无刷直流电机.doc

2.3 无刷直流电机的控制结构绕组电流采样单元绕组霍尔反馈三相逆变桥MOSFET控制单元MC33033电子测速器MC33039转速给定单元VF/V电机图2.3 MC33033和MC33039构成的控制器 MC33033是MOTOROLA公司研制的无刷直流电机控制专用集成电路，加上1片MC33039电子测速器将无刷直流电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，控制器电路构成结构图如图2.3。2.4 芯片介绍2.4.1 MC33033简介MC33033 是MOTOROLA 公司生产的一种高性能直流电机控制器, 它不仅具有MC33034 和MC33035 控制器的功能, 而且还具有开环、三相或四相电机所需要的功能, 是第二代无刷直流电机控制器的典型芯片。该芯片内含转子位置译码器, 并可为传感器工作提供带有温度补偿的参考基准电压。MC33033 的另一个特点是内含三个集电极开路的顶部驱动器和为MOSFET 驱动电源而设计的三个高电流推拉式底部驱动器。由于MC33033 采用了温度补偿和双极模拟技术,并具有欠压锁定、自锁关断模式的周期周期电流限制及热关断保护等功能, 所以被广泛应用于各种无刷直流伺服电机控制系统。此外MC33033还具有如下特点:具有1030V 的宽电源电压范围;具有欠压锁定功能;可提供6. 25V 带有温度补偿的基准电压源;带有为闭环控制提供的误差放大器。与MPM3003 组合可控制三相桥式高电流驱动器;具有周期周期电流限制功能;具有热关断功能;可在60/ 120或120/ 240的传感器相位中任选;亦可控制H 桥式有刷直流电机。2.4.1.1 介绍MC33033是摩托罗拉公司生产的一系列无刷直流电机之一。它包含要求实现有限特征，而且还具有开环，三相或四相电机所需要的功能。用双极的模拟技术建造，它效率高，在相对的工业环境中，MC33033包含转子位置译码器，温度补偿能为传感器提供动力，一个可编程的频率振荡器，一个误差放大器，一个脉宽调节比较器，三个开放式驱动器，三个高电流推拉式驱动器驱动MOSFETs。MC33033具有保护功能，由欠压锁定，周期周期电流限制功能，热更多功能。典型控制电机功能包括速度开环控制，并且可运行。另外，可在60/300或120/240度的传感器相位中任选。2.4.1.2 功能描述MC33033的引脚排列如图2.4.1.2.1，各引脚的功能说明如表2.4.1.2.2所列，MC33033的推荐工作参数如下：电源电压:20V基准电压:6.24V振荡频率:25kHz电源电流:15mA 图2.4.1.2.1 MC33033的引脚图引脚号引脚名称功能说明1，2，20BT,AT,CT三个集电极开路的顶部驱动输出引脚。用来驱动顶部外接的功率开关晶体管。3FWD/REV正向/反向输入引脚。用来控制电机的转动方向，即正转或反转。4，5，6SA,SB,SC三个传感器的输入引脚，用于控制电机的换相序列。7REF基准输入引脚，用来为振荡器的时间电容CT提供充电电流以及为误差放大器提供基准电压，也可以为传感器提供工作电压。8振荡器振荡器输出引脚，其输出功率由外接元件RT和CT决定9误差放大器（+）误差放大器的同相输入引脚，它通常与速度设定的电位器相连。10误差放大器（-）误差放大器的反相输入引脚，它通常与开环应用中的误差放大器的输出端相连。11误差放大器输出/PWM输入误差放大器输出/PWM输入引脚，该引脚在闭环应用时做补偿端使用。12电流检测同相输入电流检测同相输入引脚，在振荡器周期里，该引脚的输入信号为100mV时，可使输出开关截止，它通常连接在电流检测电阻的上端。13GND接地引脚。14VCC电源电压输入引脚，输入范围为1030V。15，16，17CB,BB,AB三个底部驱动输出引脚，用于驱动底部外接功率晶体管。1860/120度选择输出使能引脚，用来选择60度（高态）/120度（低态）传感器相位输入的控制电路。19输出使能输出使能引脚，该引脚为低电平时，电机转动；为高电平时，电机滑行。表2.4.1.2.2 MC33033引脚功能说明内部结构如图2.4.1.2.3显示。图2.4.1.2.3 MC33033内部结构图 MC33033的具体规格表见表2.4.1.2.4。项目最大允许值电源电压V（V）30输出端吸入电流I rin（A）50输出端耐压值V rin（V）40工作温度T opc（度）170允许损失P t（W）1 表2.4.1.2.4 MC33033具体规格表2.4.1.3 转子位置译码器内部的转子位置译码器监控三个传感器输入（引脚3，4，5），并适当提供程序化顶面和底部驱动器。MC33033内部的转子位置译码器主要用于监控三个传感器输入，以便系统能够正确提供高端和低端驱动输入的正确时序。传感器输入可以直接与集电极开路型霍尔效应开关或者光电耦合器相连接。此外，该电路还内含上拉电阻，其输入与门限典型值为2.2V的TTL电平兼容。用MC33033系列产品控制的三相电机可在最常见的四种传感器相位下工作。MC33033所提供的60度/120度选择可使MC33033很方便地控制具有60度，120度，240度或360度的传感器相位电机。其三个传感器输入有八种可能的输入编码组合，其中六种是有效的转子位置，另外两种编码组合无效。通过六个有效输入编码可使译码器在使用60度电气相位的窗口内分辨出电机转子位置。正向/反向输入引脚利用其反作用在定子线圈上的电压来改变电机的转动方向。当输入状态改变时，其电压从高向低变化。假如传感器的输入码为100，则具有相同字母顶部和底部输出驱动将进行交换。即：AT变为AB、BT变为BB、CT变为CB，此时电机的转向序列已被颠倒，从而改变电机的转动方向。电机开关的控制由输出使能引脚（19脚）来完成。该引脚为低电平（或悬空）时，实际上它已通过片内上拉电阻接到了正电源上，并驱动顶部和底部输出，从而使电机转动。该脚接地时，顶部输出驱动关闭，而底部输出驱动被降低，从而使电机滑行。在半波电机驱动应用中，顶面驱动器并不一定和底部驱动器分离。2.4.1.4 误差放大器 一种高性能，完全补偿误差放大器（引脚9，10，11）对输入和输出的通知，使闭环电动机速度控制的实施变得容易。误差放大器的特点是：直流电压增益为80dB，增益带宽为0.6MHz，输入共模电压范围为0Vref。在开环速度控制应用方面，误差放大器构成单位增益电压跟随器，并把同相输入连到速度调节电压源。2.4.1.5 振荡器 振荡器能为PWM和锁存器提供必要的信号，它是利用选择定时元件RT和CT的值，对内部谐波振荡器的频率进行编程。从参数输出（引脚7）通过电阻RT对电容CT进行充电，而放电是由内部一个放电晶体管进行，这样波峰值和谷值电压分别为4.1V和1.5V。为了在噪音和输出开关效率之间提供一个好的兼容方案，推荐振荡器的频率范围20KHz到30KHz。2.4.1.6 脉宽调节器 利用脉宽调节器能为控制电机速度提供一种极有效的方法，它是利用改变加在每一个定子系统组上的平均电压控制电机速度。当CT放电完毕后，振荡器设置两个锁存器，并允许顶端和底部驱动输出导电，当CT的正向斜波大于误差放大器输出时，PWM比较器对上锁存器复位，终止底部输出驱动导电。PWM仅在底部驱动输出时才能控制电机速度。PWM的时序如图2.4.1.6.图 2.4.1.6 PWM的时序图2.4.1.7 限制电流 连续长时间的操作和严重的超负载可能使电机损坏，这种情况最好由周期周期来限制电流。周期周期来电流限制由监测定子当前的积累每次开关量完成，并记录当前情况，如发生超载，则立刻转动开关和减小周期，定子电流被转换成电压，插入一个以地面为参照物的电阻器RS，和三支底部开关晶体管（T2,T4,T6）相连。电压加在电阻器上，由当前的输入端（引脚12）进行监测，再与内部100mV参考电压进行比较。电阻器的值为： R= 双重门限PWM配置表明，唯一的传导脉冲发生在任一个被测量的振荡器周期间，由误差放大器或当前的门限电流比较器进行终止。2.4.1.8 基准电压 基准电压6.25V（引脚7）为振荡器时基电容，提供充电电流，误差放大器能提供在低电压应用方面适于直接为传感器提供动力20mA的电流。在高电压应用方面，转移IC可能变得十分必要。6.25V参考电平允许更加简单的NPN电路实施，V-VBE超出极小的电压由霍尔效应传感器吸收。以适当的晶体管选择，和充分的热冷却，可能获得一安培装载电流。2.4.1.9 欠压锁定双欠压锁定用来预防IC和外部电力开关晶体管的损害。在低电压条件下，它保证IC和传感器充分发挥作用，并且有充足的底部驱动输出电压。对IC的正向电源(VCC)被8.9V门限电压进行检测。在这个电平保证当MOSFET设备工作时，有充足的门驱动和必要低的RDS(on)。当直接地供给霍尔传感器动力，不正当的传感器操作可能使参考电压下跌到4.5V以下。如果两个比较器都识别到这种欠压状态，顶面驱动器被关闭并且底部驱动器被维持在一个很低的状态。当通过他们各自的门限电压时，每台比较器都有滞后作用以防止振动。2.4.1.10 驱动输出 三个顶面驱动器（引脚1，2，20）NPN晶体管下降50mA，电压升高到30V。三个推拉式底部驱动器（引脚15，16，17）特别适于直接驱动N沟道MOSFETs或NPN双极晶体管。各线电流下降100mA。芯片内设有欠电压电路，在两种情况下，关闭驱动输出：1、芯片电压不足（典型值低于9.1V）。2、基准电压不足（典型值低于4.5V），以保证芯片内部全部工作正常和向下侧驱动输出提供足够的电压。由于本芯片的欠压保护没有锁存功能，当电压恢复正常后，系统会自动恢复正常。2.4.1.11 热关断 内部热关断用来保护IC以防止超过最高接点温度。一旦激活，典型值在170度，IC就不能正常工作，系统就会反过来关闭IC。2.4.1.12 芯片限流电路外接设计 外接逆变桥经过一电阻器R接地，作电流采样。采样电流由12脚输入到电流检测比较器。其比较器反向输入端为内设，没有引出脚，基准电流为100mA作为限流标准。在振荡器锯齿波上升时间内，如电流超过限流值，比较器翻转，将驱动输出关闭。如果电动机最大电流为I，则采样电阻按以下公式选择：R=0.1 I为了避免有换相尖峰脉冲引起电流检测动作，在12脚输入前可设置RC低通滤波器。2.4.2 MC33039简介图2.4.2.1 MC33039外部引脚图图2.4.2.2 MC33039内部结构 MC33039（电子测速器）概述： MC33039是为无换相器电动机闭环速度控制专门设计的集成电路，它直接利用三相无刷直流电机转子传感器三个输出信号，经F/V变换成正比于电动机转速的电压，实现精确调速控制。MC33039电子测速器的管脚排列如图2.4.2.1，内部结构如图2.4.2.2。 MC33039的1，2，3脚接收位置传感器三个信号，经有滞后的缓冲电路，以抑制输入噪声。经“或”运算得到相当于电动机每对极下6个脉冲信号。在经有外接定时元件CT和RT的单稳态电路，从5脚输出fout信号的占空比与电动机的转速有关，其直流分量与速度成正比。此信号在外接低通滤波器处理后，即可得到与速度成正比的测速电压。2.5 无刷直流电机的硬件设计MC33033 直流电机控制器有多种控制功能,可以广泛应用于各种电机速度的控制。下面介绍三种用于电机控制的应用电路，主要介绍2.5.1三相闭环无刷直流电机控制电路，本设计也是以三相闭环无刷直流电机控制电路为核心。2.5.1 三相闭环无刷直流电机控制电路如图2.5.1是无刷直流电机的驱动原理图。从电机转子位置检测器送来的三相位置检测信号送入MC33033，芯片MC33033是MOTOTOLA公司研制的无刷直流电机控制专用集成电路。三相位置检测信号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无刷直流电机调速机理进行脉宽调制处理。处理后的三相下桥PWM控制信号经过驱动电路整形、放大后，施加到由6个功率开关器件组成的MPM3003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。三相位置检测信号送入MC33039，经F/V转换，得到一个频率与电机转速成正比的信号（MC33039的管脚5）。该信号通过简单的阻容网络滤波后形成转速反馈信号。利用MC33033中的误差放大器即可构成一个简单的调节器，实现了简单的电机转速的闭环控制。利用电子测速器MC33039和控制器MC33033以及少量外围器件可设计一个实用且性价比很高的闭环无刷直流电机控制电路。该电路用一个MC33039来产生与速度成正比的输入电压，并通过其5脚馈入MC33033。它的电源由MC33033的6.25V基准电压提供，由于MC33039的1、2、3脚（转子位置传感器）分别与MC33033的引脚4、5、6脚（三个传感器输入）相连，因此，它们使用相同的霍尔传感器输入信号。这样，在如何时刻，每一条传感器线上的霍尔传感器的正、负信号都能使MC33039产生一个具有确定幅度时间间隔的输出脉冲，该脉冲由MC33039的5脚输出，并由MC33033片内误差放大器组成的积分器积分，从而产生一个与电机速度成正比的直流电压。该电压连接到MC33033的11脚，建立脉宽调制基准电压，从而构成闭环控制回路。MC33033输出驱动MPM3003，而MPM3003是由功率型MOSFET构成的桥式电路。电路中使用TMOS功率MOSFET三相桥式电路MPM3003是为了能够传输高达25A的波动电流。这种大电流通常在电机启动或改变方向时发生。为了避免有换相尖峰脉冲引起电流检测动作，在12脚输入前可设置RC低通滤波器。图2.5.1 三相闭环无刷直流电机控制电路2.5.1.1 三相闭环无刷直流电机控制电路的控制原理 从电机转子位置检测器送来的三相位置检测信号一方面送入MC33033，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，经过运算之后，产生逆变器三相上、下臂开关器件的6路原始控制信号，其中，三相下桥开关信号还要按无刷直流电机调速机理进行脉宽调制处理。处理后的三相下桥PWM控制信号经过驱动电路整形、放大后，施加到由6个功率开关器件组成的MPM3003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MC33039，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MC33033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HI,PID调节电路以实现更为复杂的闭环调节控制。 注意事项：（1） MC33033供给集成电路的正电源与供下侧驱动输出正电源为同一个电源，其取值范围为：1030V。（2） 集电极开路输出用来驱动三相桥上侧功率管，接入电阻可根据应用的功率管进行选择。其下侧驱动输出由于内部结构，可直接接功率管，建议接入几十欧的电阻，防止电流冲击。同时，可在下侧输出端与地接IS1588稳压二极管。（3） 由于内部振荡器振荡频率由外接定时元件CT、RT决定。建议使用振荡器