小功率无刷直流电动机..

摘要介绍以专用控制芯片MC33035、MC33039为核心构成的家用传动装置中永磁无刷直流电机控制器设计，无刷直流电机一般是小型的电机一般采用L298N驱动，他一般可以同时驱动两电机，如果担心驱动不够就可以采用两个L298N。

其内部原理是采用H桥式差动放大。

L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。

是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，主要涉及核心控制电路的构成，功率开关元件的驱动。

实现以敏感元件（霍尔元件）为速度反馈电路的双闭环无级调速系统驱动。

关键词：无刷直流电机；专用控制芯片；控制器；功率开关元件；设计AbstractThis paper investigated the design of the permanent magnet brushness DC (PMBLDC) motor controller applying the special integ rated circuits for service of driver for home , including the construction of main control circuits , the driving of power se miconductor. It actives to control driver of double close –lo op no-grade speed –controlled system by magnetically activated integrated circuits (hall effect switches) .Key words : PMBLDC motor ;special integrated circuits; controller ; driving of power –semiconductor ; design第一章绪论1.1 对小功率无刷直流电机的认识一种用电子换向的小功率直流电动机。

又称无换向器电动机、无整流子直流电动机。

它是用半导体逆变器取代一般直流电动机中的机械换向器，构成没有换向器的直流电动机。

这种电机结构简单，运行可靠，没有火花，电磁噪声低，广泛应用于现代生产设备、仪器仪表、计算机外围设备和高级家用电器。

无刷直流电动机由同步电动机和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。

同步电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。

而转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。

驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。

无刷直流电动机由一台同步电机、一组转子位置检测器和一套受位置检测器控制的自控式逆变器组成。

中小型电机的逆变器一般由晶体管组成；大型电机的逆变器通常采用晶闸管构成,称为晶闸管电动机。

置(例如90°或120°电角度),位置检测器便产生相应的信号，作用于对应的半导体元件，使相应的相绕组通电，产生转矩。

电动机转子每转过一对磁极，各半导体元件轮流导通一周，逆变器输出的交流电相应地变化一个周期。

所以自控式逆变器的输出频率和电动机的转速始终保持同步，不会出现失步现象。

在小型无刷直流电动机中，逆变器由晶体管组成。

由于晶体管具有自关断能力，只要其基极上的控制信号消失，晶体管就自行关断，所以控制比较简单。

在容量较大的无刷直流电机中，逆变器由晶闸管组成。

晶闸管没有自关断能力，不能靠除去触发信号使其关断。

所以当一相电流需要截止，让另一相通电时，如何关断原先导通的晶闸管，把电流转移到新的一相晶闸管，即晶闸管之间的换流问题是晶闸管电机的技术关键。

1.2 本课题的研究意义实用性新型无刷电机是与电子技术、微电子技术、数字技术、自控技术以及材料科学等发展紧密联系的。

它不仅限于交直流领域，还涉及电动、发电的能量转换和信号传感等领域。

在电机领域中新型无刷电机的品种是较多的，但性能优良的无刷电机因受到价格的限制，其应用还不十分广泛。

下面分别就主要的新型无刷电机进行探索与研究。

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，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。

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、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。

1.3 课题的研究目的本课题主要介绍以MC33035为核心构成的无刷直流电动机控制器的设计，主要涉及核心控制电路的构成，IR2103的驱动，调速电路的实现，保证系统运行可靠性的抗干扰等方面的内容。

从而研究出高精度的人工心脏叶轮血泵。

1.4 无刷直流电机的发展永磁直流无刷电动机是近年来迅速成长起来的新型机电一体化电机。

该电机由定子，转子和转子位置检测元件霍尔传感器等组成，既具有交流电机结构简单，运行可靠，维护方便方便等特点，又具有直流电机的良好调速性，并且无机械式换向器，现在广泛应用于各种场合。

无刷直流电动机因其体积小，转矩高，可靠性高，维护方便等优点，在自动家用设备中得到广泛的应用。

以前没有一个专用芯片对霍尔传感器检测出的位置信号进行译码，它本身更不具备过流，过热，欠压，正反转选择等辅助功能，因而设计者最初采用分立元件组成的庞大的模拟电路来对它进行控制，使得系统的设计，调试变得相当复杂，而且要占用很大的电路板，有时候与把控制器内嵌到电机内部的要求相矛盾。

电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。

电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。

驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。

由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会象变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。

中小容量的无刷直流电动机的永磁体，现在多采用高磁能积的稀土钕铁硼（Nd-Fe-B）材料。

因此，稀土永磁无刷电动机的体积比同容量三相异步电动机缩小了一个机座号。

近三十年来针对异步电动机变频调速的研究，归根到底是在寻找控制异步电动机转矩的方法，稀土永磁无刷直流电动机必将以其宽调速、小体积、高效率和稳态转速误差小等特点在调速领域显现优势。

第二章课题设计的技术原理和设计思路ML4428是美国Micro Linear公司生产的一种新型电动机控制专用集路。

适合于三角形或星形联结三相无位置传感器无刷直流电机全渡桥式驱动控制。

该集成电路内含有两个专利技术，即新颖的电机起动技术和采用锁相环的反电势控制换相技术。

该IC还内置了线性与PWM模式转速闭环控制及关断时间固定的PWM 电机电流限制控制。

简单的正反转和制动控制，对与电机换相信号频率相同的VCO输出信号进行处理可测得电机转速，对电动机的限制是要求电动机旋转时定子绕组电感有30％的变化率。

因此ML4428芯片在微型电动机领域有广泛应用。

2.1 控制器结构MC33035 是 MOTORLORA 公司研制的第二代无刷直流电机控制专用集成电路，加上1片 MC3309 电子测速器将无刷直流电动机的转子位置信号进行 F/V 转换，形成转速反馈信号，即可构成转速闭环调节系统。

外接 6 个功率开关器件组成三相逆变器，就可驱动三相永磁无刷直流电机，控制器电路构成，如图 1 所示，图中 S1 控制电机转向，S2 控制系统起停，S3 选择系统开环或闭环运行，S4 控制系统制动，S5 选择转子位置检测信号为 60°或 120°方式，S6 控制系统的复位。

电位器 RP1 用以设定所需电机转速，发光二板管 L1 用作故障指示，当出现不正常的位置检测信号、主电路过流、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）、芯片内部过热、起停端低电平时，L1发光报警，同时自动封锁系统。