MC33035DWR2G在直流无刷电机控制中的方案应用

        随着石油能源的日趋紧张以及人们环保意识的增强， 电动助力车越来越受欢迎。 永磁直流无刷电机是成熟的一种新型机电一体化电机， 既具有交流伺服电机的结构简单、 运行可靠、 维护方便等优点， 又具备直流伺服电机那样良好的调速特性而无机械式换向器，现已广泛应用于各种调速驱动场合。 MOTOROLA第二代电机控制专用芯片的出现， 给永磁直流无刷电机调速装置的设计带来了极大的便利。 这些芯片控制功能强， 保护功能完善， 工作性能稳定，组成的系统所需外围电路简单， 抗干扰能力强， 特别适用于工作环境恶劣， 对控制器体积， 价格性能比要求较高的场合。

1 无刷电机的基本原理

       直流无刷电机在原理上是一种介于交流和直流电机之间的电机。 这种电机的定子绕组与交流同步和异步电机的定子绕组是相同的。 但是， 它与交流电机的区别在于它的励磁电压是单一直流电压， 它是把直流电压通过电机内部设置的霍尔位置传感器转换成相位互差120° 角的直流脉冲， 对各相绕组交替励磁， 进而在电机的定子铁心的内部形成一个步进式的旋转磁场， 驱动永磁转子同步运行。 所以这种电机在结构上与永磁交流同步电机几乎相同， 只不过多了一个霍尔位置传感器。无刷电机既然是使用直流电源， 它与直流电机最大的区别是： 它没有直流电机所必需的电刷和整流子组成的换向装置， 它只有装在电机转轴上的霍尔位置传感器。 根据电机转子磁极与定子绕组的全数字矢量控制方案。 并利用TMS320LF2407A的内嵌CAN模块设计了与整车其它部分的通讯。在整车台架试验中， 试验数据和波形验证了硬件电路和软件控制算法的正确性。

       极面所对应的瞬态位置， 确定定子绕组通电的时间， 按相序交替励磁产生电机运行所必须的旋转磁场。 可见， 直流无刷电机具备了结构简单、 性能优良、 调节方便、 电源单一简单等特点， 在价格上与同性能的交流和直流电机相比也要便宜许多，正是因为有如此多的优良特性， 无刷电机在伺服系统中越来越广泛地被采用。

       MC33035DWR2G、 MC33039DR2G都是高集成度的电子芯片， 因而基于它的三相直流无刷电机控制系统具有电路简单， 抗干扰性强， 可靠性高， 稳定性好等优点。

2 控制器结构与原理

       MC33035DWR2G加上1片MC33039DR2G电子测速器， 将直流无刷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， 就可驱动三相永磁直流无刷电机， 控制器电路构成， 如图1所示。

       从电机转子位置检测器送来的三相位置检测信号（SA、 SB、 SC） 一方面送入MC33035DWR2G，经芯片内部译码电路结合正反转控制端、 起停控制端、 制动控制端、 电流检测端等控制逻辑信号状态， 经过运算后， 产生逆变器三相上、下桥臂开关器件的6路原始控制信号， 其中， 三相下桥开关信号还要按直流无刷电机调速机理进行脉宽调制处理。 处理后的三相下桥PWM控制信号（Ar、 Br、Cr） 经过驱动电路整形、 放大后， 施加到逆变器的6个开关管上， 使其产生出供电机正常运行所需的三相方波交流电流。

       另一方面， 转子位置检测信号还送入MC33039DR2G经F/V转换， 得到一个频率与电机转速成正比的脉冲信号FB。 FB通过简单的阻容网络滤波后形成转速反馈信号， 利用MC33035DWR2G中的误差放大器即可构成一个简单的P调节器， 实现电机转速的闭环控制， 以提高电机的机械特性硬度。 实际应用中， 还可外接各种PI、 PD调节电路， 以实现更为复杂的闭环调节控制。

3 芯片功能

3.1 MC33035结构组成及功能

       其主要组成部分包括： 转子位置传感器、 译码电路、 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和限流电路。

       该集成电路的典型控制功能包括PWM开环速度控制、 功能控制（ 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。

3.2 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。

       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6种不同位置状态。 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功能端来实现。 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上的制动信号为高时， 电动机进行制动操作。 它使3个上侧驱动输出开路， 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， 其逻辑关系表， 如表1所示。

3.3 脉宽调制器

       除非由于过电流或故障状态使6个驱动输出端闭锁， 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， 相当于改变供给绕组的平均电压， 从而控制转速和转矩。 脉宽调制时序图， 如图3。

4 试验及其结果分析

       试验中选用的电机是三相6极电机， 在该闭环速度控制系统中， 用3个霍尔元件作转子位置传感器， 用MC33035DWR2G的脚8参考电压作为它们的电源。电机在电源驱动下的波形， 如图4、 5所示。

       两图中的上侧曲线均为传感器输出的S B ， 图4的下侧曲线为S C ， 图5的下侧曲线为S A ， 对照可知，实验输出与理论计算相符。

       测量电流波形时， 首先将一驱动电动机逆变器的主回路引出， 在电线上装置电流传感器， 再接入一个5Ω的测量电阻后接地。 然后以示波器测量电流传感器的电流， 即流经电阻的波形， 也即电机电流波形， 如图6所示。

       可见， 图5中的波形并不与理论值相符， 只是在周期内的分布有点相同， 但波形上区别较大， 这是由于电机处于空载运行所致。 因为在实验中， 电机运行在空载状态下， 逆变器的每一次换相， 带来的冲击电流大于满载状态时， 没有负载消耗平缓电流的波动。

5 结束语

       文中所设计的直流无刷电机驱动器经实验室测试与现场试用， 达到了设计要求的功能与技术要求， 获得了满意的实验运行结果。 该驱动器具有简单、 可靠、 体积小的特点， 尤其是配合MMC33039DR2G构成转速闭环控制后， 调速性能非常优异。 MC33035DWR2G不仅能很好地控制三相六步直流无刷电机， 只要对外围电路稍加改动， 还可以很好地控制四相四步电机和有刷直流电机。