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摘要：分析并確定了高速無刷直流電機驅(qū)動控制器主回路的導通方式。控制器是以專用芯片和Mc33039來進行設計。位置反饋采用霍爾傳感器，開關(guān)器件采用MOsFET管。設計有轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)控制、正反轉(zhuǎn)、過電流保護等。實驗表明，系統(tǒng)運行良好，性能穩(wěn)定，達到了預期的目標，具有一定的實用價值。
　　關(guān)鍵詞：無刷直流電機；高速；速度閉環(huán)；控制器；實驗弓l  言高速電機具有體積小、功率密度高、可直接驅(qū)動高速負載等優(yōu)點，在航空、航天、航海測試平臺及導航系統(tǒng)、機械加工的高速磨削、銑床設備和醫(yī)療器械等領域中得到廣泛應用。傳統(tǒng)的高速驅(qū)動電機如直流電機、異步電機和同步電機，存在結(jié)構(gòu)復雜或效率較低等不足。而近幾年發(fā)展起來的無刷直流電動機是一種用電子換向裝置代替機械換向裝置的新型直流電動機，通常采用永磁體轉(zhuǎn)子，因此沒有激磁損耗；其發(fā)熱的電樞繞組又通常裝在外面的定子上，熱阻較小，散熱容易；具有效率高、過載能力強、無換向火花等優(yōu)點，是高速電機的一個重要發(fā)展方向。
　　本文設計了一種具有低價格、高效率的小功率專用高速無刷直流電動機控制器。介紹了無刷。直流電動機的工作原理，分析并確定了主回路的導通方式。控制器以專用芯片Mc33035和來進行設計。位置反饋元件有霍爾傳感器反饋接口。開關(guān)器件采用MOsFET管，設計有轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)控制、正反轉(zhuǎn)、過電流保護等。實驗表明，本文提出的控制系統(tǒng)運行良好，性能穩(wěn)定，達到了預期的目標，而且該系統(tǒng)具有很強的可擴展性及可移植性，具有一定的實用價值。
　　系統(tǒng)工作原理及總體方案根據(jù)技術(shù)要求，以Mc33035為核心構(gòu)成的控制系統(tǒng)采用PWM方式控制電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，采用電機內(nèi)置的霍爾傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置。由接收霍爾傳感器的位置信號，并對其進行譯碼，對應的真值見表1。以電機驅(qū)動芯片：33039作為功率變換元件，采用三相全橋驅(qū)動。
　　整個控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制�？刂瓶驁D如圖所示。外環(huán)是速度環(huán)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，均采用控制，以消除靜差。電機剛起動時，系統(tǒng)基本上為恒流控制，即內(nèi)環(huán)起作用，當轉(zhuǎn)速達到一定值后，系統(tǒng)基本表現(xiàn)為一個恒轉(zhuǎn)速系統(tǒng)。這樣既能保證系統(tǒng)起動時響應速度快，整體上又是一個無靜差系統(tǒng)，能達到很高的控制精度。

　　從電機轉(zhuǎn)子位置檢測器送來的三相位置檢測信號一方面送人Mc：33035(sa，sb，sc)，經(jīng)芯片內(nèi)部譯碼電路結(jié)合正反轉(zhuǎn)控制端、起�？刂贫�、制動控制端、電流檢測端等控制邏輯信號狀態(tài)，經(jīng)過運算后，產(chǎn)生三相逆變器上、下橋臂開關(guān)器件的6路原始控制信號，其中，三相下橋開關(guān)信號還要按電機調(diào)速機理進行脈寬調(diào)制處理，即產(chǎn)生PwM調(diào)制信號。另一方面，轉(zhuǎn)子位置檢測信號還送人進行F/y轉(zhuǎn)換，得到一個頻率與電機轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號F0ut。Fout通過簡單的阻容濾波后形成轉(zhuǎn)速反饋信號送入Mc：33035的PwM輸入端，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，以提高電機的機械特性。
　　硬件設計電流限制采用分流電阻進行電流檢測的電路示意圖如圖2所示。其中分流電阻接在功率驅(qū)動橋的下端與功率板地線之間。因為Mc33035的管腳9內(nèi)部連接著比較器的正相輸入端，故該比較器的反相輸入端可為芯片內(nèi)部提供100 mV的標準電壓。分流電阻的阻值一般比較小。本設計中采用康銅絲來代替，R21取值為0．051Ω／3w。
　　事實上，由分壓關(guān)系可得：
　　式中，，Imax為電機****允許電流(設為10 A)；R21為分流電阻；I00（mv)代表的是過流檢測比較器的反相輸入端的輸入電壓。

　　管腳9的輸入電壓為過流檢測比較器的正相輸入端．這樣，通過選擇合適的R8、R9(阻值盡量大)的值，并滿足以上關(guān)系，便能起到很好的過流保護作用。對于本設計：R8／R9=10 xO．05的-1次方這樣，可取R8為120Ω，Rq為30Ω。
　　速度閉環(huán)設計  Mc3：3039是專為無刷直流電動機閉環(huán)速度控制設計的集成電路。系統(tǒng)不必使用高價的電磁式或光電測速機，就可實現(xiàn)精確調(diào)速控制。它直接利用三相無刷直流電動機轉(zhuǎn)子位置傳感器3個輸出信號，經(jīng)F／V變換成正比于電動機轉(zhuǎn)速的電壓信號。
　　腳1、2、3接收位置傳感器3個信號，經(jīng)有滯后的緩沖電路，抑制輸人噪聲。經(jīng)“或”運算得到相當于電動機每對極下6個脈沖的信號。再經(jīng)有外接定時元件cT和Rr的單穩(wěn)態(tài)電路，從腳5輸出的fout信號的占空比與電動機轉(zhuǎn)速有關(guān)，其直流分量與轉(zhuǎn)速成正比，此信號經(jīng)R5,C6，R6低通濾波器處理后，即可得到與轉(zhuǎn)速成正比的測速電壓，送人Mc33035 PwM輸入端進行閉環(huán)控制。
　　由課題可知，從Mc33039的管腳5輸出的脈沖數(shù)是電動機每一轉(zhuǎn)輸出的3×4=12個脈沖數(shù)。
　　本設計是按電動機的****轉(zhuǎn)速來選擇定時元件。
　　設計中，電動機的****轉(zhuǎn)速為15 000 r／min，即／s)。此時每秒輸出的脈沖數(shù)是250×個，即頻率為3 000 Hz，周期約為O．33 ms。
　　可取定時元件R1為250 kΩ，c1為750tPF。
　　誤差放大器Mc33035中的誤差放大器外圍電路參數(shù)如圖4所示。開關(guān)閉合時。則為開環(huán)速度控制，此時放大器被接成增益為1的電壓跟隨器；而開關(guān)斷開時。則為閉環(huán)速度控制。此時放大器增益為lO。圖3中的電容c3起平滑濾波作用。改變圖中R4的值可以改變控制器的調(diào)速范圍。

　　振蕩器由于PwM頻率約為24 kHz，Mc：
　　的振蕩器元件參數(shù)為：R2選5.l kΩ，C2選0．01μ其連接方式如圖4所示。
　　驅(qū)動部分本文所采用的驅(qū)動模塊是上橋臂通過光耦進行驅(qū)動，而下橋臂則是直接驅(qū)動。圖為上橋臂的M0sFET功率管V橋臂的驅(qū)動電路圖。其中光耦起到隔離信號的作用。要驅(qū)動功率管，需接一阻值約為60 n的電阻。圖中采用個電阻并聯(lián)是為了防止電流過大而燒毀電阻。圖中，6個功率管都是N溝道功率MOsFET的柵極。其中上側(cè)3個MOsFET的源極和下側(cè)3個柵極。它們均由Mc33035驅(qū)動。上側(cè)功率M0sFET由低電平驅(qū)動，下側(cè)功率M0sFET由高電平驅(qū)動；每次各有一個上側(cè)功率M0sFET和一個下側(cè)功率MOSFET導通，且受Mc33035的控制。正常工作時，上下兩個導通的功率應不在同一橋臂上。其連接方式為：上橋臂驅(qū)動信號與Mc33035的管腳l、2、24相連，下橋臂驅(qū)動信號依次與Mc33035的管腳19、20、相連。

　　由于光耦Pc817需要3 v以上的電壓才能工作，因此接的電阻不應過大或過小。課題中所給的開關(guān)電源是5 V。綜上所述，取2個3．6 kn電阻并聯(lián)可以達到預期效果。光耦前接的三極管是用對信號進行放大，以使得光耦能夠正常工作。

　　故障延時鎖存在錯誤指示輸出腳14和使能腳7加入Rc電路后可實現(xiàn)過流延時鎖存的關(guān)斷，以用于區(qū)別電機起動與過載情況下的持續(xù)工作。
　　由于提供額外的起動轉(zhuǎn)矩可使有較大惰性的電機起動更容易，并能保持過流保護功能。故可通過將電流極限設為高于正常值并達到一定的時間的方法來實現(xiàn)。在過流時間超長情況下，電容充電將造成使能端的輸入超過門限值而變成低電平，從而通過錯誤指示輸出腳到使能輸出腳的正反饋回路形成鎖存。但應注意電流檢測輸入一旦設定．就只有通過將電容短路或電源重置才能復位。
　　溫度采集電路MOsFET在工作時，為了防止異常情況功率開關(guān)器件過熱，采用熱電阻溫度傳感器Pnoo。其測量溫度范圍一50℃～+600℃，℃時電阻值為1[)(】±O 06 Ω，允通電流≤5 mA，具有抗振動、穩(wěn)定性好、準確度高、耐高壓等特點。設計了溫度采集、處理、保護電路。具體電路如圖7所示。該電壓信號經(jīng)過調(diào)整、放大后進行比較。當溫度大于預先設定值時，關(guān)閉Mc33035
　　輸出。