【基于MC33035控制芯片的无刷直流电机控制系统设计8300字（论文）】

绪论无刷直流电机把机械的换向器用电子换向器代替，其调速性能良好，结构比有刷的要简单很多，因为没有电刷接触式换向器，所以没有换向火花、运行可靠和方便保养。随着现代化生产和自动化的不断发展，与此同时，我们的家用电器、生产机械、办公和其他设备也变得更高效、小型化和智能化。电机在这些设备中起重要的作用，不可或缺，它是设备的动力来源，没了它就没了动力，所以我们必须制造具有高精度、高速、高效率的部件，因而其水平也一直在进步，并且凭借其优点在一些场合的应用会变得越来越广泛[1]。1.1无刷直流电机的发展概述1829年，第一台实用的直流电动机被制造出来，很长时间的进步后，被渐渐的广泛应用。1955年，晶体管换相线路代替BLDC的机械电刷，形成了其最开始的模样[2]。1960年初，真正的无刷直流电机出现了，这得益于霍尔传感器和其他位置传感器的发展以及电子换向线路的应用。上个世纪70年代初期，矢量控制理论被提出，再次一定程度的增加了BLDC的性能控制水平，促进了电机在一些性能要求较高的领域的应用。从1987年起，我国开始加快了研发速度。如今，国内越来越多的相关系列产品在研发上市，已经具有了很大的规模。电子技术应用的发展对电机发展水平和速度有较高的制约力，电子技术进步意味着其水平能够得到提高[2]。在很多年前刚开始发展的时候，开关器件发展的不好，其性能水平低，价格也偏高。在当时我国的永磁体材料很少，发展也受限制，还有驱动控制技术落后，这使得我国在很时间内都还处于实验阶段，因此我们还无法应用到实际使用中。半导体制造水平进步很快，许多公司不断研发生产，出现了很多新的材料和器件，像当时新研发生产出来的功率器件如MOSFET等，还有一些特性优秀的永磁材料也在不久之后被发现并投入使用，使得其发展得到了很大的提高。1.2无刷直流电机的应用最近这些年来，小型电机应用行业发展很好，因为其具有的优点，高效、耐用、低噪。在家用电器、汽车应用、办公设备等行业发展较好。在汽车行业的应用：电机是传动的主要部件，也可用于空调、雨刮、车门、座椅等上面。在家用电器中的应用：电子驱动电机的使用率在逐年增长，我们使用的电器变得越来越节能、智能，使用也变得更加的可靠。我们所使用的家电很多要用电机传动，像洗衣机、冰箱和空调，其中带有制冷系统的压缩机和送风机使用的都是感应电机，耗能和噪音大，低效，现在变频技术的应用，状况变好了一些。为了静音、高效，最近开始使用无刷电机，其能够改善传统电机的一些缺陷，据有更好的舒适性。在办公设备中的应用：一些办公设备中使用的电机，像电脑散热器等，绝大多数是质量和性能优秀的无刷直流电机。其伺服控制系统的性能很高，可以提高所使用产品的质量和价值。办公要经常用到的激光打印机也对其进行了使用，并已有较长的时间。其转速控制精准，技术和竞争力要比普通电机好。此外，它广泛应用于计算机、录音机等设备产品中[3]。在航空航天的应用：可以代替用气动和液压来进行传动的装置，由于应用场合的特殊性，此时小体积和简单结构就显得尤为重要，无刷直流电机相对在体积和结构上都具有优势。其在航空航天中的使用范围正在扩大。1.3无刷直流电机的发展趋势新材料和新器件的研究与使用，新的控制措施的应用，这些都让无刷电机发展的更好，使其应用更加广泛[4]。(1)电子电力及微处理器技术对其影响这些技术的发展应用，电机正朝着越来越小型、集成化、控制器数字化、PWM控制及其高效化发展。(2)永磁体材料对其发展的影响电机能否变得越来越小型、轻量及高效取决于永磁体材料的发展。这些年来新的磁材出现，随之带来的是其设计、算法和构造工艺的程度会大大提升，到达更高的阶段。(3)新型电机的研究在其控制系统中，需要改善的问题有很多，其中改善电机的转动速度和转矩波动的问题极其重要，特别是要应用在计算机、视听设备中的，更需要具有运行起来平稳、高精度、低噪的特点。未来发展的方向之一，无疑是在结构上的研究与开发。(4)先进控制策略的采用在现在生产中，目标是电机的性能越优秀越好，能够从本体优化来进行改善，也可以加强对电力电子装置的控制来改善其性能，还可以使用先进的控制策略[5]。实现控制系统向轻量、智能和省电的方向进步。1.4本设计课题的任务和内容(1)学习了解BLDC的基本原理、磁路结构、定子和绕组，应用和发展趋势。(2)研究其典型运行控制方式和检测方法。(3)设计三相无刷直流电机的控制电路：三相半控电路；三相星型全控电路；三相三角型全控电路。(4)使用芯片MC33035专用芯片来控制电机实现各种功能，其中包括：起动停止，正反转控制，转速控制。(5)使用软件Protel绘制，绘出上面三种运行控制方式和检测方法的电气原理图。(6)用软件测出模拟数据，进行分析(7)器件连线，对实物进行测试分析。2无刷直流电机的结构和工作原理2.1无刷直流电机的结构 无刷直流电机是由电子开关线路、永磁式同步电机以及位置传感器三部分组成的电机系统[6]。如图2-1所示。其定子和转子位置与有刷直流电机的差不多，绕组的接线一样。两者在结构上有很大区别：因为其不具有换向器和电刷这两部分，由位置传感器代替，得利用电子换向器来进行换向。无刷直流电机构造比较简单，维护和制造成本低。图2-1无刷直流电机组成框图图2-2无刷直流电机模型无刷直流电机的定子和转子结构有两种，第一种构造和直流电机差不多，常用在吊扇、电动车等上面的，其转子在外面，外壳一起旋转，定子在里面，主轴是固定的。另一种结构相反，其外壳是固定住的，中间的轴是转动的，这种电机比较常见也较常使用，本设计使用的电机就是这种电机。2.2无刷直流电机的工作原理在构成中，线圈绕组是作为电机的定子，永磁体作为电机转子。通过对转子位置检测，向控制芯片输出信号，按照其位置向对应线圈通电，产生磁场，其方向与定子磁极的磁场方向相反，产生相互作用力，并且方向在均匀的变化，在这种力的作用下，转子这时候就能跟着其变化而旋转起来[7]。图2-3无刷直流电机转动原理如图2-3所示，线圈U相、V相、W相分别接上功率管，当位置传感器导通时，功率管的G极接+12V，此时功率管接通，与之相应的U相V相W相线圈也就导电。伴随着转子在持续转动，转动到一定的位置后，位置传感器得到感应会进行导通，通过该位置后，下个位置的传感器接着导通，线圈就能够实现依次通电，定子产生的磁场不断地变化，转子跟着转动起来[8]。2.3磁路结构和定子绕组转子磁极一般由四或六个永磁体组成。当要增加电机的转子数量时，电机的定子绕组也需要相应增加，但驱动电路的数量不变。转子永磁体产生主磁场，由S极指向N极，形成闭合回路。绕组在导通电流之后，与转子磁极的磁场产生相互作用力，也就实现了将电能向机械能的转化，因此定子绕组也叫电枢绕组。3无刷直流电机控制系统的设计方案3.1无刷直流电机控制系统的设计控制系统主要由硬件部分组成，其中使用最主要的芯片MC33035来进行控制。其余组成部分：直流电源、驱动桥、保护电路和传感器电路。如图3-1所示：图3-1硬件系统框图(1)电源电路电源电路由直流电源组成。(2)驱动电路目前，无刷直流电机大都采用6个功率器件来组成全控桥，或用3个来组成半控桥，使用集成化、智能化的功率模块来提升系统可靠性。IR2110具有3个主要功用：逻辑输入，电平的平移和输出保护。IR2110具有的特点，系统设计起来很方便。高端悬浮自举电源，能够很大的降低驱动电源的数量，使一组电源就能够控制上下端。要避免隔上臂的短路，电路中增加离二极管和自举电容。(3)位置检测器位置检测器可以测到转子旋转到了什么位置，当转子磁极转到绕组一定的位置后会产生位置信号，这个信号可以给驱动桥提供换相信号，接着不同线圈会通电。霍尔元件有线性的和开关的。线性霍尔元件输出模拟量，其精度较高、线性度较好，温度范围宽；开关霍尔元件输出数字量，其无触点、无磨损、输出小形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高、温度范围宽。(4)专用芯片MC33035专用芯片MC33035是控制中心，实现各种速度控制和伺服功能，完成下列功能：（a）可控制电机正反转；（b）启停功能；（c）能够选择传感器的相位差为60还是120°；（d）欠压闭锁保护，IC温度过高保护和故障输出。(5)保护电路当电机在刚开始通电进行起动时，其转速比较低，反电动势不大，但是此时的起动的电流比较大，对电机会产生较大的损伤，所以设计保护电路，用来避免产生短路和过载。3.2无刷直流电机控制系统设计方案的比较无刷直流电机具有很多优点，最主要的是其结构简单，不需要进行定期维护，进行调整和起动性能好。在转速控制上，数字调速系统已被模拟的所代替。如今，调速系统主要应用两类控制方案:第一种是用单片机来进行控制。第二种是专用集成电路进行控制。第一种方案优点是可以对单片机进行编程，应用比较广范，方便灵活。第二种方案的优点是能够减少一些成本，并且在可靠性上还能得到提高，但是也有不足，就是在应用时可能不太灵活。各种需要的功能可以通过使用电机控制器来实现，其主要的功能包括：处理输入信号，可以给驱动电路提供控制信号，还能够控制正反转和速度，还可以对其进行欠电压以及过载保护等。本设计使用了MC33035芯片作为控制芯片。此芯片是驱动专用芯片，其使用起来比较方便、成本低、价格相对便宜、抗干扰的能力强。可以增添附加电路，将其控制功能进行相应的完善。芯片的原理是使用电子装置控制线圈电流换相，位置传感器感应转子的位置产生电信号，芯片得到传感器信号后，来进行换相的顺序和时间控制，从而能够完成其方向的转换和速度的控制。基于芯片MC33035的无刷直流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[9]。使用这种方案也具有一些缺点，其在使用时不够灵活智能化，升级的空间较低。使用霍尔元件的场合较多，因为用到的霍尔传感器价格较低，使用也比较方便。不过具有一些不足，在无刷直流电机慢速转动时不能够实现对速度的精确调控。绕组不同的组合会有不一样的性能，其成本也会不同。我们的选择将参考于以下三个指标：（1）绕组利用率。与普通直流电机情况不同，BLDC每相绕组的电流导通相互之间是有间断的。当把电机通电的导体数给增加后，电阻也就降低，提高电机的效率可以增加绕组的利用率。目前看来，三相绕组要比四相和五相绕组更合适。（2）转矩脉动。其输出转矩脉动要比较大。桥式主电路要比非桥式的转矩脉动小。当相数变得越多时，转矩的脉动就会变得越小。（3）电路成本。当电机内部的相数越多，对应的电机驱动桥所使用开关管的数量也就越多，每台电机的成本相对就升高。因为桥式全控主电路所使用的开关管数量很多，要比桥式半控所使用的数量多一倍，对应的成本也就升高；多相电机使用的驱动桥结构相对复杂，成本也偏高。因此，△型和Y型连接三相桥式主电路。4无刷直流电机控制系统的硬件设计4.1专用芯片的介绍MC33035是无刷直流电机控制器专用集成电路，主要组成部分包括转子位置传感器译码器电路；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；限流电路[10]。主要的功能包括对无刷直流电机进行速度控制，控制其开和关，转动方向进行控制和能耗制动的控制。MC33035的组成：（1）转子位置译码器；（2）限流保护电路；（3）温度补偿的内部基准电源；（4）RT及CT锯齿波振荡电路；（5）脉宽调制比较器；（6）误差放大器；（7）输出驱动电路；（8）欠压、过载保护电路。图4-1MC33035管脚排列图4.2驱动桥主电路设计本设计中如采用全桥需要使用6个MOS管，采用半桥只需使用3个MOS管。全桥和半桥具有的优缺点：采用全桥的话控制比较简单效率高。半桥的效率要比全桥的效率低，因为使用的MOS管数量要比全桥使用的数量少，所以其成本要低。4.2.1驱动开关元件选择MOS管的操作原理与双载子晶体管不同，MOS管的制造成本较低，体积比较小并且其整合度要更高，也被广泛用在大规模集成电路中。因为MOS管被不停的改良，其性能也越来越好，现在多被普遍应用在需求电子开关电路中，在日常生活中很广泛，在开关电源、电机驱动，还有照明调光中常用到。进行比较可知，IGBT的开关速度要比MOS管低，GTR可能会出现二次击穿，GTO常用于大功率场合，开启和关闭的速度频率低，MOS管开关的速度快，且构成较简单，其需要的驱动功率小，不会被二次击穿。通过以上进行的比较，选择MOS管更合适。4.2.2三相半控，全控电路图4-2三相半控电路三相半控电路结构简单，不过电机的使用率是较低的，每相的绕组导通了三分之一的周期，从而电机并没得到很大程度的使用。图4-3三相全控Y电路图4-3是三相全控星型电路，电机的绕组为星型连接。Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6为6只P型MOS管，起到绕组开关的作用。Q1、Q2、Q3是高电平有效，Q4、Q5、Q6是低电平有效。它们之间的导通方式为三个三个为一组导通。三相全控星型电路，电机的绕组是星型连接，6个MOS管，导通方式为三三导通，过了60°电角度之后，其合成转矩的值是1.5Ta。再过了60°的电角度之后，换相到下一组的三个MOS管通电之后，合成转矩的值还是1.5Ta，以此类推，其合成转矩如图4-4，电压波形如图4-5所示。图4-4三三导通的合成转矩图4-5Y连接三三导通方式电压波形图图4-6三相全控△电路图4-6最后的转矩合力与图4-4合成转矩相似，大小为LA相的1.73倍。4.2.3功率模块IR2110介绍其输出驱动隔离电压能到500V；抗干扰效果较为理想；芯片门输入驱动范围为10-20V；可驱动高压高频器件，工作频率高，能够达到500KHz；开通关断延迟小[11]。IR2110典型工作参数如表4-1所示[12]。表4-1IR2110工作参数参数最小值/V最大值/VVBVS+10VS+20VS-4500HOVSVBVCC1020LO0VCCVDDVCC+4.5VCC+20VSS-5+5HIN,SD,LINVSSVDD4.2.4IR2110各个脚管图4-7IR2110以下是IR2110引脚的介绍：VDD（引脚9）:逻辑电源电压HIN（引脚10）:逻辑高端输入SD（引脚11）:关断LIN（引脚12）:逻辑低端输入VSS（引脚13）:逻辑电路地电位端，其值可以为0VNC（引脚4）:空端NC（引脚8）:空端HO（引脚7）:高端输出VB（引脚6）:高端浮置电源电压VS（引脚5）:高端浮置电源偏移电压NC（引脚14）:空端VCC（引脚3）:低端固定电源电压COM（引脚2）:公共端LO（引脚1）:低端输出4.2.5驱动电路图图4-8全控△型驱动电路图4-9全控Y型驱动电路图4-10半控驱动电路本文的设计中为了避免出现上臂短路的状况，在驱动电路中分别添加了隔离二极管和自举电容[13]。4.3开关电路图4-11开关电路当电机开关S2关闭时，电机通电开始转动，开关S4关闭时，可决定控制电路是工作在60°还是120°的传感器电气相位输入，开关S4关闭能够调整电流的方向，进而能够改变电机旋转方向。4.4稳压电路图4-12稳压电路图4-12为稳压电路，稳压二极管构成，该电路为芯片17、18管脚输送平顺的电压10V-30V。17管脚正电源让控制器正常运行，18管脚Vc底部驱动输出高端电压。4.5调速电路图4-13调速电路电路调速是通过改变PWM的输入，使用MC33035平均的改变电机每相的电压值来完成速度的调节。4.6RC振荡电路图4-14RC振荡电路振荡的基本原理：生成振荡就是让电路自激，进而生成不断的振荡，从直流变为交流。对于RC振荡器来说，直流电源就是能源[14]。4.7过流保护电路系统在正常工作运行当中，很难避免会出现一些特殊的情况，为了防止出现的意外状况对电路及芯片造成不可挽回损坏，要重视对电路的保护，所以在电路设计的过程中将其加入是很有必要的。我们需要加的保护电路有欠压以及过电流保护。在电机专用芯片MC33035中是具有欠电压保护的，因此主要研究的是对电路的过电流保护。当负载短路、过负荷时，这会造成控制电路的电流变得很大，会开始发热，再甚可能会过热烧毁，如果在控制系统中没有设置保护，那么三极管和芯片很大概率会被烧坏。当电机在刚开始通电起动时，起动的电流较大，转动速度在此时很慢，反电动势很小，此时可能会对电机的线路和元器件造成损坏，所以要在控制电路中加入过电流保护电路。这个电路的好处是不利用处理器来进行断定是不是过电流，它能够很快的做出需要的反应，在电机刚开始起动的时候，能够很好的保护我们的电机控制系统，避免遭到破坏。图4-15过电流保护电路5测试与分析PCB板实物和整体连接如图5-1和图5-2所示。图5-1电路板实物图本设计基于专用芯片MC33035，这个控制系统具有结构简单，成本低，保护功能完善的优点。做了以下工作：(1)使用专用芯片为控制芯片，从而加强对无刷直流电机的控制；(2)完善了控制系统，可以实现系统的过流保护；(3)设计加入了驱动电路、保护电路，可以用来提升可靠性；图5-2整体连接图将无刷直流电机控制系统通电测试，打开开关，电机转动，通过旋钮对速度进行调节，通过测速仪测试得到数据，如下图所示：图5-3为低转速测试，此时旋钮处于前段，电压为12V，转速为6340r/min图5-3测速图A图5-4为反转中速测试，此时旋钮处于中段，电压为15V，转速为7900r/min图5-4测速图B图5-5为高转速测试，此时旋钮处于后段，电压为19.1V，转速为10085r/min图5-5测速图C通过测试电机的运行稳定，此系统与单片机控制相比，该系统使用起来方便、成本低、抗干扰的能力强，并且可靠性得到提高。对起动与阶跃负载进行仿真，算法采用ode45，仿真的参数由系统默认，仿真时间0.1s，给定转速2000r/min，在0.03s处加载一个大小为4N•M的阶跃负载。仿真波形如图5-6至图5-8所示。进行分析：由波形可以进行计算得到最大超调量：Mp=80/2000×100%=4%；上升时间：tr=4×10-3s；调整时间：ts=7×10-3s；图5-6转速响应图5-7定子相电流及反电动势图5-8转矩通过图5-6的电流波形可以看出电机起动电流大，通过图5-8可以看出其起动转矩大，因此在很短时间内能达到最高的速度，这方面要比有刷电机更优秀。线路电压尖波是因为换向导致的，通过线电压波形可以看出对进行了调制，这个系统已经差不多达到了稳态误差的速度。本设计模拟中有些不足就是只有一个闭环速度控制，从而没法抑制电源电压产生的波动。所以，在一个固定的直流电源仿真使用的电压，这样可以避免有较大的电压波动，在此基础上来展开仿真。可换向调速仿真，在0.03s时将转速改为-2000r/min，电机空载运行。波形如图5-9和图5-10所示。图5-9转速图5-10定子电流、线电压能够得到很不错的完成了可逆调速。当电机反转时，此时的定子电流最大值要远远高于正转时的最大值，是由于电机正向制动使用的是电枢反接制动的原因。本实物的设计有可以改进的地方，可以增添测速系统，免去了手动测速的环节，就可