无刷直流电机控制器的综述【文献综述】

文献综述
电气工程及自动化
无刷直流电机控制器的综述
摘要：实现由专用集成芯片及外围电路构成的一种体积小、结构紧凑、调试方便的无刷
直流电机控制器，实现电机的正反转，并分析了各部分的电路结构。

关键词: MC33035; MC33039;无刷直流电机;控制器;
1引言
无刷直流电机是随着大功率开关器件、专用集成电路、稀有永磁材料、微机、新型控制理论及电机理论的发展而迅速发展起来的一种新型电动机，它比交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流电动机运行效率高、无励磁损耗、调速性能好等特点，因此在当今国民经济的各个领域(如医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺以及家用电器等方面) 的应用日益普及。

2无刷电机的控制结构及原理
所谓无刷直流电动机是利用半导体开关电路和位置传感器代替电刷和换向器的直流电动机，也就是，它是把电刷与换向器的机械整流变换为霍尔元件与半导体功率开关元件的电子整流。

无刷直流电机由转子和定子两部分组成，转子用永磁材料制成，构成永磁磁极，定子由绕组和铁芯组成，定子铁芯由导磁硅铁片迭压而成，其周上均匀分布的槽中嵌放有很多相电枢绕组。

直流无刷驱动器包括电源部及控制部：电源部提供三相电源给电机，控制部分需要转换输入电源频率。

图一
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用换流器将直流
电压转换成3 相电压来驱动电机，换流器一般由6个功率晶体管分为上臂(A+、B+、C+)臂(A-、B-、C-）连接电机作为控制流经电机线圈的开关。

控制部则提供PWM(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器换相的时机。

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作为之闭回路控制，同时也作为相序控制的依据。

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（图二）inverter 中之AH、BH、CH(这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。

图二
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。

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)。

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。

3 专用控制芯片简介
MC33035是一个采用24脚封装的双列直插式集成电路，是高性能的单片直流无刷电机控制系列芯片之一，它内部具备实现一个有限特征、开环、三相或四相电动机控制系统所需要的全部功能，采用双极性模拟工艺制造，可在任何恶劣的工业环境条件下保证高品质和高稳定性。

图三
用3个霍尔集成电路作为转子位置传感器, 信号经4、5、6 脚输入MC33035, 由译码电路转换为6路驱动输出, 3路上侧驱动输出为1、2、24 脚, 下侧驱动输出为19、20、21引脚。

另外, 用8脚参考电压作为它们的电源, 由3脚逻辑电平来确定电动机转向, 电机的起动停止是由7 脚使能端实现, 23 脚为高电平时,电机进行制动操作, 由22脚进行传感相位差的选择。

电子测速器件MC33039
MC33039是一个8脚双列直插窄式集成电路块，是为无刷直流电动机闭环速度控制专门设计的集
成电路，采用MC33039，系统不必再使用较高价格的电磁式或光电式测速机，就可实现精确的调速控制，直接利用三相无刷直流电动机转子位置传感器的三个输出信号，并经F/V将其变换成正比于电动机转速的电压。

1、2、3脚直接利用电机转子位置传感器3个输出信号, 经变换后形成与电机转速相关的信号从5脚输出。

图四
三相逆变桥功率模块MPM3003
MPM3003是一种三相逆变桥功率模块，包括三个P沟道和三个N沟道功率MOSFET。

MPM3003采用12脚塑料封装，其内部集成了6个MOSFET。

4 电机正反转功能的实现
无刷直流电机不能简单地通过改变绕组连接或逻辑输出信号的相序来实现电动机的反转，当电动机需要正反转时，应采用可逆换相控制，即控制电路中包括正、反向两组换相逻辑。

在正向逻辑中，每相位置传感器超前该相绕组的电角度60°，开通角θ为30°电角度，即霍尔信号滞后相反电动势过零点30°电角度开关动作。

当转子反转时，霍尔信号滞后变为了超前相反电动势过零点30°电角度，同时三组霍尔信号的相序也发生了变化，上桥臂功率管的驱动信号与正向逻辑时的下桥臂功率管的驱动信号相一致；而下桥臂功率管的驱动信号与正向逻辑时上桥臂功率管的驱动信号相一
致。

两相导通状态图
5结论
MC33035 可方便地用来控制无刷直流电动机，其外围电路简单，控制功能强，保护功能完善；易于调试，通用性好且成本低。

它不仅可控制无刷直流电动机，也可以用于有刷直流电动机的控制驱动，并保持全面的控制功能。

对于更高电压的功率驱动，可通过电平转换驱动电路实现。

特别是MC33035 还具有工业级应用温度范围，用于工作环境恶劣，对控制器体积、性价比要求较高的场合，已广泛用于各种调速驱动场合，毫无疑问，其应用前景将是十分广阔的！
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