小功率无刷直流电动机概述.docx

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小功率无刷直流电动机概述

摘要

介绍以专用控制芯片 MC33035、MC33039为核心构成的家用传动装置中永磁无刷直流电机控制器设计，无刷直流电机一般是小型的电机一般采用L298N驱动，他一般可以同时驱动两电机，如果担心驱动不够就可以采用两个L298N。

其内部原理是采用H桥式差动放大。

L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。

是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，主要涉及核心控制电路的构成，功率开关元件的驱动。

实现以敏感元件（霍尔元件）为速度反馈电路的双闭环无级调速系统驱动。

　　关 键 词：

无刷直流电机；专用控制芯片；控制器；功率开关元件；设计

　　Abstract

 This paper investigated the design of the permanent magnet brushness DC （PMBLDC） motor controller applying the special integrated circuits for service of driver for home , including the construction of main control circuits , the driving of power semiconductor. It actives to control driver of double close – loop no-grade speed – controlled system by magnetically activated integrated circuits （hall effect switches） .

　　Key words :

 PMBLDC motor ;special integrated circuits; controller; driving of power – semiconductor ; design

第一章绪论

1.1对小功率无刷直流电机的认识

一种用电子换向的小功率直流电动机。

又称无换向器电动机、无整流子直流电动机。

它是用半导体逆变器取代一般直流电动机中的机械换向器，构成没有换向器的直流电动机。

这种电机结构简单，运行可靠，没有火花，电磁噪声低，广泛应用于现代生产设备、仪器仪表、计算机外围设备和高级家用电器。

无刷直流电动机由同步电动机和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。

同步电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。

而转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。

驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：

接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。

无刷直流电动机由一台同步电机、一组转子位置检测器和一套受位置检测器控制的自控式逆变器组成。

中小型电机的逆变器一般由晶体管组成；大型电机的逆变器通常采用晶闸管构成,称为晶闸管电动机。

置（例如90°或120°电角度）,位置检测器便产生相应的信号，作用于对应的半导体元件，使相应的相绕组通电，产生转矩。

电动机转子每转过一对磁极，各半导体元件轮流导通一周，逆变器输出的交流电相应地变化一个周期。

所以自控式逆变器的输出频率和电动机的转速始终保持同步，不会出现失步现象。

在小型无刷直流电动机中，逆变器由晶体管组成。

由于晶体管具有自关断能力，只要其基极上的控制信号消失，晶体管就自行关断，所以控制比较简单。

在容量较大的无刷直流电机中，逆变器由晶闸管组成。

晶闸管没有自关断能力，不能靠除去触发信号使其关断。

所以当一相电流需要截止，让另一相通电时，如何关断原先导通的晶闸管，把电流转移到新的一相晶闸管，即晶闸管之间的换流问题是晶闸管电机的技术关键。

1.2本课题的研究意义

实用性新型无刷电机是与电子技术、微电子技术、数字技术、自控技术以及材料科学等发展紧密联系的。

它不仅限于交直流领域，还涉及电动、发电的能量转换和信号传感等领域。

在电机领域中新型无刷电机的品种是较多的，但性能优良的无刷电机因受到价格的限制，其应用还不十分广泛。

下面分别就主要的新型无刷电机进行探索与研究。

直流无刷电动机与一般直流电动机具有相同的工作原理和应用特性，而其组成是不一样的。

除了电机本身外，前者还多一个换向电路，电机本身和换向电路紧密结合在一起。

许多小功率电动机的电机本身是与换向电路合成一体，从外观上看直流无刷电动机与直流电动机完全一样。

直流无刷电动机的电机本身是机电能量转换部分，它除了电机电枢、永磁励磁两部分外，还带有传感器。

电机本身是直流无刷电机的核心，它不仅关系到性能指标、噪声振动、可靠性和使用寿命等，还涉及制造费用及产品成本。

由于采用永磁磁场，使直流无刷电机摆脱一般直流电机的传统设计和结构，满足各种应用市场的要求，并向着省铜节材、制造简便的方向发展。

永磁磁场的发展与永磁材料的应用密切相关，第三代永磁材料的应用，促使直流无刷电机向高效率、小型化、节能方向迈进。

为了实现电子换向必须有位置信号来控制电路。

早期用机电位置传感器获得位置信号，现已逐步用电子式位置传感器或其它方法得到位置信号，最简便的方法是利用电枢绕组的电势信号作为位置信号。

要实现电机转速的控制必须有速度信号。

用获得位置信号相近方法取得速度信号，最简单的速度传感器是测频式测速发电机与电子线路相结合。

直流无刷电机的换向电路由驱动及控制两部分组成，这两部分是不容易分开的，尤其小功率用电路往往将两者集成化成为单一专用集成电路。

　　在功率较大的电机中，驱动电路和控制电路可各自成为一体。

驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电路。

目前，驱动电路已从线性放大状态转成脉宽调制的开关状态，相应电路组成也从晶体管分立电路转成模块化集成电路。

模块化集成电路有功率双极晶体管、功率场效应管和隔离栅场效应双极晶体管等组成形式。

虽然，隔离栅场效应双极晶体管价格较贵，但从可靠安全和性能角度看，选用它还是较合适的。

控制电路用作控制电机的转速、转向、电流（或转矩）以及保护电机的过流、过压、过热等。

上述参数容易转成模拟信号，用此来控制较简单，但从发展来看，电机的参数应转换成数字量，通过数字式控制电路来控制电机。

当前，控制电路有专用集成电路、微处理器和数字信号处理器等三种组成方式。

在对电机控制要求不高的场合，专用集成电路组成控制电路是简单实用的方式。

采用数字信号处理器组成控制电路是今后发展方向，有关数字信号处理器将在下面交流同步伺服电动机中介绍。

目前，在微小功率范畴直流无刷电动机是发展较快的新型电机。

由于各个应用领域需要各自独特的直流无刷电动机，所以直流无刷电动机的类型较多。

大体上有计算机外存储器以及VCD、DVD、CD主轴驱动用扁平式无铁心电机结构，小型通风机用外转子电机结构，家电用多极磁场结构及内装式结构，电动自行车用多极、外转子结构等等。

上述直流无刷电动机的电机本身和电路均成一体，使用十分方便，它的产量也非常大。

1.3课题的研究目的

本课题主要介绍以MC33035为核心构成的无刷直流电动机控制器的设计，主要涉及核心控制电路的构成，IR2103的驱动，调速电路的实现，保证系统运行可靠性的抗干扰等方面的内容。

从而研究出高精度的人工心脏叶轮血泵。

1.4无刷直流电机的发展

永磁直流无刷电动机是近年来迅速成长起来的新型机电一体化电机。

该电机由定子，转子和转子位置检测元件霍尔传感器等组成，既具有交流电机结构简单，运行可靠，维护方便方便等特点，又具有直流电机的良好调速性，并且无机械式换向器，现在广泛应用于各种场合。

无刷直流电动机因其体积小，转矩高，可靠性高，维护方便等优点，在自动家用设备中得到广泛的应用。

以前没有一个专用芯片对霍尔传感器检测出的位置信号进行译码，它本身更不具备过流，过热，欠压，正反转选择等辅助功能，因而设计者最初采用分立元件组成的庞大的模拟电路来对它进行控制，使得系统的设计，调试变得相当复杂，而且要占用很大的电路板，有时候与把控制器内嵌到电机内部的要求相矛盾。

电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。

电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。

驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：

接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。

由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会象变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。

中小容量的无刷直流电动机的永磁体，现在多采用高磁能积的稀土钕铁硼（Nd-Fe-B）材料。

因此，稀土永磁无刷电动机的体积比同容量三相异步电动机缩小了一个机座号。

近三十年来针对异步电动机变频调速的研究，归根到底是在寻找控制异步电动机转矩的方法，稀土永磁无刷直流电动机必将以其宽调速、小体积、高效率和稳态转速误差小等特点在调速领域显现优势。

第二章课题设计的技术原理和设计思路

ML4428是美国MicroLinear公司生产的一种新型电动机控制专用集路。

适合于三角形或星形联结三相无位置传感器无刷直流电机全渡桥式驱动控制。

该集成电路内含有两个专利技术，即新颖的电机起动技术和采用锁相环的反电势控制换相技术。

该IC还内置了线性与PWM模式转速闭环控制及关断时间固定的PWM电机电流限制控制。

简单的正反转和制动控制，对与电机换相信号频率相同的VCO输出信号进行处理可测得电机转速，对电动机的限制是要求电动机旋转时定子绕组电感有30％的变化率。

因此ML4428芯片在微型电动机领域有广泛应用。

2.1控制器结构

MC33035是MOTORLORA公司研制的第二代无刷直流电机控制专用集成电路，加上1片MC3309电子测速器将无刷直流电动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，如图1所示，图中S1控制电机转向，S2控制系统起停，S3选择系统开环或闭环运行，S4控制系统制动，S5选择转子位置检测信号为60°或120°方式，S6控制系统的复位。

电位器RP1用以设定所需电机转速，发光二板管L1用作故障指示，当出现不正常的位置检测信号、主电路过流、3种欠电压之一（芯片电压低于9.1V，驱动电路电压低于9.1V，基准电压低于4.5V）、芯片内部过热、起停端低电平时，L1发光报警，同时自动封锁系统。

故障排除后，经系统复位才能恢复正常工作。

2.2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（SA,SB,SC）一方面送入）MC33035，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（Ar,Br,Cr）经过驱动电路整形、放大后，施加到逆变器的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MC33035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PI,PD，调节电路以实现更为复杂的闭环调节控制。

2.1设计思路

本设计设计过程分为下三个阶段：

2.1.1反电势控制换相原理：

对于三相无刷直流电机，转子旋转时，定子绕组反电势过零点对于转子的空间坐标是固定的，不因电机的转速而变。

各种反电势位置检测换向控制系统一般都是利用这个过零点进行电机定子绕组换相控制。

使电机内工作气隙产生一个跳跃式的旋转磁场，这个旋转磁场与转子永磁磁场相互作用产生旋转力矩使电机旋转。

ML4428芯片反电势换向控制单元由反电势采样电路、压控振荡器及环路滤渡器组成锁相环电路。

将压控振荡器VCO输出频率锁定在电机定子绕组反电势过零点所确定的频率上，可控制电机逆变器换相逻辑，获得准确的换相时序。

反电势采样电路又由中点模拟电路、多路切换开关、符号变换电路组成电机定子绕组端电压波形与假想中点电位相交点附近部分，是该相绕组不激励时间的反电势波形。

通过VCO压控振荡器输出信号控制多路切换开关轮番地将电机三相端电压中的反电势信号取出，经与模拟中点电位相减后再通过符号电路处理，得到换相误差信号，该误差信号通过跨导放大器加在环路滤波器上。

落后的换相使误差放大器向20脚滤波器充电，从而增大VCO输入电压，使VCO频率增加。

相反，提早换相将会引起20脚上电容放电，使VCO输入电压减少，VCO频率减小。

2.1.2起动电路：

前述电动机反电势换相电路需要绕组反电势有一定的大小，但当电机起动或低速时，反电势为零或较低，此时必须由其他办法起动，ML4428起动电机时通过定子绕组的总电流波形。

电动机起动时，ML4428先检测转子位置，由于电动机定子绕组随转子位置不同其电感也不同。

因此ML4428向电动机定子绕组施加6个不同方向的检测激励脉冲，在该脉冲激励下电动机相应产生6个电流响应，根据6个电流响应幅值的不同可以确定转子位置。

由于每次激励时间极短，一般为200s，电动机在此阶段不会产生旋转。

总的转子位置检测时间一般为3ms。

然后根据测得的转子位置选择恰当的驱动状态。

使电动机加速旋转．驱动时间可根据电机负载情况由l9脚电阻设定，如此反复步进驱动，直到2（I脚电压大于0．6V，定子绕组能产生足够大的反电势时，进入正常的反电势锁相环换相控制。

2.1.3速度控制：

当电机进入正常的反电势锁相环换相控制时，内置的速度控制电路开始起作用，两个跨导误差放大器及附属电压反馈网络与电流反馈网络可分别构成闭环速度调器和电流调节器，采用PI控制方式，其输出与锯齿渡信号比较构成PWM方式调速电路。

也可使6脚CPWM端接地，此时跨导放大器的输出通过缓冲电路后直接调制三个外置N沟道MOSFET栅极，此时系统为线性方式调速模式。

无刷直流电机一般是小型的电机一般采用L298N驱动，他一般可以同时驱动两电机，如果担心驱动不够就可以采用两个L298N。

其内部原理是采用H桥式差动放大。

L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。

是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。

其引脚排列如图1中U4所示，1脚和 15脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号。

 L298可驱动2个电机，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。

5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。

1298的逻辑功能如表1所列。

表1 L298N的逻辑功能Intel8253输出二组PWM波，每一组PWM波用来控制一个电机的速 度．另外二个I／O口可以控制电机的正反转．控制方法与控制电路都比较简单。

即P10、P11控制第一个电机的方向，输入的：

PWMl控制第一个电机的速度；P12、P13控制第二个电机的方向，输入的PWM2控制第二个电机的速度。

由于电机在正常工作时对电源的干扰很大，只用一组电源时会影响单片机的正常工作。

所以选用 双电源供电。

一组5V电源给单片机和控制电路供电，另外一组5V、9V电源给L298N的+VSS、+VS供电。

在控制部分和电机驱动部分之间用光耦隔开，以免影响控制部分电源的品质。

2.2芯片介绍

2.3芯片功能

MC33035结构组成及功能

其主要组成部分包括：

（1）转子位置传感器译码电路；

（2）带温度补偿的内部基准电源；

（3）频率可设定的锯齿波振荡器；

（4）误差放大器；

（5）脉宽调制（PWM）比较器；

（6）输出驱动电路；

（7）欠电压封锁保护芯片过热保护等故障输出；

（8）限流电路。

　　该集成电路的典型控制功能包括PWM开环速度控制，使能控制（起动或停止），正反转控制和能耗制动控制，适当加上一些外围元件，可实现软起动。

第三章硬件电路设计

3.1硬件电路组成

3.1.1转子位置传感器译码电路

　该译码电路将电动机的转子位置传感器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。

它适合于集电极开路的霍尔集成电路或光耦合电路等传感器。

输入端脚4、5、6都设有提升电阻，输入电路分TTL电路电平兼容，门槛电压为2.2V。

该集成电路适用于传感器相位差为,60°、120°、240°、300°四种情况的三相无刷电动机。

　　由于3个输入逻辑信号，可有8种逻辑组合。

其中6种正常状态决定了电动机,个不同位置状态。

其余2种组合对应于位置传感不正常状态，即3个信号线开路或对地短路状态，此时脚14将输出故障信号（低电平）。

　　用脚3逻辑电平来确定电动机转向。

当脚3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，使电动机反转。

电动机的起停控制由脚7使能端来实现。

当脚7悬空时，内部有电流源使驱动输出电路正常工作。

若脚7接地，3个上侧驱动输出开路（1状态），3个下侧驱动输出强制为低电平（0状态），使电动机失去激励而停车，同时故障信号输出为零。

　　当加到脚23上的制动信号为高电平时，电动机进行制动操作。

它使3个上侧驱动输出开路，下侧3个驱动输出为高电平，外接逆变桥下侧3个功率开关导通，使电动机3个绕组端对地短接，实现能耗制动。

芯片内设一个四与门电路，其输入端是脚23的制动信号和上侧驱动输出3个信号，它的作用是等待3个上侧驱动输出确实已转变为高电平状态后，才允许3个下侧驱动输出变为高电平状态，从而避免逆变桥上下开关出现同时导通的危险，其控制真值表，如表1示。

3.1.2误差放大器

　　该芯片内设有高性能，全补偿的误差放大器。

在闭环速度控制时，该放大器的直流电压增益为80dB，增益带宽为0.6MHz,输入共模电压范围从地到VREF（典型值为6.25V），可得到良好性能。

作开环速度控制时，可将此放大器改接成增益为1的电压跟随器，即速度设定电压从其同相输入端脚11输入。

脚12～13短接。

3.1.3脉宽调制器

除非由于过电流或故障状态使6个驱动输出调闭锁，在正常情况下，误差放大器输出与振荡器输出锯齿波信号比较后，产生脉宽调制（PWM）信号，控制3个下侧驱动输出。

改变输出脉冲宽度，相当于改变供给电动机绕组的平均电压，从而控制其转速和转矩。

脉宽调制时序图，如图3示。

3.1.4电流限制

　　外接逆变桥经一电阻Rs接地作电流采样。

采样电压由脚9和脚15输入至电流检测比较器。

比较器反相输入端设置有100mV基准电压，作为电流限流基准。

在振荡器锯齿波上升时间内，若电流过大，此比较器翻转，使下Rs触发器重置，将驱动输出关闭，以限制电流继续增大。

在锯齿波下降时间，重新将触发器置位，使驱动输出开通。

利用这样的逐个周期电流比较，实现了限流，若允许最大电流为Imax，则采样电阻按下式选择：

Rs=0.1/Imax为了避免由换相尖峰脉冲引起电流检测误动作，在脚9输入前可设置RC低通滤波器。

3.2MC33039电子测速器

　　MC33039是为无刷直流电动机闭环速度控制专门设计的集成电路，系统不必使用高价的电磁式或光电测速机，就可实现精确调速控制。

它直接利用三相无刷直流电动机转子位置传感器3个输出信号，经F/V变换成正比于电动机转速的电压。

　　从MC33039结构图图4可知，脚1、2、3接收位置传感器3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个脉冲的信号。

再经有外接定时元件CT和Rr的单稳态电路，从脚5输出的fout信号的

　　占空比与电动机转速有关，其直流分量与转速成正比，此信号在外接低通滤波器处理后，即可得到与转速成正比的测速电压。

三相电动机中应用时的波形图中，fout是脚5输出，Vout，（AVG）表示它的平均值，即直流分量。

第四章软件系统设计

4.1系统软件设计

  系统中的信号采集、控制决策确定及控制量输出等各项功能都要通过软、硬件共同来实现。

控制系统中的应用软件是根据系统的各项功能要求而设计的，它首先应该可靠地实现系统的各项功能。

为此本装置软件设计的主要原则是:

①软件的设计与硬件电路的设计综合进行。

在软件设计时尽量发挥单片机高性能的潜力，进行硬件的软化，以减不控制系统硬件电路无器件的数量，降低控制系统的造价和提高系统的可靠性。

②各功能程序实现模式化、子程序化，这样便于程序的测试、移植和修改。

同时程序设计尽量考虑模块的通用性，这样模块的反复利用率高，可以节省大量的程序存储单元。

③对程序存储区和数据存储区进行合理规划，为功能的扩展预留空间，以提高序运行的速度，使软件升级更为容易与简单。

④在系统软件设计中，同时要进行抗干扰设计。

软件抗干扰是微机控制系统中提高可靠性和抗干扰能力。

⑤在程序中尽量避免使用浮点数运算，因为执行这些子程序会占用较多的时间，而工业控制对是动机保护动作实时性要求较高，例如当电动机发生短路故障后，要求保护动作时间必须小于0.2s，这就使单睛机没有足够的时间去反复调用这些子程序。

因此本系统在程序设计时都采用定点数运算。

本装置所有软件全部采用单片机汇编语言编写，而且采用了模块化结构，包括参数设定模块和保护运行模块，从而使程序简单明了，为软件的编写和修改提供了方便。

整个控制软件的主程序框图如图4.1所示。

图4.1主程序框图

4.2感应电动机运行方式的方案

数字化多功能电动机就果用数学方法实现血流量的测量。

通过对相应的动作方程进行计算，加以分析、判断，从而执行判决的任务。

4.3参数设定模块

在参数设定模块中，运行人员可通过“参数通道号”（键1）,“+”（键2）,“一”（键3）和“完成”（键4）四个按键方便地进行各个运行参数的设定、保护功能的选择和保护动作定值的整定，当参数设定完后，将参数写入EEPROM中保存起来。

参数设定模块的程序流程框图如图4.2所示。

图4.3参数设定模块的程序流程框图

保护装置的抗干扰设计电动机保护装置护电动机以及电力系统安全、可靠运行的重要任务，因而对可靠性和稳定性的要求较高。

解决可靠性和稳定性的措施是多方面的，而提高保护装置的抗干扰能力是其重要的一方面。

对于微机控制系统，大量干扰的存在会导致系统硬件的损坏，即使不造成系统硬件的损坏，也可能会便控制系统运行不正常，或运行失灵。

在一个测控系统中，抗干扰措施采取得不好，干扰会对测控系统产生一些不良的影响，它表现在:

①数据采集误差加大。

干扰侵入微机的前向通道中，叠加在信号上，造成数据可靠性和稳定性运行

采集误差加大。

②控制状态失灵。

一般控制状态的输出多半是通过微机的后向通道来进行的，由于控制信号较大，它不易直接受到外界干扰。

但在微机控制系统中其控制状态的输出常常是根据某些条件状态的输人和条件状态的逻辑