基于MC33035+MC33039的直流無(wú)刷電機(jī)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

應(yīng)弋翔 何嘉冰 李沈崇 史亦飛 許宇翔

摘? 要：文章詳細(xì)介紹了Motorola公司的第二代直流無(wú)刷電機(jī)控制器專用芯片MC33035的基本原理，在分析了直流無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀后，設(shè)計(jì)了基于MC33035和MC33039及一些集成電路構(gòu)成的小功率直流無(wú)刷電機(jī)的速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了調(diào)試及試驗(yàn)，確認(rèn)了其簡(jiǎn)單和優(yōu)越的控制性能。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中加入了電機(jī)的過(guò)溫保護(hù)，使無(wú)刷電機(jī)在實(shí)際工作環(huán)境中無(wú)故障安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：MC33035;MC33039;直流無(wú)刷電機(jī);閉環(huán)控制

中圖分類號(hào)：TM359.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）24-0049-04

Abstract： In this paper， the basic principle of MC33035， a special chip for the second generation brushless DC motor controller made by Motorola Company， is introduced in detail. After analyzing the structure characteristics and application status of the brushless DC motor， the speed closed loop control system of low power brushless DC motor based on MC33035， MC33039 and some integrated circuits is designed， debugged and tested， and its simple and superior control performance is confirmed. In the process of design， the overtemperature protection of the motor is added， so as to make the brushless motor operate safely without fault in the actual working environment.

Keywords： MC33035; MC33039; brushless DC motor; closed-loop control

引言

近年來(lái)，我國(guó)中小型電機(jī)和特微電機(jī)行業(yè)迅速發(fā)展，其中直流無(wú)刷電機(jī)以其高效低噪等特點(diǎn)逐漸取代有刷電機(jī)，成為行業(yè)的一顆新星。但是有許多的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)不具有調(diào)速功能和故障保護(hù)功能。本文基于這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)出能對(duì)各種輸入信號(hào)進(jìn)行邏輯分析，為驅(qū)動(dòng)電路提供各種控制信號(hào);實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速，實(shí)現(xiàn)電路的短路、過(guò)載、欠電壓等故障保護(hù)功能的直流無(wú)刷電機(jī)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。

直流無(wú)刷電機(jī)是由電子開(kāi)關(guān)線路、永磁式同步電機(jī)以及位置傳感器三部分組成的電機(jī)系統(tǒng)[1]。可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，具有體積小、重量輕、出力大、效率高、轉(zhuǎn)矩特性優(yōu)異的特點(diǎn)。

直流無(wú)刷電機(jī)由于其轉(zhuǎn)速特性良好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間特性優(yōu)異的特點(diǎn)可應(yīng)用于轉(zhuǎn)速需要在某個(gè)范圍內(nèi)變化的場(chǎng)合，例如新能源汽車中的調(diào)速控制系統(tǒng)，家用電器當(dāng)中的水泵等。直流無(wú)刷電機(jī)的應(yīng)用能更好的提高電器的工作效率，提高產(chǎn)品的綜合使用性能。

1 MC33035和MC33039的原理與電路設(shè)計(jì)

MC33035是Motorola公司第二代無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制專用集成電路芯片，外接功率開(kāi)關(guān)器件和電子測(cè)速器MC33039，可構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)來(lái)控制三相（全波或半波）、兩相或四相直流無(wú)刷電機(jī)，具有電路連接簡(jiǎn)單、速度閉環(huán)控制性能良好等優(yōu)點(diǎn)。

MC33039是Motorola公司配合MC33035專門(mén)設(shè)計(jì)的無(wú)刷電機(jī)閉環(huán)速度控制器，這是一個(gè)8腳的雙列直插式集成電路塊。MC33039對(duì)輸入的霍爾傳感器檢測(cè)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行相關(guān)的處理，產(chǎn)生與電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速成正比的轉(zhuǎn)速電壓信號(hào)。MC33039的輸出fout（引腳5）經(jīng)控制電路中的低通濾波電路環(huán)節(jié)，引入MC33035的誤差放大器的反相輸入端，而轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)積分環(huán)節(jié)輸入MC33035的誤差放大器的同相輸入端，從而構(gòu)成系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。

1.1 MC33035和MC33039的功能說(shuō)明

MC33035主要組成部分包括轉(zhuǎn)子位置傳感器譯碼器電路;帶溫度補(bǔ)償?shù)膬?nèi)部基準(zhǔn)電源;頻率可設(shè)定的鋸齒波振蕩器;誤差放大器;脈寬調(diào)制（PWM）比較器;輸出驅(qū)動(dòng)電路;欠電壓封鎖保護(hù)、芯片過(guò)熱保護(hù)等故障輸出;限流電路。MC33035的典型控制功能包括PWM速度控制、使能控制（啟動(dòng)或停止）、正反轉(zhuǎn)控制和能耗制動(dòng)控制[2]。MC33035的電路設(shè)計(jì)如圖1所示。

在MC33039與MC33035構(gòu)成的電機(jī)速度控制系統(tǒng)中，MC33035需要一個(gè)和電機(jī)速度成正比的輸入電壓。本文設(shè)計(jì)的閉環(huán)控制回路通過(guò)MC33035的管腳8輸出的電壓給MC33039供電，使其產(chǎn)生需要的反饋電壓。該輸出電壓不能作為整個(gè)電路回路中所有芯片的供電電壓，雖然電壓幅值達(dá)到要求，但由于該電壓為芯片輸出，在電流輸出，功率傳遞上可能會(huì)存在不穩(wěn)定的情況，影響電路運(yùn)行。

MC33039的1、2、3腳接收霍爾效應(yīng)傳感器的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。霍爾效應(yīng)傳感器接收到的信號(hào)每次進(jìn)行正負(fù)極轉(zhuǎn)換都會(huì)引起MC33039產(chǎn)生一個(gè)輸出脈沖信號(hào)，這個(gè)脈沖信號(hào)通過(guò)外接的低通濾波電路平滑，接入到MC33035的誤差信號(hào)放大器（引腳12），產(chǎn)生一個(gè)和電機(jī)速度成正比的直流電壓。這個(gè)和電機(jī)速度成正比的電壓對(duì)MC33035的PWM輸入端（引腳13）進(jìn)行設(shè)定，形成了反饋回路。（MC33039的引腳5、MC33035的引腳12、13，這三個(gè)引腳影響著電機(jī)的閉環(huán)控制，所以在閉環(huán)存在問(wèn)題時(shí)，可以優(yōu)先考慮這部分的電壓變化是否符合邏輯關(guān)系）。

在直流無(wú)刷電機(jī)的速度控制回路中，通常使用PWM方式對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。在電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制回路中，通過(guò)翻轉(zhuǎn)定子繞組電壓來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)向。采用電機(jī)內(nèi)置的霍爾效應(yīng)傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，接入到MC33035中。MC33035的三個(gè)傳感器輸入端（引腳4、5、6）接收到霍爾效應(yīng)傳感器位置信息后，對(duì)其進(jìn)行譯碼，通過(guò)六個(gè)有效編碼分辨出電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)的邏輯關(guān)系真值表見(jiàn)表1。

1.2 MC33035電路設(shè)計(jì)

搭建速度閉環(huán)反饋電路和模擬量調(diào)速電路，具體見(jiàn)圖2和圖3所示。

1.3 速度調(diào)節(jié)回路設(shè)計(jì)（圖3）

1.4 過(guò)溫保護(hù)回路設(shè)計(jì)

考慮到在環(huán)境溫度較高的情況下，減少電機(jī)出現(xiàn)故障的可能性，設(shè)計(jì)了一個(gè)智能風(fēng)扇調(diào)速控制器，通過(guò)溫度傳感器發(fā)出信號(hào)使風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速加快從而實(shí)現(xiàn)智能降溫，使電機(jī)工作環(huán)境溫度下降;在環(huán)境溫度下降后，傳感器發(fā)出信號(hào)，帶動(dòng)風(fēng)扇的扇葉轉(zhuǎn)速減慢，從而實(shí)現(xiàn)溫度控制的智能化。電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

2 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

搭建基于MC33035和MC33039的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)試了不同轉(zhuǎn)速下的電壓信號(hào)。調(diào)節(jié)圖3中的阻值10K的電位器實(shí)現(xiàn)直流無(wú)刷電機(jī)的速度調(diào)節(jié)，測(cè)量圖2中的fout引腳電壓和無(wú)刷電機(jī)的霍爾轉(zhuǎn)速信號(hào)，繪制表2所示。輸入電壓TS1與輸出電壓fout及電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系見(jiàn)表2，由表2可知，輸入電壓與轉(zhuǎn)速之間具有良好的線性關(guān)系，反饋信號(hào)fout與電位器信號(hào)的差值很小，即系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差小。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于MC33035和MC33039的直流無(wú)刷電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)具有電路簡(jiǎn)單，價(jià)格經(jīng)濟(jì)，可靠性強(qiáng)，輸出穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)直流無(wú)刷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，無(wú)級(jí)調(diào)速與速度閉環(huán)控制。添加了故障保護(hù)功能，在環(huán)境溫度過(guò)高的情況下，利用溫度從傳感器使風(fēng)扇轉(zhuǎn)速提高，以達(dá)到降溫的作用，可適用于低功率、中等轉(zhuǎn)矩的場(chǎng)合。

參考文獻(xiàn)：

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