直流无刷电机控制系统的设计方法简介该设计是以C8051F330D单片机为核心，利用MC33035和MC33039构成的无刷直流电机闭环速度控制系统。该电路如图3-4所示，主要由MC33035，MC33039，驱动电路和电机组成。但是这与之前介绍的基于专用集成电路构成的无刷电机调速
34、系统的设计方法不同，此电路中电机的启动和停止，正反转，机动刹车以及加速和减速等功能都是由单片机控制的。图3-4 电机控制原理图8051F330D单片机的P0.1口接一个运放器，运放的输出馈入到MC33035的11脚即误差信号放大器同向输入端来产生与速度成比例的直流电压，从而来改变电机的转速。P1.1接MC33035的23脚使能端，当P1.1为低电平时允许马达运行，为高电平时马达运行停止。P1.2控制电机的转动方向，它接MC33035的3脚正反向输入端，当该脚为高电平时，电机正转，为低电平时电机反转。P1.3控制电机的启动和停止，它接MC33035的7脚，当该脚为高电平时，电机转动，为低电平时电
35、机停止转动。3.2 系统方案论证以上介绍了两种直流无刷电机速度控制设计方法，两种设计都能实现电机的启动和停止，正反转，机动刹车以及加速和减速等功能。第一种方法，基于MC33035,MC33039，MPM3003专用集成电路及一些外围电路构成的直流无刷电机速度闭环控制系统可以很好地实现电机控制的一些功能，方便简单而且有效。但是该电路在速度调节上面不是太精确，而且不可以显示当前电机的转速，只能进行单机控制,缺乏智能性。基于8051F330D单片机直流无刷电机控制系统实用且性价比高，可以显示电机当前转速，电路结构简单，控制方便，运算速度快，兼容了第一种设计方法的优点，所以通过对比论证，我们决定采用该
36、设计方法来实现电机的速度控制。第4章 基于8051F单片机直流无刷电机控制系统该设计是以C8051F330D单片机为核心，利用MC33035和MC33039构成的无刷直流电机闭环速度控制系统。该系统结构简单,价格低廉,运行性能良好。C8051F系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片( SoC),具有与8051 兼容的高速C IP251内核(运算速度高达25 M IPS) ,与MCS251指令集完全兼容; C8051F单片机具有片内调试电路,通过4脚JTAG接口,可以进行非侵入式、全速的在系统调试; C8051F高速SoC的芯片上还集成了构成单片机控制系统所需的几乎所有模拟、数字外设及其他功能
37、部件(包括ADC、DAC、可编程增益放大器;电压比较器、电压基准、温度传感器、SMBus/ I2C、UART、SP I、定时器、可编程计数器/定时器阵列( PCA) 、内部振荡器、看门狗定时器及电源监视器等) 。这些外设的高度集成,为设计小体积、低功耗、高可靠性、高性能的单片机应用系统提供了极大的方便,可大大降低系统的整体成本。4.1 MC33035简介MC33035 是MOTOROLA公司第二代高性能无刷直流电机专用芯片,它采用双极性模拟工艺制造,在任何恶劣的环境条件下仍然具有很高的稳定性和优秀品质。芯片内包含有误差信号放大器、PWM脉冲调制放大器、频率可编程的锯齿波振荡器、3个集电极开路顶
38、端驱动输出和3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器。它还有可用于正确整流时序的转子位置译码器、可对传感器的温度进行补偿的参考电平。还带有欠锁定功能及欠压保护、过流保护、芯片过热保护、故障信号输出、单独驱动、制动输入等功能。MC33035内部原理图如图4-1所示。总之,它是一种具有典型的包括开环速度、正向运转和反向运转、以及运行使能等的电机控制专用小型系统。该集成电路的主要组成部分包括：转子位置传感器译码器电路带温度补偿的内部基准电源频率可设定的锯齿波振荡器 误差放大器脉宽调制（PWM）比较器输出驱动电路欠电压封锁保护、芯片过热保护等故障输出限流电路MC3303
39、5芯片的特点：工作的电源电压范围很宽,有1030V；芯片内含有基准电压源6.25V；传感器相角可以选择60/300度或120/240度；带外部频率调整的锯齿波发生器；可直接控制电机正反转；可直接实现电机刹车制动；可直接控制电机启停。 MC33035是24脚的双列直插窄式集成电路块，其内部结构如图4-1所示。 图4-1 MC33035内部电路原理图其主要功能有：(1) 转子位置译码器接受转子位置检测器的信号, 处理后生成6 路输出驱动信号控制逆变桥的正确换流; (2) 故障与处理包括欠压、过热、误码、过流等; (3) 正/反转控制改变6路输出驱动信号的顺序, 以改变定子绕组的电流方向,从而改变电
40、机转向; (4) 制动封锁所有上桥臂的驱动信号, 使电机与电源隔离, 同时打开所有下桥臂的驱动信号, 短接电机的电动势, 使电机迅速减速; (5) 内部振荡器决定PWM 的调制频率; (6) 转速给定包括1个误差放大器和1 个PWM 比较器, 给定的转速信号与振荡器的输出锯齿波相比较, 产生PWM 控制信号; (7)内部基准电压不仅用于内部比较器和振荡器的电源,还输出作为转子位置检测器的电源。表4-1 MC33035引脚功能说明引脚号符号与功能功能说明1，2，2434，5，678910111213141516171819，20，212223Bt, At, Ct正向/反向Sa, Sb, Sc使能
41、控制基准电压输出电流检测输入振荡器误差放大器输入误差放大器输入误差放大器输出故障信号输出电流检测输入地VccVcCb, Bb, Ab60/120选择制动输入集电极开路输出，可用来驱动三相桥上侧三个功率开关。最大允许电压为40V，最大吸入电流为50mA改变电动机转向转子位置传感器输入端逻辑高电平使电动机起动，逻辑低电平使电动机停车典型值6.24V电流检测比较器的同相输入端由外接定时元件Rt和Ct决定其振荡频率同相输入端反相输入端在闭环控制时连接校正阻容元件。此引脚亦连接到内部PWM比较器反相输入端集电极开路输出，故障时输出低电平反相输入端供给本集成电路的正电源，10-30V给下驱动输出提供正电源
42、，10-30V下侧驱动输出端高电平对应传感器相差60，低电平对应传感器相差120逻辑低电平使电动机正常运转，逻辑高电平使电动机制动减速MC33035功能说明（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 都设有提升电阻，输入电路分 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
43、不同位置状态。其余 2 种组合对应于位置传感不正常状态，即 3 个信号线开路或对地短路状态，此时脚 14 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，3 个上侧驱动输出开路（1 状态），3 个下侧驱动输出强制为低电平（ 0 状态），使电动机失去激励而停车，同时故障信号输出为零。当加到脚 23 上的制动信号为高电平时，电动机进行制动操作。它使 3 个
44、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出现同时导通的危险。（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。作开环速度控制时，可将此放大
45、器改接成增益为 1 的电压跟随器，即速度设定电压从其同相输入端脚 11输入。脚 1213 短接。（3） 脉宽调制器除非由于过电流或故障状态使 6 个驱动输出调闭锁，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。脉宽调制时序图，如图4-2所示。 图4-2 脉冲调制时序图（4） 电流限制 外接逆变桥经一电阻 Rs 接地作电流采样。采样电压由脚 9 和脚 15 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
46、齿波上升时间内，若电流过大，此比较器翻转，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:Rs = 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 输入前可设置 RC 低通滤波器。4.2 电子测速芯片MC33039MC33039是Motorola公司配合MC33035专门设计的无刷电机闭环速度控制器,这是一个8脚的双列直插窄式集成电路块。系统不必试用较高价格的电磁式或光电式测速机，就可实现精确调速控制。它直接利用三相无
47、刷直流电动机转子位置传感器三个输出信号，经F/V变换成正比于电动机转速的电压。该芯片包含三个输入缓冲，每路输入缓冲都带有一个延时器以提高抗干扰能力，此外，MC33039还带有三个数字信号边沿检测器, 一个可编程单稳态以及一个内部并联调节器。同时该芯片还包含一个变换器输出，故可满足要求传感器进行相位转换的系统。图4-3所示是其内部结构。虽然MC33039芯片主要与MC33035芯片构成无刷电机控制器，但也可以有效、廉价地在其它闭环速度控制中应用。MC33039的主要特点如下：1. 可对每个输入变化进行数字检测，以用于改进低速电机的工作；2. 与TTL输入兼容，带滞后；3. 可直接由MC33035 参考源供电，运行电压可低至5.5 V；4. 内部旁路稳压器允许从非稳压的电源中获得电源；5. 带倒相器输出，可提供方便的60/300或120/240传感器相位
