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1、目录文摘31绪论51.1本课题的目的和意义51.1.1无刷直流电动机的发展电动机作为能量转换装置，应用于国民经济的各个领域51.1.2无刷直流电动机的应用61.2.1无剧直流电动机研究现状71.2.2本文研究的主要内容72无刷直流电动机的结构、工作原理92.1无刷直流电动机的基本组成部分92.1.1无刷直流电动机构92.1.2电动机本体102.1.3转子位传感器102.1.4控制芯片102.1.5逆变器件122.2无刷直流电动机的运行过程132.2.1运行过程分析132.3无刷直流电动机主回路控制方式选择162.3.1主回路导通方式选择163基十专用芯片MC3303的无刷直流电动机控制器173
2、.1 MC33033芯片及外围电路简介173.1.1 MC33039芯片18183.1.2 MC33033功能介绍3.1.3电子测速器MC33039193.1.4 MC33033和 MC33039方案说明193.2驱动电路设计193.2.1高性能集成六输出高压即5栅极驱动器一 IR2132194 一款无刷直流电动机控制器设计方案214. 1工作原理214. 2功率开关管的选取225 小结23致谢23小型电动车的驱动电路设计摘 要:永磁无刷直流电动机是近些年来发展起来的一种新型电机，其利用电子 换相技术代替直流电动机电刷换向的机电一体化产品。它既具有一般直流 电动机的运行效率高、起动转矩大、调速
3、范围广和机械特性为线性等优点， 又具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点。论文首先查阅了国内外的永磁无刷直流电动机的研究动态，简单介绍了无 刷直流电动机的工作原理，分析并确定了主回路的导通方式，控制器一是 以专用芯片或单片机来进行设计，位置反馈元件有霍尔传感器反馈接口和 编码器接口，开关器件采用MOSFET管开关或IGBT大功率开关控制，根据需 求可设计有转速反馈闭环控制、正反转、过电流保护等。关键词：无刷直流电动机、PWM输出端、控制器Abstract. Permanent magnet brushless DC motor is developed in recent year
4、s a new type of motor, with its use of electronic technology for brush DC motor instead of the mechanical-electrical integration for the product.Ithas the general operation of DC motor high efficiency, large starting torque, speed and mechanical properties of a wide range of advantages for the linea
5、r and the AC motor with simple structure, reliable operation and convenient maintenance.First of all, access to domestic and foreign papers of permanent magnet brushless DC motor dynamics, a brief introduction of the brushless DC motor of the working principle and to identify the main circuit of the
6、 turn-on the way to a dedicated controller chip, or one single-chip to carry out the design, position feedback devices have a Hall sensor interface and encoder feedback interface, the use of MOSFET control switch device switches or IGBT high-power switch control, can be designed in accordance with t
7、he demand for closed-loop speed feedback control, positive, over-current protection.Keywords: Brushless DC Motor PWM output Controller1.1本课题的目的和意义1.1.1无刷直流电动机的发展电动机作为能量转换装置，应用于国民经济的各个 领域。电动机一般分为交流电机和直流电机。相比较交流电动机，直流电动机具有 良好的起动性能和宽广平滑的调速特性，因而被广泛应用于电力机车、无轨电车、 轧钢机、机床和起动设备等需要经常起动并调速的场合。但直流电动机的换向是 依靠换向器和
8、电刷进行换流，在频繁的运转过程中，由于换向器和电刷的摩擦， 一方面消耗电刷，使我们不得不定期检查和更换电刷，耗时耗力：另一方面又产 生电火花、电磁干扰，影响附近的电气设备。针对这种情况，早在上个世纪30 年代就有人开始研究天漏目直流电动机。1951年，美国D.H等人首次成功的实现 了用品体管换向线路代替有刷直流电动机机械电刷，这标志着现代无刷直流电机 的诞生卿.在进入20世纪60年代以后，电力电子技术和计算机技术的应用使电机 的发展经历了持久的革命性的变化。作为机电一体化的产品，无刷直流电动机也 得以发展，并开始进入初步的应用阶段。无刷直流电动机既具有普通直流电动机 调速性能好的特点，又具有交
9、流电动机结构简单、便于维护的特点。因此得到了 一定范围内的初步应用。自20世 纪70年代开始，稀土永磁材料的发展，使无刷直流电动机有了进 一步的发展，但由于永磁材料的价格昂贵，研究开发重点只能在航空、航天领域 用的电动机和要求高性能而价格不是主要因素的高科技领域。在进入80年代 后较低价格的钦铁硼永磁材料的出现，使无刷直流电机能够在化工、纺织以及家 用电器等民用领域初显身于。在90年代后，随着电力半导体器件的飞速发展，如GTR、GTO、MOSFET、IGB 的相继出现，另外微处理器、集成电路技术的发展，逆变装置也发生了根本性变 化，这些开关器件在向高频化、智能化、大容量化的方向发展伪，使无刷直
10、流电 动机的很重要的一无刷直流电机控制系统的研究与实现个环节一逆变器的价格 下降，使无刷直流电动机的成本进一步的下降，其控制技术更加成熟。目前稀土 永磁材料开发技术的成熟和方兴未艾的电力电子技术的发展，使得无刷直流电动机正朝着高速化、高转矩、多功能化、低成本化的方向发展。1.1.2无刷直流电动机的应用在加世纪80年代前，无刷直流电动机由于昂贵的稀土价格和不太理想的运行 性能限制了它的应用，大部分无刷直流电动机只局限于实验室阶段的应用和小功 率在航空等个别领域的应用。进入9 0年代后，稀土材料价格的下降和控制器性能的提高，使稀土永磁电 机的开发和应用进入了一个新阶段。一方面，原有开发的成果在国防
11、、工农业和 日常生活等方面得到较好的应用；另一方面，正向较大功率傲高转速、高转矩、 高功能化和微型化方向发展，扩展新的电机品种和应用领域。在上个世纪末，稀 土永磁电机的单台容量已超过1000kw，最高转速已超过300000rpm，最低转速低 于0.01rpm，最小电机外径只有0.8mm，长1.2mm。在其它领域，如航空工业中美 国制成驱动航天飞机升降副翼用的12.6kw，9000rmin稀土永磁无刷直流电动机， 效率为95%，仅重7.65kg;还有军事国防设备中的电传动装甲车辆、鱼雷大功率无 刷直流电动机、稀土永磁无刷直流无齿电梯曳引机、稀土永磁无刷直流发电机等。 微特电机的应用己经深入到各个
12、领域，数量和品种都以相当快的速度发展着，每 年全球都有数十亿台的需求量，其中以无刷直流电动机的增长最为迅速。据资料 统计，近些年来，无刷直流电动机的应用每年以大约15%的比例在增加问。在这 样的增长中，一个不可逆转的趋势是无刷直流电动机正在很多场合取代着其它种 类的电动机，根据有关专家估计无刷直流电动机的发展趋势有如下的四方面:取 代直流有刷电动机，取代步进电动机，取代小型的异步电动机，电动车辆电动机 口。表1说明了无刷直流电动机应用的增长情况。IWfi年生产fl田MH 4B主产悄息产值占有电惹产催占有早以产埴占有京藤产情占押*电台*对.31W3蜀1 UJ.41QDIM47* 瞬713 92.
13、i944制6玷LOlOS心M.r113 Q 翊ra.J7 w边 1GS7l.a7373 M17732011.15LU L9表1.1无刷直流电动机生产情况表另外，在所有类型电机中，无刷直流电动机的损耗较小、效率较高。有资料 做过对比分析，对于7.5kw的异步电机系统效率可达86.4%，但是同样容量的无刷 直流电动机效率可达92.4%。要求的“创建节约型社会”的有着非常重要的意义。因此，当前对无刷直流电动机及其控制器的研发对于十一五政府报告。1.2. 1无剧直流电动机研究现状对于无刷直流电动机而言，几个有待深入研究的问题有:转矩脉动问题、换 向角的最佳选取问题、无位置传感器的转子位置检测问题、控制
14、算法问题、抗十 扰问题。自上世纪末起，无刷直流电动机的研究热潮逐渐形成。在国内，我国的无刷 直流电动机的研究在小功率（从几十瓦到几百瓦）已经从科研转向生产，如西安微 电机研究所研制的碑42ZW-1、55ZW-1、70ZW-1系列产品，上海交大研制的卫早卜 专用的无刷直流电动机，上海微电机研究所的无刷直流力矩电动机，还有浙江联 宜电机厂生产的小功率的电动机的生产已经形成一定规模等，但大功率了田传速 的无刷直流电动机的研究方面发展不快，还未形成系列产品。在国外,各国研究人员纷纷推出自己最新科研成果，其中美国的几Ahmed Rubaaj博士及其同事共同研制出一种新型的无刷直流电动机，其转子跟普通的
15、无刷直流电动机一样，而其定子却和普通的有刷直流机的转子极为相似，并能以 转子位置传感器及逻辑开关电路，使定子绕组依次换相。其优点是可在较大范围 内自然换向，充分提高了电机体积的利用率。再如:美国的工Y.Hung博士等人， 利用定子电流谐波的最优权重的设计方法，通过电流调节器等装置有效减少了电 磁转矩及齿槽引起的转矩波动.还有英国的Ys.Cen博士研制成功了无齿槽的无 刷直流电动机，其主要作用也是减少转矩波动，提高电机效率。1.2.2本文研究的主要内容（1）为了更好的研究无刷直流电动机的控制系统，本文将完成以下工作：（1） 以8位单片机为核心开发一套小型无刷直流电机的控制器。包括驱动板和主电路。
16、 在此控制器中，要求有转速监测、过电流、过电压等保护，此控制器考虑到经济 性能采用霍尔传感器反馈，功率开关器件采用MOSFET管。在控制性能要求不高的 情况下，此种方案经济实用。（2）用8位单片机或DSP为核心开发一套无刷直流电 机控制器.要求：转矩与输入电流呈线性关系。此控制器采用编码器反馈，功率 开关器件采用IGBT模块，并且有完善的保护功能:过流保护、过压、欠压保护、 过热保护、缺相保护、短路保护等。2无刷直流电动机的结构、工作原理2.1无刷直流电动机的基本组成部分2.1.1无刷直流电动机结构无刷直流电动机是机电一体化产品，其与传统意义上的电机的区别在在于没 有换向刷，用电子换向器来代替
17、机械换向装置的电机，其定子绕组结构跟一般的 感应电动机的区别不是很大，其主要组成部分包括：电机本椒定子和转子）、转子 位置传感器、控制器和逆变器件。具体示意图见图2.1所示。图2.1无刷直流电动机结构图2.1.2电动机本体无刷直流电机本体在结构上与永磁同步电动机相似，其定子绕组一般为多相 （三相、四相、五相不等），转子由永久磁钢按一定的极对数组成。图2. 1中的电 动机本体为三相两极结构，三相定子绕组与电子换向线路中相应的功率开关器件 连接，在图2.1中A相、B相、C相绕组分别与功率开关管vl、v2、v3相接.构成无 刷 直流电机转子的永久磁钥与永磁有刷电机中所使用的永久磁钥的作用相似， 都是
18、在电机的气隙中建立足够的磁场。其不同之处在于，无刷直流电机中永久磁 钢装在转子上，而有刷直流电机的磁钢装在定子上。永久磁钢目前多使用稀土永 磁材料，如钱铁硼（NdPeB）和衫钻（SmCo）等。由于转子磁钢的几何形状不同，使 得转子磁场在空间的分布可近似分为正弦波和方波（梯形波）两种。因此，当转子 旋转时，在定子上产生的反电动势也有两种形式，一种为正弦波形，另一种为方 波（梯形波）。习惯上将反电动势为正弦波电动机称为正弦型永磁同步电动机，而 方波（梯形波）电动机在原理和控制方式上基本与直流电动机类似，故称为无刷直 流电机（BLDCM）。2.1.3转子位传感器位置传感器在无刷直流电动机中起着测定转
19、子磁极位置的作用，为逻辑开关 电路提供正确的换相信号，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去 控制定子绕组换相。位置传感器种类很多，目前在无刷直流电动机常用的有电磁 式位置传感器、光电式传感器、磁敏式位置传感器和旋转变压器等。电磁式位 置传感器是利用电磁效应来测量转子位置，有开口变压器、铁磁谐振电路、接近 开关电路等多种类型。它具有输出信号大、工作可靠、寿命长、对环境要求小等 优点，但这种传感器体积较大，信噪比较低，同时其输出波形为交流，一般需要 经整流、滤波方可使用。光 电式 位 置传感器是利用光电效应，由跟随电机转 子一起旋转的遮光部分和固定不动的光源等部件组成，有绝对式编码器和增
20、量式 编码器之分。它具有定位精度高、价格便宜、易加工等特点，但对恶劣环境的适 应能力较差，输出信号需加整形电路处理。磁敏式位置传感器是利用某些半导体 敏感元件的电参数按一定规律随周围磁场变化而变化的原理制成。常见的类型有 霍尔元件、磁敏电阻和磁敏二极管等。一般说来，它对环境适应能力较强，输出 信号好，成本低廉，但精度不高。旋转变压器一般用在多相电机的控制中， 它可以输出多路位置信号，满足多相电机控制的要求，但安装不易，价格较昂贵， 普通的三相无刷直流电动机很少用旋转变压器.2.1.4控制芯片在无刷直流电动机的控制中，最早用模拟电路及分离式元件组成的电路来控 制电机，由于其控制电路复杂，且存在零
21、点漂移现象，稳定性不强。因此，逐步 被高级的数字控制方式所取代，这些高级的数控方式主要采用单片机或DSP控制。 近来随着电子器件工数字信号处理器是近年来迅猛发展的新一代数字微处理器， 随着价格的大幅度下降，逐渐进入运动控制领域以下简要介绍这几种控制芯。(l)单片机控制与复杂的模拟电路相比，单片机具有以下特点。 电路更简单，运算快，程序修改方便。模拟电路为了实现控制逻辑需要 许多电子分立元件，使电路复杂;采用微处理器后，绝大多数控制逻辑可以通过 软件实现。微处理器有更强的逻辑功能，运算速度快，精度高，有大容量的存储 单元，因此有能力实现复杂的控制，如优化控制等。另外单片机灵活性和适应性 强，微处
22、理器的控制方式是由软件完成的，如果需要修改控制规律，一般不必改 变芯片的硬件电路，只需修改程序即可，非常方便。 无零点漂移，控制精度高数字控制不会出现模拟电路中经常遇到的零点 漂移问题。 单片机有较强的控制功能、低廉的成本。人们在选择电动机控制器时， 常常是在满足功能的需要的同时，优先选择成本低的控制器。因此，单片机往往 成为优先选择的目标。从最近的统计数字也可以看出，世界上每年要有25亿片各 种单片机投入使用，单片机是目前世界使用量最大的微处理器。近些年来，随着微电子技术的发展，新一代的功能更齐全、运算更快的单 片机不断出现。 内部增加了很多模块，如PWM发生模块、比较和捕捉模块、A/D转换
23、模块、 看门狗、串行通讯接口、D/A转换模块、内部FLASH存储器甚至CAN通讯模块等， 大大减少了单片机的外围扩展和引脚，单片机的外形越来越小，但功能却大大增 强。 由于采用了流水线技术，执行指令和提取指令可同时完成，因此，新一 代的单片机比老一代的单片机速度快了数倍甚至几十倍以上。此外，采用了休眠 省电工作方式、纳瓦技术及3.3v供电，使得单片机的功耗降低，这对于移动设备 中电动机控制是相当有意义的。例如可以有效提高诸如数码摄像机、笔记本、电 脑等设备的不插电使用时间。(2) DPS控制数字信号处理器是近年来迅猛发展的新一代数字微处理器，随着价格的大幅 度下降，逐渐进入运动控制领域。美国T
24、l公司的C2000系列、AD公司的ADMC系列、 PIC公司的dsPIC系列，这些都是以DSP为内核的集成电动机控制嵌入式芯片。DSP 不但具有高速信号处理能力和数字控制功能，而且还具有电动机控制所必需的外 围功能。在电动机控制控制器种采用DSP，不但可以实现诸如矢量控制、直接转 矩控制等控制算法，而且也为现代控制理论及智能控制理论的实现提供了硬件条 件。(3) 高性能专用集成芯片随着IC技术的发展，模拟器件的集成度也越来越高，性能也越来越好。行 业专用模拟芯片由于其价格低廉，定制方便，因此大量使用在一些对控制性能要 求不是很高的场合。这些芯片满足基本的电动机调速及控制功能，价格比起数字 式芯
25、片又具有一定优势，因此，低端市场很大。2.1.5逆变器件逆变器件是换相的执行环节，从20世纪50年代普通的反向阻断型品闸管研发 出来后，随着电子技术和半导体制造工艺的发展，先后有GTR、GTO、MOSFET、IGBT、 IPM、IGCT等开始了应用。在逆变电路中，可供选择的器件有:CSR、CTO、GTR、MOSFET、IGBT等.其中， SCR为半控型器件，GTO、GTR、MOSFET、IGBT是全控型器件。GTR的应用，使电力 电子电路由半控型转为全控型，并在不同程度上克服了 SCR电路存在的缺点，因 而在中小功率领域中出现了CTR电路取代SCR电路的局面。和MOSFET相比较，GTR 具有
26、导通内阻低和阻断电压高的优点，但其输入特性却远逊于MOSFET。因为GTR 是一种电流控制型器件，其开通增益很低，这对大功率器件控制电路的电磁干扰 的消除、制作工艺和电能消耗都是沉重负担。此外，为了减低噪声，现代电源要 求器件以超音频工作。但在硬开关环境中，GIR的典型开关频率仅为5kHZ之，这 显然无法满足上述要求:与此相反，MOSFET是一种电压型器件，消耗的功率极低; 同时它又是一种高频器件，工作频率可达100kHz，完全能在超音频硬开关环境中 工作。但MOSFET管正常工作时，其工作在欧姆区，导通电阻比较大，单管容量有 限，一般只适用于电压较低、电流较小的小功率电路中。GTR和MOSF
27、ET的优缺点 具有明显的互补性，而IGBT的输入特性和开关频率与MOSFET相似，而输出特性和 开关容量则与GTR相似，实际上它是一种用MOS门控制的晶体管。但带来良好性能 的同时，IGBT管的价格也增加不少，比MOSFET管、GTO管高出很多。目前在小功率且工作电压较低的逆变控制器中，还是MOSFET管的市场占有率比较高。2.2无刷直流电动机的运行过程2.2.1运行过程分析(1)有刷直流电机由于电刷的换向，使得由永久磁钢产生的磁场与电枢绕组通电 后产生的磁场在电机运行过程中始终保持垂直从而产生最大转矩，使电机运转。 无刷直流电机的运行原理和有刷直流电机基本相同。无刷直流电机的运行还需依靠转子
28、位置传感器检测出转子的位置信号，通过 换相驱动与定子绕组连接的各功率开关管的导通与关断，从而控制定子绕组的通 电，在定子上产生旋转磁场，拖动转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断 地送出信号，改变定子绕组的通电状态，使得在同一磁极下的导体中的电流方向 不变。因此，就可产生恒定的转矩使一无刷直流电机运转转起来。无刷直流电机控制器主回路基本类型有三相半控和三相全控两种。三相半控 电路的特点是简单，一个功率开关控制一相的通断，每个绕组只通电1/3的时间， 另外2/3时间处于断开状态，没有得到充分的利用。所以我们采用三相全控式电 路。图2.2无刷电机示意图(2)无刷直流电动是机电一体化的产品，示意图
29、如图2.2所示。在三相无刷直流 电动机全控式电路的运行方式中，导通方式有很多种，最常见的有两两导通方式 和三三导通方式。因本文导通方式采用两两导通方式，所以从两两导通方式来说 明无刷直流电动机的运行方式。下面以三相两极无刷直流电动机为例来说明天漏业直流电动机运行原理，以无刷直流电动机的运行一周期六次换相为例。每 个磁极把空间分为6个空间，如图2.3所示。图2.3空间分布图在控制器换相状态中，一共有6个状态，100、110、010、011、001、101； 0表示霍尔元件的低电平状态，1表示霍尔元件的高电平状态。空间霍尔元件分布 如图2.4(a)所示。功率开关管导询须序为Ql、Q4- Q4、Q5
30、- Q5、Q2- Q2、Q3- Q3、 Q6- Q6、Ql - QI、Q4 循环导通。如图2 .4所示，三个霍尔元件传感器在空间的位置按相隔120电角度来 放置。当在图2.4(a)中时，转子磁极在0 60。电角度时，此时霍尔元件的反 馈信号是101，Hl霍尔元件传感器的反愤信号是1，H2、H3霍尔元件传感器反溃 信号是0、0;在此情况下，导通的功率开关器件为QI、Q4。当转子磁极转到60 120时，如图2.(4)b所示，对于3H霍尔元件传感器， 由于转子磁极的s极到达H3的位置时，H3反馈信号就从1变为0，而H2、Hl的反 馈信号不变，此时反馈信号是1 。.当反馈信号变为100时，导通的Qi功
31、率开关管的触发信号PWM就消失，QI管就关闭，同时Q5功率开关管就对应的PwM信 号触发信号触发开，导通的功率开关管就变为Q4、Q5.图2.4 (a)Hl图2.4 (b)当转子磁极转到120 -180时，如图2.4(c)所示，对于H2霍尔元件传感器，由 于转子磁极的N极到达H2的位置时，H2反馈信号就从0变为1，而Hl、H3的反馈 信号不变，此时反馈信号是110:当反馈信号变为110时，导通的Q4功率开关管的触发信号PWM就消失，Q4管就关闭，同时Q2功率开关管就对应的PWM信号触发信 号触发，导通的功率开关管就变为Q5、Q2。当转子磁极转到180 - 240时，如图2.(4)d所示，对于HI
32、霍尔元件传感器， 由于转子磁极的s极到达HI的位置时，皿反馈信号就从1变为0，而H2、H3的反馈 信号不变，此时反馈信号是010；当反馈信号变为010时，导通的Q5功率开关管的 触发信号P，PWM就消失，Q5管就关闭，同时Q3功率开关管就对应的PWM信号触发 信号触发，导通的功率开关管就变为Q2、Q3。图 2.4 (c)图 2.4 (d)当转子磁极转到240 -300。时，如图2.4(e)所示，对于3H霍尔元件传感器， 由于转子磁极的N极到达H3的位置时，跆反馈信号就从0变为1，而Hl、活的反馈 信号不变，此时反馈信号是011：当反馈信号变为011时，导通的Q2功率开关管的 触发信号PWM就消
33、失，Q2管就关闭，同时Q6功率开关管就对应的PWM信号触发信号 触发，导通的功率开关管就变为Q3、Q6。当转子磁极转到300360时，如图2.4(f)所示，对于H2霍尔元件传感器，由 于转子磁极的5极到达H2的位置时，H2反馈信号就从1变为0，而Hl、H3的反馈 信号不变，此时反馈信号是001。当反馈信号变为001时，导通的Q3功率开关管的 触发信号PWM就消失，Q3管就关闭，同时Ql功率开关管就对应的PWM信号触发信 号触发，导通的功率开关管就变为Q6、Ql。图 2.4 (e)图 2.4 (f)当转子磁极又转到360 -420即0 60。时，如图24(a)所示，对于Hl霍尔元件传感器，由于转
34、子磁极的s极又到达HI的位置时，由反馈信号就从0变为1,而H2、跆的反馈信号不变，此时反馈信号是101.当反馈信号变为101时，导通 的Q6功率开关管的触发信号PWM就消失，Q4管就关闭，同时Q4功率开关管就对应 的PWM信号触发信号触发，导通的功率开关管就变为Ql、Q4。如此循环反复，霍 尔元件传感器的导通顺序依此为101 - 100- 110- 010- 011 - 001 - 101，则其 对应的功率开关管导通的顺序依此为Q1、4Q - Q 4、Q5- Q5、Q2- Q2、 Q3 - Q3、Q6 - Q6、Q1 - Q1、4Q。如果是多极电机，霍尔元件传感器空间位置按照电角度来放置，即空
35、间位置 为相隔120电角度，如4极电机，空间相隔的角度为60的机械角度2.3无刷直流电动机主回路控制方式选择2.3.1主回路导通方式选择在选定主回路为三相桥式全控电路后，则三相Y接无刷直流电动机主回路导 通方式主要有两种，一种是两两导通方式，一种是三三导通方式。在两两导通时，每个时刻都有两个功率开关管导通，每隔60电角度换相一 次，每个功率开关管导通120电角度。如果认定流入绕组的电流产生的力矩方 向为正，则从另一个绕组流出的电流产生的力矩方向为负，则它们的合成力矩图 如图2.5所示。在三三导通时，每个时刻都有三个功率开关管导通，每隔60电角度换相 一次，每个功率开关管导通180电角度。如果认
36、定流入绕组的电流产生的力矩方 向为正，则从另一个绕组流出的电流产生的力矩方向为负，则它们的合成力矩图图 2.5 (a)图 2.5 （b）3基干专用芯片MC33033的无刷直流电动机控制器3.I MC33033芯片及外围电路简介3.1.1 MC33033芯片MC33033是MOTOROLA公司的第二代无刷直流电机器专用集成电路系列，外接 功率开关器件后，可用来控制三相、两相或四相无刷直流电机，还可以对有刷直 流电机进行控制;配合MC33039电子测速器作F/V转换，引入测速反馈后，还可构 成闭环速度调节控制器。MC33033无刷直流电动机控制专用集成电路，其主要组成部分包括:转子位 置传感器译码
37、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。MC33033采用24脚DIP封装，其引脚功能具体见表3.1，其原理图见图3.1 表3.I MC33033引脚定义表引1. 1, 34,r Ar G皿克hw购上三m财gut向& % &T菱平*籍嘉魅电甲9河419XM岫e*也由*号出oeEt出.岫时心etc耻TWW】乳30. 21TimWiM22W /I四时循平岫虾23表3.I MC33033引脚定义表图3.1 MC33033内部结构图3.1.2 MC33033功 能介绍(l) 转
38、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下三路下侧驱动输出。它一般可 接OC门输出的霍尔集成电路或光藕合电路等传感器。输入端4、5、6引脚都设有 提升电阻，输入电路与TTL电路兼容，门槛电压为2.2v。该集成电路适合于传感 器相位差为60、120、240、300四种情况的三相无漏吐直流电动机.三个 逻辑信号可产生8种逻辑组合，其中，001、010、011、100、101、110六种状态 表示转子在空间的六个位置。而000和111两种组合中，是无效组合。在这两种组 合中，即三个信号线开路或对地短路状态，此时14脚将输出故障信号。(2
39、) 制动信号：当加到23脚上的制动信号为高电平时，电动机进行布拗操作. 它使三个上侧驱动输出开路，下侧三个驱动输出为高电平，外接逆变桥的下三路 导通，使电动机三个绕组端对地短接，实现能耗制动。当加到23脚上的信号是低 电平时，经过一个非门(3) 误差放大器:该芯片内设有高性能、全辛隙的误差放大器。在作开环速 度控制时，一般将增益为1的电压跟随器，将12脚、13脚短接。(4) 锯齿波震荡器：内部震荡器震荡频率由外接定时元件口和衡决定。每个 震荡周期由基准电压巧在F经街向G冲电，然后肠上电荷通过内部一晶体管迅速放 电而形成锯齿波震荡信号。一般情况下，其震荡频率设定为20-30kHz。(5) 脉宽调
40、制器：由内部电路图可知，误差放大器与震荡器输出锯齿波信号 比较后，产生脉宽调制信号，控制三个下侧驱动输出。改变输出脉冲宽度，相当 于改变开关管的导通时间，从而改变加到电动机绕组上的平均电压，电动机转速 就发生改变。(6) 电流限制:在内部原理图中，100mv基准电压，作为电流限流基准。当9 脚输入电压超过100mvV时，则比较器翻转，使下端RS触发器重置，将使控制器关 闭，以限制电流继续增加。(7) 欠电压保护:在三种情况下，关闭驱动输出，本芯片Vcc电压不足、Vc 不足(典型值低于9.IV)，基准电压不足(典型值低于4.5V)，以保证芯片内部全部 工作正常和向下侧驱动输出提供足够的驱动电压。
41、另外，欠电压没有锁存功能， 电压恢复后，控制器会正常工作。在调试中，经常可以看见MC33033的故障灯会 经常闪烁，就是此原因。(8) 故障信号输出：14脚是故障输出信号脚，它是OC门输出，可夕港LED作故 障显示。当有不正常的位置传感器输入状态、过电流输入、欠电压、芯片过热、 使能端为低电平时，14脚则为低电平。(9) 驱 动 输出：1、2、24脚是OC门输出，驱动上三路开关管，在实际应用 中，需要外加上拉电阻，吸入电流能力为500mA，耐压为40V:19、20、21为下三 路驱动输出，输出是推挽输出，内部带有+12V电源，可直接驱动下三路驱动开关3.1.3 电子测速器MC33039MC33
42、039是利用三相无刷直流电动机转子位置传感器三个输出信号，经过F/V变 换成正比于电动机转速的电压。其中，1、2、3脚是带有低压限位的施密特触发 器输入的输入信号接收引脚。5脚输出的信号，其直流分量与转速成正比.3.1.4 MC33033和MC33039方案说明一般来说MC33033和MC33039方案食用于工业用电机中电机负荷比较恒定的 地方，对于电动汽车等负荷变化较大的应用场合，最好使用单片机为主控的方案。4 一款无刷直流电动机控制器设计方案在此，我以一款8位单片机为主控的48V500W直流无刷电机控制器为列来实现 我的设计。该方案电路图请参见附录。方案主要分为两大部分，CPU主控及控制信
43、号输入以及功率器件的输出驱动。 输入信号包括电压采样信号、电流反馈信号、过流中断信号、启动控制信号、刹 车控制信号、电机位置信号等。输出主要为功率管控制信号及必要的指示信号等。4. 1工作原理(1) 电压采样信号：电源电压48V经R19和R21分压，得到一个小于5V得电压 信号输出CPU，CPU定时对其采样，从而获得当前实时得电源电压信号，可以实现 欠压保护等功能。(2) 电流反馈信号：电流反馈信号通过电流流过争康铜丝KT1和KT2在其上产生 压降，并经过LM358运算放大器放大后送入CPU，CPU定时对其采样从而间接获得 当前电流大小，实现电流的最大限流控制。(3) 过流中断信号：金康铜丝K
44、T1和KT2上获取的电压信号送到LM358比较起，当 电压超过设定值时，LM358输出低电平，通知CPU现在电流已严重超限，必须立即 停止电流输出，从而保护MOSFET开关管不致损坏。(4) 启动控制信号：电机的启动和停止依赖于该信号的大小。其输入先经过 R12和C5滤波，再输入到CPU进行实时采样，当其电压超过门限值时，电机便启动， 低于门限值时电机便停止CPU将根据其大小和当前电流采样值来设定PWM脉宽的 占空比列，间接控制电机的输出功率。(5) 刹车控制信号：刹车信号分为高电平刹车和低电平刹车，低电平刹车输出 经过D1二极管隔离后直接输入CPU,高电平刹车经Q22三极管反向后输入CPU。
45、当电 机运行期间，如果CPU接收到刹车信号(低电平)，CPU将停止MOSFET功率管的输出， 停止电机。(6) 电机位置信号：电机位置信号共有三路，经由电阻R1/2/3、R90/1/2和 C1/2/3滤波处理后输入CPU,CPU同时实时采样三路位置信号以获取当前电机所处 位置，并根据其组合控制三个MOSFET输出桥的通断，实现电机相间的换流控制。(7) 功率管控制信号：当电机运行时，CPU根据电机位置信号决定哪两只 MOSFET工作，无论如何，处于同一个桥臂的上下两个MOSFET不能同时开通，否则 将导致48V电源直接对地短路。驱动电路由Q1Q18极其相关元气件组成，分位三个桥臂，每个桥臂又分
46、上下 桥臂。上桥臂由高电平驱动，下桥臂由低电平驱动。以U相桥臂来说明其工作原理。首先，CPU输出的PWM脉冲信号，经过U2重新分 配输出到上桥臂驱动，当U2相应引脚输出为高电平时,Q 1导通，从而Q2导通，15V电 压输送到MOSFET M1的删极，使其导通，此时Q3截止不工作；当U2相应引脚输出为 低电平时,Q1截止，从而Q2截止,Q3导通，将MOSFET M1的删极电容和C2 0电容上电 荷释放，MOSFET M1截止，停止输出。下管的驱动直接来自于CPU，当CPU相应引脚 输出为低电平时，Q4导通，从而Q5导通，15V电压输送到MOSFET M2的删极，使其导 通，此时Q6截止不工作；当
47、CPU相应引脚输出为高电平时,Q4截止，从而Q5截止,Q6 导通，将MOSFET M2的删极电容和C21电容上电荷释放，MOSFET M2截止，停止输出。其他两相工作原理分析与上一致。(8) 指示信号：方案中还设有一个运行指示灯，其功能是指示当前系统地运 行状态，以便我们更清楚系统地运行状况。指示灯指示以闪烁频率和闪烁次数来 区分不同的工作或故障状态。一般设计有1020中工作状态指示。4. 2功率开关管的选取(l) MOSFET具有工作频率高(几十千赫至几百千赫，低压管可达兆赫)，开关 损耗很小，安全工作区宽，几乎不存在二次击穿问题，漏极电流为负温度特性(易 并联)，输入阻抗大，是电压控制自关断的器件，但由于其导通电阻与U成正比， 随着电压的增加，开关管上的压降会成2.5次方上升，损耗的功率就会非常大， 这就限制了MOSFET管在高频大功率中的应用。另外，MOSFET在超过100V时电流 较小，不适合大功率状况下使用。(2) IGBT具有MOS和双极型器件的突出优点，可以实现高压、大电流的应用， 一般情况下其最大工作频率为20k妇比左右，价格较贵。单其承压一般在600V全 1200V，最大电流可达数百安培，所以，在高压和大功率场合比较适用。(3) IPM是在IGBT的基
