交流伺服电机驱动控制器单元电路的设计分析

图 ２ Ｍ Ｃ ３３０３５ 管脚连接图
２ 保护电路
２．１ 电路图 保护电路的电路图如图 ３ 所示。
２．２ 工作原理 当 ＬＭ ３５８ 的 ３ 脚接通 ３６ Ｖ 电源时，经内部电
压比较器比较，在 １ 脚输出高电平使二极管 Ｄ １０ 截 止，这样 Ｍ Ｃ ３３０３５ 的 ７ 脚悬空，Ｍ Ｃ ３３０３５ 内部有上 拉的电流源使该端内部悬高，输出驱动电路正常工 作。当 ＬＭ ３５８ 的 ３ 脚断开电源时，经内部电压比较 器比较，在 １ 脚输出低电平，使二极管 Ｄ １０ 导通， Ｍ Ｃ ３３０３５ 的 ７ 脚相当于接地，３ 个高端驱动输出被 切断，３ 个低端驱动输出强制为低电平状态，此时电 动机因失去激励而停车。这样如果电源发生故障时， 通过此保护电路系统就可以控制电动机的启停，从
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动输出将关闭，并将底部驱动强制为低，从而使电动 机停转。 １．３ 控制芯片的选择
直流电机集成控制芯片选择 Ｍ Ｃ ３３０３５，Ｍ Ｃ ３３０３５ 是 Ｏ Ｎ Ｓｅｍ ｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ（安森美半导体）公司的高性能 第二代单片无刷直流电动机控制器，包含实现一个 全性能三相或四相电动机开环控制系统所需的全部 功能。Ｍ Ｃ ３３０３５ 设计用于传感器电气相位为 ６０° ／３００°或 １２０°／２４０°的无刷直流电动机运行，也可 有效地控制有刷直流电动机，工作电压为 １０～３０ Ｖ， 它有 ２ 种封装方式：ＳＯ ＩＣ －２４（Ｍ Ｃ ３３０３５Ｄ Ｗ ），ＰＤ ＩＰ－２４ （Ｍ Ｃ ３３０３５Ｐ）。 该 集 成 电 路 的 典 型 控 制 功 能 包 括 ＰＷ Ｍ 开环速度控制，使能控制（起动或停止），正反转 控制和能耗制动控制，适当加上一些外围元件，可实现 软起动。Ｍ Ｃ ３３０３５ 的管脚连接图如图 ２ 所示。
本设计选用的功率开关器件是由美国 ＴｒａｎｓｆｅｒＡ － ｇｅｎｔａｎｄ Ｒ ｅｇｓｉｔｒａｒ公司所生产的 Ｐｏｗ ｅｒＭ Ｏ ＳＦＥ Ｔ，型号
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图 ６ ＩＲ ２１０３ 管脚连接图
４结语
本文大体上完成了对电机驱动控制器的整体设 计，以 Ｍ Ｃ ３３０３５ 芯片为核心，其控制功能强，工作稳 定，抗干扰能力强，当然弊端也很多，个别电路芯片 的保护措施不太完善，希望将来能够得到圆满的解 决。随着节电环境意识的不断增强，此款电机将赢得 更为广阔的发展空间和获得广泛的应用，这款驱动 器必将具有更为广阔的价值和发展空间。同时，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。采用 Ｄ ＳＰ 实现无位置传感 器控制成为研究的重点，低成本 Ｄ ＳＰ 无位置传感器 交流伺服电机，将成为交流伺服电动机的发展方向。
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆｔｈｅ Ａ Ｃ ｓｅｒｖｏ ｍ ｏｔｏｒ－ｄｒｉｖｅｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｗ ｈｉｃｈ ｉｓ ｍ ａｄｅ ｏｆｓｐｅ－ ｃｉａｌ－ｐｕｒｐｏｓｅ ｃｏｎｔｒｏｌｃｈｉｐ Ｍ Ｃ ３３０３５ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆｍ ａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔｓ，ｔｈｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｏｆｐｏｗ ｅｒ ｓｅｍ ｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ． Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ａｃｔｕａｔｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｓ ｂｉｇ， ｃａｎ ｔｈｅ ｐｒｏ ａｎｄ ｃｏｎ ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ， ｏｐｅｎ ｓｔｏｐｓ ｆｒｅｅｌｙ．Ａ ｎｄ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｗ ｈｉｃｈ ａｒｅ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓｉｍ ｐｌｙ，ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍ ａｎｃｅ ｆｉｎｅ，ｔｈｅ ａｄ－ ｊｕｓｔｍ ｅｎｔ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ， ｔｈｅ ｐｏｗ ｅｒ ｓｏｕｒｃｅ ｓｏｌｅ ｓｉｍ ｐｌｅ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ， ｃｏｍ ｐａｒｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｉｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓａｍ ｅ ｐｅｒｆｏｒ－ ｍ ａｎｃｅ ｅｘｃｈａｎｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｃｕｒｒｅｎｔｍ ａｃｈｉｎｅ ａｌｓｏ ｗ ａｎｔｓ ｔｏ ｂｅ ｃｈｅａｐ ｍ ｏｒｅ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｔａｉｌｓ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔａｎｄ ｔｈｅ ｗ ｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄ：Ａ Ｃ Ｓｅｒｖｏ；ｄｒｉｖｅ；ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
12工作原理从电机转子位置检测器送来的三相位置检测信号abc送入mc33035经芯片内部译码电路结合正反转控制起停控制制动控制电流检测等控制逻辑信号的状态经运算后产生三相驱动电路上下桥臂开关器件共6路控制信号其中三相上桥臂高端控制信号用于完成电机的换向控制三相下桥臂低端控制信号为pwm脉冲通过脉宽调制实现调速功能
图 ４ ＬＭ ３５８ 管脚连接图
３ 驱动电路
３．１ 电路图 驱动电路图如图 ５ 所示。
３．２ 工作原理 驱动电路由功率半导体驱动专用芯片 ＩＲ ２１０３、
功率开关器件 ＩＲ Ｆ２８０７、晶体管 ８０５０、８５５０ 等组成。 可靠支持 １５ Ａ 的驱动电流和最大 ３５ Ｖ Ｄ Ｃ 的驱动电 压，即系统能够可靠驱动功率小于 ４５０ Ｗ 的直流电 机。由于设计驱动的为三相电机，因此需三片
由 ８０５５ 与 ８０５０ 组成的互补功率放大电路，是 用来输出连续的驱动信号。
此驱动电路中的 Ｄ １ 起保护作用，用来保护芯片 ＩＲ ２１０３ 不会产生的负电压而受到损坏，同时也起到 隔离 Ｖ ｃｃ、Ｖ Ｂ 两脚电位的作用。Ｃ １ 起到了滤波去耦 的作用。
为 ＩＲ Ｆ２８０７。其耐电压值为 ７５Ｖ ，耐电流值为 ８２Ａ（室 温 ２５℃），其中续流二极管分别寄生在这些功率场效应 管里，用来作续流用，完全符合实验系统的要求。
图 ３ 保护电路
２．３ 元器件的选择 运算放大器选用 ＬＭ ３５８，ＬＭ ３５８ 内部包括 ２ 个
独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适 合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双 电源工作模式，在推荐工作条件下，电源电流与电源 电压无关。ＬＭ ３５８ 的封装形式有塑封 ８ 引线双列直 插式和贴片式，其引脚图如图 ４ 所示。
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பைடு நூலகம்
ＩＲ ２１０３ 来驱动电机的每一相，又由于电机所需的驱 动电流较大，因此需两片 ＩＲ ２８０７ 并联来满足电机电 流需求。
由控制电路输出的控制信号经过 ＩＲ ２１０３ 处理 后，产生的输出信号用来驱动功率开关器件，使之导 通或截止，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。当电机转子转动到霍尔传 感器感应出另一组信号的位置时，通过控制电路输 出的信号，经处理后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系 统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。
图 １ 控制电路
Ｍ Ｃ ３３０３５ 交流伺服电机控制器正向 ／反向输出 可通过翻转定子绕组上的电压来改变电机转向。当输 入状态改变时，指定传感器输入编码将从高电平变为 低电平，从而改变整流时序，使电机改变旋转方向。
电机通 ／断控制可由输出使能来控制，当该管 脚开路时，连接到正电源的内置上拉电阻将会启动 顶部和底部驱动输出时序。而当该脚接地时，顶端驱
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图 ５ 驱动电路
３．３ 元器件的选择 功率半导体驱动专用集成芯片选用 ＩＲ ２１０３，
ＩＲ ２１０３ 是高压高速功率 Ｍ Ｏ ＳＦＥ Ｔ 和 ＩＧ Ｂ Ｔ 驱动器， 有独立的高边和低边输出通道，逻辑输入与标准 Ｃ Ｍ Ｏ Ｓ 或 ＬＳＴＴＬ 输出兼容。输出驱动器是一个高脉冲 电流缓冲级，用于最小驱动器交叉导通。用浮动通道 驱动一个 Ｎ 沟功率 Ｍ Ｏ ＳＦＥ Ｔ 或 ＩＧ Ｂ Ｔ，在高边结构中 工作电压可达 ６００Ｖ 。ＩＲ ２１０３ 的引脚图如图 ６ 所示。
防止霍尔信号受干扰，在其三个输入端可加去耦电 容，以降低干扰，增加系统稳定性。
１ 控制电路
１．１ 电路图 控制电路的电路图如图 １ 所示。
１．２ 工作原理 从电机转子位置检测器送来的三相位置检测信
号 Ａ 、Ｂ 、Ｃ 送入 Ｍ Ｃ ３３０３５，经芯片内部译码电路结合 正反转控制、起停控制、制动控制、电流检测等控制 逻辑信号的状态，经运算后，产生三相驱动电路上、 下桥臂开关器件共 ６ 路控制信号，其中三相上桥臂 （高端）控制信号用于完成电机的换向控制，三相下 桥臂（低端）控制信号为 ＰＷ Ｍ 脉冲，通过脉宽调制实 现调速功能。上、下桥臂协调工作产生电机正常驱动 所需的三相方波电压。为防止上、下桥臂出现短路， 芯片内的逻辑电路对驱动信号时序进行了控制，避 免三相桥式电路上下桥臂出现同时导通的危险。为
近年来，随着人类生活水平不断提高，环境保护 越来越引起人们重视，加上能源日趋紧张，没有污染 的绿色环保型交流伺服电机驱动的各种电动车或电 动驱动机械，已被人们越来越广泛地应用，在农业机 械设计中也大量应用交流伺服电机驱动。如今，一个 驱动电源就可驱动三相 ６ 个开关管，从而大大简化 了外围电路尤其是驱动电路的设计，驱动控制器电 路的设计过程如下。
而起到保护芯片的作用。 同时因为 ＬＭ ３５８ 为双运算放大器，其 ５ 脚的输
入电压由电机集成控制芯片 Ｍ Ｃ ３３０３５ 的 ８ 脚输出 的基准电压提供，只要芯片正常工作，其 ７ 脚始终输 出高电平，二极管 Ｄ ９ 也一直处于截止状态，使电机 驱动电路正常工作。一旦芯片的 ８ 脚输出电压出现 故障，则 Ｄ ９ 导通，电机停车，保护芯片。
第 ３４ 卷第 ３ 期 ２００８ 年 ６ 月
农业装备技术 Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖｏｌ．３４ №．３ Ｊｕｎ． ２００８
交流伺服电机驱动控制器单元电路的设计分析
高菊玲 （江苏农林职业技术学院机电系）
摘 要：介绍了以专用控制芯片 Ｍ Ｃ ３３０３５ 为核心构成交流伺服电机驱动控制器的设计过程和特 点，并详细介绍了该系统控制电路、保护电路、驱动电路的工作原理和电路设计及元器件选择情况。 关键词：交流伺服；驱动；控制器