无刷直流电机控制系统课程设计

无刷直流电机控制系统课程设计

孙冠群陈卫民孙丽宏李刚

(中国计量学院现代科技学院/机电工程学院，浙江杭州 310018)

摘要：本文介绍了我校电气专业的无刷直流电机控制系统课程设计内容，该课程设计利用电机控制专用芯片MC33035和MC33039，以及一台小功率永磁无刷直流电动机。最后需要实现速度、电流双闭环，并且灵活可调速。该课程设计为纯硬件的设计制作，工作量比较适合一个三周的课程设计量，对锻炼学生的动手能力效果显著。

关键词：无刷直流电机；课程设计；调速控制

Brushless DC Motor Control System Course Design

Sun Guanqun Chen Weimin Sun Lihong Li Gang

(China JILIANG University, Zhejiang, Hangzhou 310018)

Abstract:This paper describes brushless DC motor control system for curriculum design of the electrical profession, content of the curriculum design, the use of dedicated motor control chip MC33035 and MC33039, as well as a low-power permanent magnet brushless DC motor. Finally the need to achieve speed, current double closed-loop, and the flexibility to be speed. The course is designed to produce a pure hardware design, the workload more suitable for a three-week curriculum design, the amount of hands-on exercises the students ability to effect significant.

Keywords: brushless DC motor; curriculum design; Speed Control

1 设计背景

近年来,无刷直流电机已成为电动车、医疗器械、航空航天等领域的重要替代应用方向。该电机由定子、转子和转子位置检测传感器等组成,既具有交流电机结构简单、运行可靠维护方便的特点,又具有直流电机良好的调速特性,并且无机械式换相器,现已广泛应用于各种调速场合。

2设计要求

1）查阅有关资料，学习熟悉永磁无刷直流电动机及其基本控制原理；

2）查阅有关资料，确定系统总体实现方案，熟悉总体调速控制原理；

3）利用EDA设计软件，设计基于MC33035的永磁无刷直流电动机开环控制系统硬件电路原理图；

4）查阅有关资料，熟悉MC33035器件及其外围电路工作原理，焊接调试其外围硬件电路；5）查阅有关资料，熟悉IRF530/9530器件及功率电路工作原理、焊接调试此部分功率电路；

6）调试系统电路，要求最终可通过调节电位器在一定范围内调速；

7）依据查阅之参考资料、设计原理及具体实现方案、调试之实验数据及其他结果结论，认真撰写完成课程设计报告。

3 设计原理

该闭环速度控制系统用三个霍尔集成电路作为转子位置传感器。霍尔集成电路输出信号送至MC33035和MC33039。系统控制结构框图如图1所示，MC33039的输出经低通滤波器平滑，引入MC33035的误差放入器的反相输入端，而转速给定信号经积分环节输入MC33035的误差放大器的同相输入端，从而构成系统的转速闭环控制。

图1 系统控制原理

3.1 电动机

永磁无刷直流电动机一般由永磁转子、三相绕组定子、转子位置传感器三部分组成。

本设计所采用的永磁无刷直流电动机的基本参数为：额定转速3500r/min ，额定

电压24VDC ，额定电流3.1A 。

3.2 基于MC33035的控制信号产生

MC33035是MOTOROLA 公司研制的针对无刷直流电动机控制的专用芯片。

由它构成的针对无刷直流电动机的控制部分如图2所示。

图2 MC33035及其外围电路

MC33035包括—个转子定位译码器可用

于确定适当换向顺序，它监控着3个霍尔效应开关传感器输入 (4、5、6脚)，以保证顶部和底部驱动输出的正确顺序；一个以向传感器供电能力为基准的温度补偿器；一个可以程序控制频率的锯齿波发生器；一个全通误差放大器，能够促进闭环电机速度实现控制，若作为开环速度控制，则可将这误差放大器连成为单一增益电压跟随器；一个脉冲宽度调制比较器，3个集电极开路顶部驱动输出(1，2，24脚)，以及三个适用于驱动功率MOSFET的理想的大电流推挽式底部驱动输出 (19，20，21脚)；此外，MC33035还有一个60。／120。选择管脚，它可以确定转子定位译码器是60。或是120。传感器电相位输入。

如图2所示，我们给电压为24V的电源，F/R控制电机转向，正向／反向输出可通过翻转定子绕组上的电压来改变电机转向。当输入状态改变时,指定的传感器输入编码将从高电平变为低电平,从而改变整流时序,以使电机改变旋转方向。

电机通／断控制可由输出使能7管脚来实现,当该管脚开路时,连接到正电源的内置上拉电阻将会启动顶部和底部驱动输出时序。而当该脚接地时,顶端驱动输出将关闭,并将底部驱动强制为低,从而使电动机停转。

S1控制电机复位，当短路片插入后，电动机复位。

由于MC33035的8管脚提供6.25V标准电压输出，因此可以用此电压给霍尔元器件以及其他器件供电,在这个系统中PWM信号的产生是很容易的,而且PWM信号的频率可以由外部电路调节, 其频率由公

式

, R5是一个可变电阻,通

过调节R5,即可改变PWM信号的频率。只需要在MC33035的外围加一个电容、一个电阻及一个可调电位器即可产生我们所需要的脉宽调制信号。因MC33035的8管脚输出为6.25V标准电压,由R6、C1组成了一个RC 振荡器,所以10管脚的输入近似一三角波,

决定。R5为控制无

刷电机转速的电位器,通过该电位器改变11管脚对地的电压,从而来改变电机的转速。运算放大器1由外部接成一个跟随器的形式,所以11管脚的对地电压即为比较器2的反相输入电压,通过电位器R5改变11脚的对地电压从而改变比较器2的输出方波的占空比,即比较器2的输出为我们所需的PWM信号。

14管脚是故障输出端，L1用作故障指示，当出现无效的传感器输入码、过流、欠压、芯片内部过热、使能端为低电平时，LED发光报警，同时自动封锁系统。R6及C1决定了内部振荡器频率(也即PWM的调制频率),转速给定电位计Ｗ的输出经过积分环节输入MC33035的误差放大器的同相输入端,其反向输入端与输出端相连,这样,误差放大器便构成了一个单位增益电压跟随器,从而完成系统的转速开环控制。

8管脚接一NPN的三极管，当8脚电压为高电平时，三极管导通，为MC33039和霍耳传感器提供电压。电解电容C2是滤波作用，防止电流回流。

MC33035的17管脚的输入电压低于9.1V 时,由于17脚的输入连接内部一比较器的同相输入端,该比较器的反相输入为内部一

9.1V标准电压,此时MC33035通过与门将驱动下桥的三路输出全部封锁,下桥的三个功率三极管全部关断,电机停止运行,起欠压保护作用。过热保护等功能是芯片内部的电路,无需设计外围电路。

该系统的3个霍尔效应传感器用来检测转子位置,一旦决定电机的换相,并可以根据该信号来计算电机的转速。传感器的输出端直接接MC33035的4、5、6管脚。当电机正常运行时,通过霍尔传感器可得到3个脉宽为180度电角度的互相重叠的信号,这样就得到6个强制换相点,MC33035对3个霍尔信号进行译码,使得电机正确换相。

当MC33035的11脚接地时,电机转速为0,即可实现刹车制动。

3.3 速度反馈电路

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FOUT，其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。实际应用中，还可用外接各种PI、PID调节电路实现复杂的闭环调节控制，如图3所示。

图3 MC33039构成的闭环控制系统电路图

3.4 功率驱动电路

如图4所示，MC33035输出的下桥三路驱动信号可直接驱动N沟通功率MOSFET的IRF530，上桥三路驱动信号可直接驱动P沟通功率MOSFET的IRF9530。相当于MC33035的1、2、24脚的信号经过IRF9530放大，19、20、21脚的信号经过IRF530得到的信号驱动无刷直流电动机转动。A、B、C分别与无刷直流电动机的三相绕组相接。

图4 功率驱动主电路

3.5 调试参考结果

系统采用MOSFET 功率器件组成驱动电路，根据三相电机特点，采用六支功率管，分为上侧三支下侧三支。每侧功率管瞬时有

一支导通状态。据此可得到的驱动信号形如图5所示。图中取了三相电机绕组中的两相的驱动信号，为典型的120

度导通运行方式。

图5 驱动信号

4 分组说明

本设计由一个工作团队共同完成，每个团队三人，各有侧重，具体分工由三位同学协商决定，其中： 同学一：主要负责“设计要求”中的1）、2）、3）、6）、7）项； 同学二：主要负责“设计要求”中的1）、2）、4）、6）、7）项； 同学三：主要负责“设计要求”中的1）、2)、5）、6)、7)项。

5设计报告说明

课程设计报告要有前言、系统设计原理或设计方案、系统各小模块的软硬件设计思路或实现方法、实验数据或其他结果结论，文末列出参考文献。注意因为每个同学之间的差别，在设计报告中每一位同学对自己单独负责（其他2位同学配合）的部分要重点阐述（设计思路与实现方法）!

6.结论

该设计项目开展两届学生以来，经过近年的不断完善，在具体指导过程中也形成了一定的方案方法，基本体现在以上的设计指导内容中。项目的难易适中，多数学生能在团队合作下调试圆满完成设计任务。

参考文献

[1]孙冠群，于少娟.控制电机与特种电机及其控制系统[M].北京：北京大学出版社，2011. [2]Motorola.Inc.Motorola

Semiconductor

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[4]李成 邹建华.基于MC33035的小功率无刷电机PWM 系统.电气传动自动化，Vol.22,No.6 2000:13－15

[5]孙冠群 李晓青 张犁锁.SR 电机调速系统控制器设计.中国计量学院学报，Vol.17,No.3 2006:207-211

作者简介：孙冠群（1974.11--），男，讲师，主要从事电机及其控制、现代电力电子工程方向的教学与科研工作。E-mail: Sgq741129@https://www.wendangku.net/doc/2515893217.html,

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