（微电子学与固体电子学专业论文）无刷直流电机控制器的设计研究.pdf

摘要 摘要 无刷直流电机具有结构简单、性能优良、调节方便、电源单一、价格便宜等 特点。随着电力电子技术、专用集成电路的迅猛发展，无刷直流电机越来越多地 应用于国民经济生活的各个领域中，显示出了广泛的应用前景。 m c 3 3 0 3 5 是安森美公司第二代高性能无刷直流电机控制用的专用芯片。采用双 极型工艺制造。芯片内包含有误差信号放大器、p w m 脉冲调制放大器、频率可编程 的锯齿波振荡器、3 个集电极开路顶端驱动输出和3 个非常适用于驱动功率场效应 管( m o s f e t ) 的大电流图腾柱式底部输出器。它还有可用于正确整流时序的转子位 置译码器、可对传感器的温度进行补偿的参考电平。同时，芯片还带有基准电平 稳压电路、欠压锁定、限流保护、热关断、死区控制等保护功能。 本文分析了m c 3 3 0 3 5 的控制芯片的工作原理和芯片的典型应用电路，即三相六 步全波电机控制器。采用b i c m o s t 艺正向设计各模块电路，通过p s p i c e 模拟软件 对所设计的各个子电路进行功能仿真及参数性能仿真，调整电路的结构和参数以 满足设计要求。通过对所设计电路的仿真，验证了所设计的电路的正确性和合理 性。 关键词：直流无刷电机m c 3 3 0 3 5 p w mb i c m o s 工艺 a b s t r a c t a bs t r a c t t h eb m s h l e s sd cm o t o rh a sc h a r a c t e r i s t i c sl i k e s i m p l es t r u c t u r e ，g o o d p e r f o r m a n c e ，c o n v e n i e n ta d j u s t m e n t ，t h es o l es i m p l ep o w e rs o u r c e ，c h i pa n ds oo n w i t h t h ee l e c t r i cp o w e re l e c t r o n i c t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tr a p i d l y , t h es p e c i a l p u r p o s e i n t e g r a t e dc i r c u i ts w i f ta n dv i o l e n td e v e l o p m e n t ，t h eb r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n te n g i n eh a s a p p l i e di ne a c hd o m a i no fn a t i o n a le c o n o m y , d e m o n s t r a t e dt h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o n p r o s p e c t m c 3 3 0 3 5i st h es e c o n ds p e c i a lc h i pp r o d u c tf o rc o n t r o l l i n gb r u s h l e s sd cm o t o r w i t hh i g hq u a l i t yo fa n s o n m e c o m p a n y i ti sm a d eb yd o u b l ep o l et e c h n o l o g y t h e c h i pf u n c t i o ni n c l u d e st h ee r r o rs i g n a la m p l i f i e r , t h ep w mi m p u l s em o d u l a t i o n a m p l i f i e r , t h ef r e q u e n c yp r o g r a m m a b l es a w t o o t h e do s c i l l a t o r , 3c o l l e c t i n ge l e c t r o d e o p e n i n gp e a ka c t u a t i o no u t p u ta n d3b o t t o mo u t p u tw h i c hi sq u i t e s u i t a b l ei nt h e a c t u a t i o np o w e rf i e l de f f e c tm a n a g e s ( m o s f e t ) t h eb i ge l e c t r i cc u r r e n tt o t e mc o l u m n t y p eb a s ef o l l o w e r i ti sa l s oa v a i l a b l ei nt h ec o r r e c tr e c t i f i c a t i o ns u c c e s s i o nr o t o r p o s i t i o nd e c o d e r , w h i c hc a l lc a r r yo nt h ec o m p e n s a t i o nt ot h es e n s o rt e m p e r a t u r et h e r e f e r e n c el e v e l a l s oi tc a np r o t e c tt h ec h i pu n d e rl o w - p o w e r , a n dt h ec u r r e n to v e r f l o w p r o t e c t i o n ，t h ec h i ps u p e r h e a tp r o t e c t i o n ，t h eb r e a k d o w ns i g n a lo u t p u t ，t h eu n i td r i v e ， a p p l i e st h eb r a k et ol o s ef u n c t i o n sa r ea l s oi n c l u d e d t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ec h i pm c 3 3 0 3 5i sa n a l y z e di nt h i sa r t i c l e ，a tt h es a m e t i m e ，t h et y p i c a la p p l i e dc u i c u i tl i k et h r e ep h a s es i xs t e pf u l lw a v ee n g i n ec o n t r o l l e ri s a n a l y z e d i ti ss a t i s f i e dt h ed e m a n do fc h i pd e s i g n i n gb yd e s i g n i n gt h es t r u c t u r eo ft h e s u b - m o d u l ec i r c u i t ，a d j u s t i n gt h es t r u c t u r ea n dp a r a m e t e rt h r o u g hf o r w a r dd e s i g n i n g ， u s i n gp s p i c es o f tw a r e w i t hb i c m o sp r o c e s s k e y w o r d s ：b l d c mm c 3 3 0 3 5p w mb i c m o sp r o c e s s 西安电子科技大学 学位专臼翅虫创性( 就嵘斤| 生) 声明 + 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：鎏迪 本人承担一切的法律责任。 日期垫q 壁：鱼：! 翌 西安电俐大学 关于论文1 吏用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位 本人签名： 导师签名： 在一年解密后适用本授权书。 日期垫g ：五：丝 日期2 ；竺誉l 沙 第一章绪论 第一章绪论 目前，以小型电动机为中心的机电一体化技术已经获得了显著的进步，其应 用领域也在不断扩展。例如，瘃用电器领域中的空调、换气扇、各种送风机洗衣 机、全自动餐具洗涤机、搅拌机、咖啡机等；办公室自动化( o a ) 装置中的个人 计算机、打印机、f a x 、复印机、各种磁盘存储装备等；音频一视频( a v ) 系统中 的磁带录像机( v t r ) 、c d 、d v d 、c d - r w 、微型激光唱片( m d ) 等；以及其他以电 动机作为驱动源的机械装置，如电动自行车、电动汽车和儿童玩具等。可以说， 机电一体化技术的应用是不胜枚举。 1 1 无刷直流电动机研究现状 显然，电动机和机电一体化技术的应用给我们的生活带来很多便利，也使人 们的生活方式发生了很大的变化。机电一体化技术的发展还促进了以电动机为中 心的控制技术的进步，也为电动机技术、微电子技术以及电力电子技术等的发展 做出了很大贡献。 无刷直流电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的。1 8 3 1 年法拉第发现了 电磁感应现象，奠定了现代电机的基本理论基础。十九世纪四十年代第一台直流 电动机研制成功，经过了约七十年，直流电机才趋于成熟。但是，随着应用范围 的扩大，对直流电机的要求越来越高。直流电机由于具有机械换向器和电刷，就 存在换向火花和电刷的维护问题，一直限制了直流电机在某些特殊场合的应用。 因此人们就开始研究没有换向器和电刷的直流电机，也就是无刷直流电机。 早在1 9 1 5 年，美国人兰格米尔( l a n g m i l l ) 发明了带控制栅极的水银整流器，实现 了由直流到交流的逆变装置。二十世纪三十年代，有人就提出了用离子装置实现 电机定子绕组按照转子位置换接的所谓整流子电机，但由于这种电机可靠性差、 效率低、整个装置笨重而又复杂，因此没有实际应用意义。半导体技术的发展， 开关型晶体管的研制成功，为无刷直流电机的研制带来了生机。1 9 5 5 年，美国人 d 哈利森( d h a r r i s o n ) 等人首次申请了用晶体管换向电路取代电动机电刷的专 利，这就是有实际意义无刷直流电机的雏形。随着电力电子工业的发展，许多新 型的高性能半导体功率器件，如g t r 、m o s f e t 、i g b t 等相继出现，以及高性能永 磁材料，如衫钻、钦铁硼等的问世，均为无刷直流电机的发展打下了坚实的基础。 2 无刷直流电机控制器的设计研究 特别是我国的稀土材料的储量位居世界第一，为发展高性能无刷直流电机创 造了得天独厚的条件。 在无刷直流电机的研究工作中，位置信号的获取也是广大研究人员关心的一 个问题。早期的研究工作中采用了接近开关式位置传感器、电磁谐振式位置传感 器、高频祸合式位置传感器等多种方式。1 8 9 0 年美国人霍尔首先发现了霍尔效应， 1 9 6 3 年试制成功了第一台借助于霍尔元件换相的无刷直流电机。随着磁敏二极管 的出现，上个世纪七十年代初，又试制成功了借助于磁敏二极管换流的无刷直流 电机。 在研究各种位置传感器的同时，人们也在不断地寻求无传感器的无刷直流电 机的换相技术。1 9 0 8 年，西德的w 米斯林格( w m i e s l i n g e r ) 提出了采用电容移相 实现无刷直流电机换流的新方法。在此基础上，西德人r 哈尼特斯( r h a n i t s c h ) 等人成功试制了借助数字式环形分配器和过零鉴别器的组合来实现无换相装置的 无刷直流电机控制器。 按照电机电枢中感应反电势的波形，永磁同步电机( p m s m ) 和无刷直流电机 ( b l d c m ) 是永磁电机两种常见的基本形式。前者采用正弦波反电势形式，后者则采 用方波( 或者梯形波) 反电势形式。永磁同步电机控制较复杂，但定位精度高，多 用于工业机器人、数控机床用伺服等要求高精度、高动态性能的场合：无刷直流电 机结构简单、控制方便、成本较低，多用于家用电器、电动车辆、办公自动化设 备等只要求调速性能而对性能指标要求不太高的场合。 1 2 无刷直流电机控制系统的构成 无刷直流电动机既具备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，用无刷 直流电动机构成的三相六步全波控制系统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。其中电动车 驱动就是一个最典型、最重要的方面。 无刷直流电机的机械结构为：电枢绕组作为定子一部分，转子则是作为磁场 的永磁铁。无刷直流电动机转矩的获得，是通过改变相应电枢线圈上的电流在不 同磁极下的方向，从而使电磁转矩总是沿着一个固定的方向。为了实现电枢电流 在不同磁极下的换相，必须有相应的换流装置，因此无刷直流电动机必须具有位 第一章绪论 置传感器，用于检测和确认磁极与绕组相互间的相对位置。所以，位置传感器要 有相应的两部分，即转动部分和固定部分，转动部分和无刷直流电动机本体中转 子同轴连接，固定部分和定子连接。图1 1 为无刷直流电动机控制系统的方框图。 交 图1 1 无刷直流电机控制系统方框图 该系统包括全波整流器，d c 变换器，无刷直流电动机，位置检测传感器以及 控制电路驱动电路的芯片等五个部分。 1 3 无刷直流电机的工作原理 直流电机的结构历来都是电枢为转子，磁铁为定子，在气隙中产生励磁磁场， 其电枢通电后产生感应磁场。由于电刷的换向作用，在直流电机的运行过程中， 这两个磁场的方向始终保持垂直，从而产生最大电磁转矩，驱动电机不停运转。 同时，由于只两个磁场互为正交，理论上没有耦合作用，可以独立对电枢电流进 行控制来调节电机的运动速度，这是十分方便的。 在直流无刷电机的情况下，为了实现无电刷换向，首先要做的是把一般的直 流电动机的电枢绕组安放在定子上，把永磁铁放在转子上，这恰好与传统的直流 电动机结构相反。但是，仅仅这样做还是不行的，因为用一般的直流电源给定子 上的各相绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中的转子磁铁所产生的永 久磁场相互作用，以产生单一方向的转矩驱动转子转动。所以，直流无刷电机除 了由定子和转子组成的电机本体之外，还要有位置传感器、控制电路以及功率逻 辑开关共同组成的换相装置，使得直流无刷电机在运行过程中，定子绕组所产生 的磁场和在转动中转子磁铁所产生的永久磁场在空间始终保持9 0 。左右的电角 度。 当定子绕组的某相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互 4 无刷直流电机控制器的设计研究 作用而产生转矩，驱动转子旋转；再由位置传感器将转子磁钢位置信息变换成电 信号，去控制电子开关电路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，实现定子上 的电流随转子位置变化并且按一定的次序换相，电子开关电路的导通次序与转子 转角同步，从而起到机械换相器的换相作用。一般使用的位置传感器有光电式和 电磁式风种。光电式位置传感器因为存在输出信号信噪小、灯泡寿命短、使用环 境要求较高等原因，其应用不及电磁式的霍尔传感器广泛。霍尔传感器是基于霍 尔效应原理工作的：一个金属或半导体薄片置于磁场中，当薄片通过电流i c 时， 在薄片的两侧就会产生一个微量的霍尔电压，且霍尔电压与有效磁场强度( 垂 直于霍尔薄片的磁场) 的大小成正比。 霍尔传感器有模拟信号输出和数字信号输出两种规格。数字信号输出的霍尔 传感器抗干扰能力强，很适宜于用作无刷直流电机的位置传感器。霍尔传感器一 般按1 2 0 。或6 0 。电角度贴在电机定子上，用以感应转子的当前位置，其工作原 理如图1 3 2 所示。3 个霍尔传感器在图中用h l 、h 2 、h 3 表示。 由图1 2 可知，电机转子的位置信息最多有6 个不同的状态，而3 个霍尔传 感器最多可以输出8 个逻辑态，所以只要用3 个霍尔传感器，无论是1 2 0 。贴法还 是6 0 。贴法都可以精确地感应出当前转子的位置。此外，因为电子器件总有开关 的响应时间，所以在上下臂功率管开关交错时要将功率管的响应时间考虑进去， 加入一个上下臂都不导通的死区时间。否则当上臂( 或下臂) 尚未完全关闭，下臂 ( 或上臂) 就已开启，结果就会造成上、下臂短路而使功率管烧毁。 ( a ) 第一章绪论 ( b ) 图1 2 ( a ) 1 2 0 。贴法的霍尔位置传感器 ( b ) 6 0 。贴法的霍尔位置传感器 当电机转动起来，控制器会根据驱动器设定的速度及加减速率所组成的命令 来与霍尔信号变化的速度加以比较来决定由哪一组开关导通，以及导通时间的长 短。速度不够则增大功率管的导通时间，速度过头则减小功率管的导通时间，此 部份工作由p w m ( 脉冲宽度调制) 来完成。 1 4 控制器的发展趋势 采用专用芯片控制技术，准确有效地控制直流无刷电机，进一步提高直流无 刷电机系统的运行性能和对实际情况的适应性，是直流无刷电机控制器发展的主 要趋势，同时，集成化、模块化、低成本也是步进控制器发展的必然趋势。集成 化、模块化有利于提高控制器的可靠性和电磁兼容性，减小控制器的体积，进一 步扩大步进直流无刷电机的应用范围。 直流无刷电机控制器的研究以及直流无刷电机的广泛应用与电力电子技术、 微电子技术以及功率集成电路的研究与发展有着密不可分的关系，上述各个技术 的发展为步进直流无刷电机控制器的发展提供了条件。 1 5 研究内容及章节安排 本文介绍以m c 3 3 0 3 5 为核心的直流无刷电机控制器。分析整体电路和功能模块 的工作原理，通过p s p i c e 模拟软件对各个子电路进行设计、参数及仿真验证，调 整电路的结构和参数，以满足设计要求； 本文第二章分析了无刷直流电机的控制，引出课题；第三章着重分析了驱动 芯片m c 3 3 0 3 5 逻辑控制部分和p w m 调速部分电路的结构和各个子电路的功能、进 6 无刷直流电机控制器的设计研究 行了晶体管级的电路设计，并给出了仿真结果；第四章设计了保护电路并进行了 仿真验证；最后给出本文的结论。 第二章芯片系统原理及应用 第二章芯片系统原理及应用 2 1 芯片简介 m c 3 3 0 3 5 是高性能第二代单片无刷直流电动机控制器，它包含了开环三相或 四相电动机控制所需的全部有效功能。该器件由一个用于良好整流序列的转子位 置译码器、可提供传感器电源的带温度补偿的参考电压、频率可编程的锯齿波振 荡器、三个集电极开路的顶部驱动器、以及三个非常适用于驱动大功率m o s f e t 的 大电流推挽底部驱动器组成。其封装图如下： 孺浆黝聊猢雌 输如 嘲 正宠# 反翔翱孵翰匕 f 敏臣 竺篙 匝 输入。鄹l 。= l 渔 辘如傻娩啦酝豳b 臣 参考亳平赣也啪0 蛆嘲匝 电混硷溯婀栩洲轴捆潞r i 输入细糯嘲獬嘲l 二 嬲器嘲黼臣 一黧妻1 蠢莲 诿差放大器反 兰竺2 要i 馑 栩输入一。哗。峰一。一 镱蜻夯输入 趁i 嚼黟釉嗽选撩 2 1l l 刭藏鬈尹 傍i 钒l 俘i 魄 付l v o l t 6l 枷地 习黧裟蛾喇反淘辘入 1 4 l 丽嘲镱蔼晰 习蹴椭o 涮儇羞玫大器输 盘j 列粼女蟠觇矗也，蹦f m 输入 图2 1 芯片外围引脚功能分布 m c 3 3 0 3 5 包含有欠压锁定、带可选时间延迟锁存关断模式的限流保护、内部 热关断，及特有的可接入微处理器的错误指示等。 典型的电机控制功能包括开环速度、正向或反向、运行使能及阻尼式制动。 m c 3 3 0 3 5 被设计为可带动具有6 0 。3 0 0 。或1 2 0 。2 4 0 。电传感器的无刷电机，并 且还能有效地控制有刷电机。该芯片的结构图如图2 2 所示： 无刷直流电机控制器的设计研究 图2 2 芯片功能框图 该芯片的性能特点： 1 1 0 到3 0 伏工作电压 2 欠压锁定 3 可作为传感器电源的6 2 5 伏参考电压 4 完全可访问的误差放大器，用于闭环伺服系统 5 大电流驱动器，可控制外接三相m o s f e t 桥 6 逐周限流 7 带电流检测的参考引脚 8 内部热关断 9 可选6 0 。3 0 0 。或1 2 0 。2 4 0 。传感器相位 1 0 也可与外部m o s f e t 半桥有效地控制有刷电机 电气参数指标： 1 极限工作范围 第二章芯片系统原理及应用 9 额定值 符号 电源电压 v c c 数字输入( 管脚3 、4 、5 、6 、2 2 、2 3 ) 一 振荡器输入电流( 拉或灌) i o s c 误差放大器输入电压范围( 管脚1 1 、1 2 ，注1 ) v m 误差放大器输出电流( 拉或灌，注2 ) i o u t 电流检测输入电压范围( 管脚9 、1 5 ) v s 刚c e 错误指示输出电压 v c e ( f a u l t ) 错误指示输出灌电流 i s i n k ( f a u l t ) 顶部驱动电压 v c e ( t o p ) 顶部驱动灌电流 i s n e - , ：( t o p ) 底部驱动电压 v c 底部驱动输出电流 i d r v 功耗和热特性 p 后缀，双列直插式 最大功耗ta：85pd 热阻，接至空气 r q j a m后缀，表面贴装pd 最大功耗 t a = 8 5 。c r q j a 热阻，接至空气 工作结温 t j 工作环境温度范围( 注3 ) t a 保存温度范围tstg 注：1 共模输入电压或输入信号电压不能低于一0 3 v 2 恒流输出电压必须限定在一0 3 至v r e f 的范围 3 必须遵守最大封装功耗限制 2 目标参数 如无特别说明，以下参数为v c c = v c = 2 0 v ， 特性 大小 4 0 v r e f 3 0 0 3 至v r e f 1 0 一0 3 至5 0 2 0 2 0 4 0 5 0 3 0 1 0 0 8 6 7 7 5 6 5 0 1 0 0 1 5 0 - 4 0 至8 5 - 6 0 至1 5 0 硎 c 嘲 l 删 w r t = 4 7 k ，c t = i o n f ，t a = 2 5 0 c 时的值 符号最小值典型值最大值单位 参考部分 参考输出电压( i r e f = 1 0m a ) v r e f t a = 2 5 0 c 5 9 6 2 4 v 靴v v 以 v 姒 v v 从 v 姒 v 姒 1 0 无刷直流电机控制器的设计研究 t a = 4 0 0 c 至8 5 。c 电源线性率( v c c = 1 0 至3 0 v ，i r e f = 1 0m a ) 电源负载调整率( i r e f = 1 0 至2 0m a ) 输出短路电流( 注4 ) 参考欠压锁定门限 误差放大器 输入失调电压( t a = - 4 0 至8 5 ) 输入失调电流( t a = - 4 0 至8 5 ) 输入偏置电流( t a = 一4 0 至8 5 ) 输入共模电压范围 开环电压增益( v o = 3 o v ，r l = 1 5 k ) 共模输入抑制比 电源抑制比( v c c = v c = 2 0 v ) 输出电源幅度 高电平状态( m 产1 5 k 至地) 低电平状态( p 乜= 1 5 k 至v r e f ) 振荡器部分 振荡频率 频率随电压变化 锯齿波峰值电压 锯齿波谷值电压 逻辑输入 5 2 8 r e g , - - - r e g b a d i s c4 0 v n l4 0 沥 h o i m v i c a a v o l c m r r p s r r v o a 昭f 南s c f o s c v v o s c t p ) v o s c c o 输入门限电压( 管脚3 、4 、5 、6 、7 、2 2 、2 3 ) 高电平状态 低电平状态 传感器输入( 管脚4 、5 、6 ) 高电平状态输入电流( v m = 5 0 v ) 低电平状态输入电流( v 户o v ) 正向反向6 0 1 2 0 0 选择和制动输入( 管脚3 、2 2 、 2 3 ) 高电平状态输入电流( v m = 5 。0 v ) 低电平状态输入电流( v 声0 v ) 输入使能 v m v i m i i l i m h l 1 5 1 6 7 5 5 o 0 4 8 0 一 4 6 ( o v 到v r e f ) 7 0 8 0 7 0 8 6 5 5 1 0 5 1 5 0 6 0 0 7 5 3 0 0 5 3 o 5 2 5 o 0 1 4 1 1 5 2 2 1 7 7 3 3 3 7 3 6 1 7 5 6 5 7 3 0 3 0 7 5 m v m v m a v 1 0 m v 5 0 0 n a 一1 0 0 0 n a v d b d b d b v 1 0 2 8 5 0 4 5 2 0 1 5 0 1 0 7 5 k h z v v v 舶 一 龙 一 一 他 如 一 第二章芯片系统原理及应用 1 1 高电平状态输入电流( v m = 5 0 v ) 低电平状态输入电流( v n = 0 v ) 限流比较器 门限电压 共模输入电压范围 输入偏置电流 输出和电源部分 顶部驱动灌饱和输出电压( i s r n k = 2 5m a ) 顶部驱动输出截至态漏电流( v c e = 2 0 v ) i m i x v t h v i c r i m 6 0 6 0 8 5 v c e ( s a t ) - - i d r v ( 1 e a k ) _ 2 9 2 9 1 0 l 3 0 0 9 o 5 o 0 6 7 0 7 0 1 0 5 o 5 1 5 1 0 0 顶部驱动输出开关时间( c l - - 4 7 p f ，r l = i o k ) 上升时间tr 一 1 0 73 0 0 下降时间tf 一 2 63 0 0 底部驱动输出电压 高电平状态( v c c = 2 0 v ，v c = 3 0 ， v o h v c c - 2 0v c c - 1 0 一 i s o u r c z = 5 0 m a ) v o l 。 1 5 2 0 低电平状态( v c c = 2 0 v ，v c = 3 0 ，i s i n k = 5 0 m a ) 底部驱动输出开关时间( c l = 1 0 0 0 p f ) 上升时间tr 一 3 83 0 0 下降时间t f 一 3 03 0 0 错误指示( f a u l t ) 灌饱和输出电压v c e ( s a t ) ( i s i n k = 1 6 m a ) 错误指示( f a u l t ) 输出截至态漏电流 i f l t ( 1 e a k ) ( v c e = 2 0 v ) 欠压锁定 驱动输出使能电压( v c c 或v c 增加) v t h ( o n ) 滞后电压vli 电源电流 管脚1 7 ( v c c = v c = 2 0 v ) i c c 管脚1 7 ( v c c = 2 0 v ，v c = 3 0 v ) 管脚1 8 ( v c c = v c = 2 0 v ) 管脚1 8 ( v c c = 2 0 v ，v c = 3 0 v ) 8 2 0 1 m v v u a v u a n s n 2 2 55 0 0v 1 01 0 0u a 8 9 o 2 1 2 1 4 3 5 5 0 1 0 o 3 1 6 2 0 6 o 1 0 v 1 2 无刷直流电机控制器的设计研究 2 2 芯片典型应用及分析 本文以三相六步全波电机控制器，应用于电机控制中。选用的电机为永磁无 刷直流电机，采用三角形接法。控制器工作电压为2 0 v 直流电压，采用蓄电池供电， 电机最大工作电流i o a ，输出最大功率为3 6 0 w ，最大输出扭矩达到2 5 n m 。最高转 速是5 0 0 0r m i n 。 因此，选用m c 3 3 0 3 5 工作电压v m = 2 0 v ，芯片管脚输出供给传感器电压为 6 2 5 v 。 由m c 3 3 0 3 5 和少量外围元件组成的三相六步全波驱动开环电机控制电路如图 2 3 所示。 需要说明的是，下边三个功率管可以用n p n 晶体管，也可以用n m o s 管。关键 是管子的性能要与上面相连的开关管相兼容。 图2 3 三相六步全波电机控制主回路 第二章芯片系统原理及应用 图2 3 中，项部功率晶体管为达林顿p n p 型管，而底部功率管为n 沟道m o s f e t 管。其输出级用于驱动一个三角形或星形连接的定子和一个中性点接地的星形电 路。在任意给定一个转子位置时，只有一个顶部和底部功率开关管导通，这种开关 结构形式使得定子线圈的两端加于电压和地之间，从而使电流以双向或全波形式 流动。应当注意：在电流波形的前沿可能会出现尖峰，这种尖峰会导致电流限制电 路的误动作。因此，需要外加r c 滤波器，以消除这种可能产生的误动作。 外围引脚输入输出介绍： l 、m c 3 3 0 3 5 的8 管脚输出为6 2 5 v 标准电压，由r t ，c t 组成了一个r c 振荡器，所以 1 0 管脚的输入近似一三角波，其频率由1 2 z 佤半g 决定。电容c t 由参考输出( 管 脚8 ) 通过电阻r t 充电并由一个内部m o s 管来放电。锯齿波峰值的典型值为4 1 v ， 谷底值为1 5 v 。电阻r t 取5 1 k ，电容c t 取0 o l u f ，这样p w m 频率约为2 4 k h z 。 2 、检测：本设计采用霍尔型位置传感器来采集转子磁极位置。将采集到的信 号输入至 u m c 3 3 0 3 5 的管脚4 、5 、6 。这三路位置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。 3 、速度给定是速度环的一个组成部分：本系统采用的是电位器给定的方式， 电位器接在0 6 2 5 v 之间，给出的模拟电压幅值在0 至6 2 5 v 之间。在管脚8 与1 1 2 _ 间加一个电位器可以控制速度的大小，两管脚之间的电阻越小，速度越快。 4 、电源：管脚1 7 接入m c 3 3 0 3 5 的工作电源，工作电源一般取1 8 至3 0 v 的直流电 源，本系统采用2 0 v 直流电源。m c 3 3 0 3 5 的管脚1 8 主要是为底部输出供电，以使标 准m o s f e t 栅漏电压不大于2 0 v 的限制电压。所以管脚1 8 上接一个1 8 v 稳压二极管进 行箝位。 5 、限流：采用电流限制来防止因严重过载。即每一个导通周期当作一个分离 的事件。逐周电流限制可由监控每次输出开关导通时定子电流的建立实现，并且 当检测到一个过流电流条件时关闭该开关，并使其在震荡器的锯齿波上升周期的 剩余时间里保持关闭。电流采样方式有两种：电阻采样和霍尔电流变送器采样。对 于本系统，逆变桥经一无感电阻r s 接地，作为电流采样。采样电压由m c 3 3 0 3 5 的9 和1 5 引脚输入至电流检测比较器。芯片内的比较器反相输入端设置l o o m y 的基准电 压，作为电流限制基准。若允许最大电流为i m ，这样采样电阻r s = o 1 i m 。为了避免 由换相尖峰脉冲引起电流检测误动作，在电流检测输入端9 脚前可设置r c l 毛通滤波 器。本系统中r c 低通滤波器由c 和r 构成。 1 4 无刷直流电机控制器的设计研究 6 、管脚1 4 接一发光二极管，作为故障指示输出，当1 4 脚为低电平时，该发光二 极管点亮。 7 、驱动输出。三个上侧驱动输出( 1 、2 、2 4 脚) 是集电极开路n p n 晶体管，吸 入电流能力为5 0 m a ，耐压为4 0 v 。三个下侧驱动输出( 1 9 、2 0 、2 1 脚) 是推挽输出， 电流能力为l o o m a 。 8 、串联栅极电阻可以完成任何m o s f e t 输入电容和所有栅漏电路中串联引线电 感所引起的高频振荡。进入底部驱动输出的负电流超过5 0m a 时，一般都应) j h - - 极 管。 9 、3 脚转向控制当3 脚逻辑状态改变时，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，使电机反转。 1 0 、7 脚起停控制当7 脚悬空时，内部有2 5pa 电源电流使驱动输出电路正常工 作：当7 脚接地，三个上侧驱动输出开路( 1 状态) ，三个下侧驱动输出为低电平( o 状 态) ，使电机失去激励而停车，同时故障信号输出为零。 1 1 、2 3 脚制动控制2 3 脚悬空时为高电平( 内部电路保证) ，电机进行制动操 作。2 3 脚接地时，电机正常运转。 2 3 三相六步全波电机控制器工作过程 l 、静止时，m c 3 3 0 3 5 的使能端( 管脚7 ) 不接地，内部上拉为高电平，使逻辑 输出模块关断，即管脚2 ，1 ，2 4 ，2 1 ，2 0 ，1 9 输出高电平。这样输出缓冲器关断， 即q 1 ，q 2 ，q 3 ，q 4 ，q 5 ，q 6 关断，没有电流流过电机线圈。电机静止不动。但这时位 置传感器照样检测电机转子的位置信号，并通过内部译码器产生顶部、底部驱动 信号，见换向器真值表。 2 、m c 3 3 0 3 5 的使能端( 管脚7 ) 接地，从电机转子位置检测器p s 送来的三相 位置检测信号( s a 、s b 、s c ) 送入m c 3 3 0 3 5 ，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、下桥臂开关器件的六路原始控制信号，三相上桥控制信号( a t 、b t 、 c t ) 状态见换向器真值表。三相下桥开关信号还要按无刷直流电机调速机理进行脉 宽调制处理。管脚1l 输入速度设定值。速度从0 逐渐增加时，误差放大器输出也 逐渐增加，r c 震荡电路输出的三角波频率为2 4 k h z ，与误差放大器输出一起经过 p w m 比较器，输出频率不变，占空比随速度变化的方波信号。该信号经过r s 锁存 第二章芯片系统原理及应用 器后与译码器输出信号经过逻辑处理后加到底部驱动信号上，这样下桥p w m 控制 信号( a b 、b b 、c b ) 就变成频率不变，占空比可调的p w m 信号，随着速度增加( 即 加速) ，下桥p w m 控制信号( a b 、b b 、c b ) 的占空比增加。处理后的三相下桥p w m 控 制信号( a b 、b b 、c b ) 及三相上桥控制信号( a t 、b t 、c t ) 经过驱动放大后，施加到 逆变器的六个开关管上- 使其产生出供电机正常运行所需的三相方波交流电流。 速度增加，电流也会增加。在每个震荡器周期，要检测定子电流，通过电流反馈， 输入到m c 3 3 0 3 5 的9 脚。当电流过大时，会产生保护信号，关断项部底部驱动。 并在故障输出端( 管脚1 4 ) 输出低电平，给出错误指示信号，因底部驱动关断， 电机线圈中无电流流过，电机停止转动。 3 、当速度达到设定值。p w m 比较器输出信号占空比不变。底部驱动信号的占 空比也固定不变，电机线圈中电流信号也是占空比不变的方波信号。电机转速逐 渐稳定，最后处于匀速过程。 4 、速度设定端电位器向下移动，1 l 脚输入电压减小，p w m 比较器输出信号占 空比减小，底部驱动信号的占空比也减小，电机线圈中电流信号占空比减小，电 流值减小，电机速度也减小。电机处于减速状态。 5 、速度设定端电位器移到最下面，既速度设定输入为0 时，底部驱动关端， 电机线圈中无电流流过，电机停止转动。回到静止状态。 第三章数字电路及调速电路设计与仿真 第三章数字电路及调速电路设计与仿真 本章根据m c 3 3 0 3 5 的功能及设计指标要求，基于b i c m o s 的工艺，紧密结合 集成电路的设计特点，对其主要模块电路进行了详细的分析、设计，并用p s p i c e 进行了仿真验证，并给出了相关的仿真波形。三相六步全波控制器应用图如下： 3 1 逻辑控制模块工作原理与设计 3 1 1 主回路时序图 按图2 3 ，当电机正向旋转时，功率开关管导通顺序为q 1 q 6 、q 6 q 2 、q 2 q 4 、 q 4 q 3 、u 3 q b 、q b q l 、u l q b 当电机反向旋转时，功率开关管导通顺序为q 1 q 5 、q s q 3 、q 3 q 4 、q 4 q 2 、q 2 q 6 、 q 6 q 1 、q 1 q 5 由上可得出电机全速运行时主回路正反转时序图如图3 1 与图3 2 所示。其中 a t 、b t 、c t 、a b 、b b 、c b 分别为q l 、q 2 、q 3 、q 4 、q 5 、q 6 驱动信号。该信号是由 m c 3 3 0 3 5 提供的，高电平表示电压为2 0 v ，低电平表示电压为0 。 转子角度? 哆绷伽翟? 釉擘? 甲鲫a 1 0 衡 r i 厂! 厂 岛 ；厂_ 厂_ 岛i 厂_ r a 口| i 阳! ：；m ：； | ：! ；m ；ii 厂 b bi 图3 1 正转时序图 转子角震 赫1 知 如蛳蛳翻秭 伽 如匆 函赫 辞i 厂i 厂_ ；厂 ! 厂 白】厂 i 厂丁_ ：! 厂il 厂i i 厂 b e i ；l 二二二一 ；l 二二二二 钿，! 。；_ i ；f c b 。i；ii； 图3 2 反转时序图 无刷直流电机控制器的设计研究 3 1 2 驱动逻辑设计 三个顶部驱动输出( 管脚1 ，2 ，2 4 ) 均为集电极开路n p n 型晶体管，在3 0 v 的 最小击穿电压下可灌入5 0 m h 电流。 三个图腾式底部驱动输出( 管脚1 9 ，2 0 ，2 1 ) 适合于n 沟道场效应管和n p n 双 极型晶体管直接驱动。每个输出都可以获得高达l o o m a 的灌拉电流。底部的驱动是 通过v c ( 管脚1 8 ) 来供电，这个单独的供电输入设计让设计者可不受v c c 影响，自 如地调整该输出电压。当在系统中要驱动功率场效应管且v c c 大于2 0 v 时，在该输 入端需要接一个箝位的齐纳管，以防止场效应管的栅极被击穿。 设计中的驱动逻辑电路采用多输入与门实现，输出逻辑电路的输出信号作 为驱动级的控制信号。信号输入包括转子位置译码器信号、使能信号、欠压锁定、 限流信号、制动信号。其逻辑图见图3 3 所示。 k 、 猡7 ， 7 l _ ，玎。 激 l 2 | 滋码器 ” 2 l 一“、，“淋 0l j 气 l。：j ： 眄1 ；7 f 鞭 k i ，： 痧2 4 俄p ；卜) 一 j c t 嚣叫 、j 、 、。 、 谶9 叱j ：够一k 厂 t | 、二f 。“? 、7 将一 。- 1 8 ，、， 莎 j h 2 1 ，jr 。啊、 班。产一 a b 叫、t ：。：0 f 誓芦 1 7 ：7 ：“j 一。，一 、 2 0 ir 。、 b b 叫、 ，! ，2 燃l 。t， w i7 ：! ：一v ，厂 v ，1 9 1 、“ jr 、 ii 。l y 严专， 一 图3 3 驱动逻辑电路 上图中，四输入或非门电路用于检测制动输入及三个顶部驱动输出晶体管的 输入。其目的是当项部驱动输出达到高电平时，才能制动，防止顶部和底部电源 同时开关导通。 第三章数字电路及调速电路设计与仿真 1 9 限流信号是限流检测模块输出信号，当发生过流时，该信号为低电平，限流 模块工作原理参照第四章。 3 1 3 转子位置译码器模块的设计及仿真 m c 3 3 0 3 5 内置转子位置译码器监控三个传感器输入( 管脚4 ，5 ，6 ) 以提供顶 端、底部驱动输入的正确时序。m c 3 3 0 3 5 系列被设计用于控制三相电机，并可在最 常见的四种传感器相位下工作。提供的6 0 。1 2 0 。选择( 管脚2 2 ) 可使m c 3 3 0 3 5 很 方便的控制具有6 0 。，1 2 0 。，2 4 0 。或3 0 0 。的传感器相位的电机。对于三个传感 器输入，有八中可能的输出编码组合，其中6 种是有效的转子位置，另外两种编码 组合无效，通常是由于传感器的开路或者短路所致。利用6 个有效输出编码，译码 器可以在使用6 0 度电器相位的窗口内分辩出电机转子的位置。正向反向输出( 管 脚3 ) 通过翻转定子绕组上的电压用来改变电机转向。当输入改变了状态，一个指 定的传感器输入编码从高电平变为低电平( 例女n 1 0 0 ) ，具相同字母标识的可用顶 部和底部驱动输出将互补转换( a t 变a b ，b t 变b b ，c t 变c b ) 。实际上，整流时序 被反向，电机改变旋转方向。 下表为换向器的真值表： 表3 1 换向器真值表 输入输出 传感器电气相位 错误 6 0 。1 2 0 。 顶部驱动 底部驱动 指示 s ts bs cs