第 26 卷第 3 期 　2006 年 5 月 孝感学院学报 JO U R N A L 　OF 　X IAO G A N 　U N IV E RSIT Y V O L. 26　NO . 3 M A Y. 2006 　 基于专用控制芯片的直流无刷电机控制器 方天红 (孝感学院 物 理系, 湖北 孝感 432000) 摘　要:介绍了以摩托罗拉公司的专用控制芯片 M C33035 、M C33039 为核 心构成的 应用于 绕线机 单片机 控制系统上的直流无刷电机控制器的设计。 关键词:单片机;直流无刷电机;脉冲宽度调制 中图分类号:T N 492　　文献标识码:A 　　文章编号:1671-2544(2006)03-0090-03 　　本文介绍的是绕线机单片机控制系统中决定 绕线产品质量的基于专用控制芯片的直流无刷电 机控制器的设计, 该系统主要包括无刷电机控制 器和步进电机控制器两部分。 在无刷电机控制器 设计中, 调速精度 、电机定子位置检测 、测速单元 电路等是关键。 永磁无刷直流电机控制器结构有多种形式 , 最初是采用分离元件组成的庞大而复杂的模拟控 制电路。 由于调试难度大 , 稳定性差, 已逐渐被淘 汰。 以单片机为控制核心, 结合使用专用电机控 制芯片, 给永磁无刷直流电机调速装置的设计带 来了极大的便利, 这种集成模拟控制芯片控制功 能强 、保护功能完善 、工作性能稳定 , 组成的系统 所需外围电路简单、抗干扰能力强 , 特别适用于工 作环境恶劣, 对控制器体积和性价比要求比较高 的场合。 本文介绍以单片机 A T 89C52 为控制核心, 结 合使用 MC33035 和 MC33039 构成的永磁无刷直 流电机控制器的设计 。选用的无刷电机为上海哈 瑞无刷电机有限公司生产 , 型号为 55Z WN 24-120 -01 , 参数为最高转 速 7000r / min , 功率为 120W 。 同时 , 验证了设计的正确性和测试控制器的调速 精度 。 1 　直流无刷电机控制器控制原理 　　MC33035 是摩托罗拉公 司研制的第二代 无 刷直流电机控制专用集成电路 , 它包含开环三相 或四相电机控制所需的全部有效功能 。该器件由 具有良好整流序列的转子位置译码器 、可提供传 感器功率的温度补偿参考 、频率可编程的锯齿波 振荡器 、完全可访问的误差放大器以及 3 个非常 适用于驱动大功率 MO SF ET 的大电流推挽底部 驱动器组成 , 因而它是一种功能齐全的电机控制 器 。加 1 片 MC33039 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 1 　控制器电路构成 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 　　收稿日期:2006-01-12 　　作者简介:方天红(1979-　), 男, 湖北赤壁人, 孝感学院物理系讲师, 硕士。 —90— 

基于专用控制芯片的直流无刷电机控制器 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(A B 、BB 、CB)和三 相上桥控制信号(A A 、BA 、CA)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。 该脉冲信号通过简单的阻容 网络滤波后形成转速反馈信号 , 利用 M C33035 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 P I、PID 调节电 路, 以实现更为复杂的闭环调节控制 。 该芯片在 应用过程中, 发现有某种失效模式可以导致灾难 性的后果 。如起停开关选用不当 , 可能出现初始 状态的不稳定性 , 导致功率开关管烧毁 。 要克服 该现象, 可以通过在电源回路中与三个桥臂并联 接入一大阻值电阻和一相对小阻值电阻的串联。 2 　直流无刷电机控制器原理图 　　根据以上讨论给出无刷电机的主控电路图 , 如图 2 所示。 图 2 　无刷电机的主控电路图 图中 F / R 控制电机转向 , 接到单片机控制主 板, Enable 接单片机控制板控制系统的启动与停 止, S1 选择系统开环或闭环运行 , S4 控制系统制 动, 选择转子位置 检测信号为 60 o 或 120o 方式 。 由 J1 所连接的单片机控制主板所给的 Speed 信 号用以设定所需电机转速, 实为 D /A 转换器的输 出电压信号。发光二极管 D 1 用作故障指示 。 3 　电流和速度控制策略 　　电流和速度控制是本设计的关键 , 在本试验 中根据实际需要, 电流和速度分别采用 P 控制和 P ID 控制策略。 无刷电机闭环控制系统框图如图 3 所示。 图 3　无刷电机闭环控制系统框图 3. 1 　电流闭环控制策略 电流传感器是伺服系统中的一个重要元件, 它的精度和动态性能直接影响系统的低速性能和 快速性 。电流检测的方法有电阻检测、光耦检测 等各种不同的方法 , 本文采用分流电阻进行电流 检测, 由于本无刷电机的功率为 120W , 工作电压 是 24V , 由 RS =0. 1 /Imax 得取样电阻 RS =0. 02Ψ, 即为图 2 中的 R14 。为避免换向尖峰脉冲可能引 起的电流检测误动作 , 采样电路设有低通滤波电 路 , 由电阻 100Ψ和电容 0. 1F 组成 , 滤波后的电 流检测信号送入 MC33035 的管脚 9 , 实现电流的 P WM 控制功 能, 构 成电 流简 单的 P 闭环 控制。 如果还有实现更加复杂的控制可以加外围电路, 实现电流的 P I 和 P ID 控制。 3. 2 　速度闭环控制 M C33039 是摩托罗拉公司配合 MC33035 专 门设计的无刷电机闭环速度控制器 , 这是一个 8 脚的双列直插 集成电路块 。 MC33039 对输入的 转子位置信号码进行有关的处理 , 产生一个与电 机实际 转 速 成 正 比 的 转 速 电 压 信 号, 如 果 向 M C33035 提供电机的实际转速信号, 即可构成转 速闭环控制 。 BLD CM 控 制器的 速度 闭环 控制 如 图 4 所 示 。M C33039 的输 出经 低 通滤 波器 平滑 , 引入 M C33035 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 。 在本试验中 , 整个控制系统还含有速度实时 显示电路, 是通过结合使用单片机 A T 89C52 的定 时器 T 1 和IN T 1来测量无刷电机的速度。 通过测 量取自霍尔传感器的脉冲信号的脉冲宽度来计算 直流无刷电机 的速度。 因此 除了利用 M C33039 在硬件上实现速度的闭环控制以外 , 在软件上也 实现了速度的闭环控制, 即在图 3 中速度的 P ID 调节是软件调节器, 由单片机来完成 。 —91— 

方天红 号的波形。 图 5 为 上桥臂 驱动管 M1 的 驱动波 形 , 图 6 为霍尔传感器输出的位置信号。 图 5 给出 的上桥 臂驱 动管 M 1 的 P WM 波 形 , 实际中同一组开关驱动管的 PWM 正好相反。 图 6 给出的波形是从霍尔传感器中输出的位置信 号 。观察两幅波形与期望的理想结果吻合, 从而 验证了设计的正确性。 5 　结束语 　　本试验设计并研制了一套基于专用控制芯片 的永磁无刷直流电机控制器 , 用以驱动永磁无刷 直流电机, 获得了满意的实验运行结果。 采用专用控制芯片设计的控制器能方便地控 制电机的起停、转速、转向、制动运行, 各种保护功 能齐全 , 因此在小功率调速系统中不失为一种较 理想的交流调速方案。 我们相信, 其应用领域将 更为广泛。 [ 参　考　文　献] [ 1 ] 　张琛. 直流无刷电机原理及应用[ M] . 北京 :机械工 业出版社, 1996. [ 2 ] 　张立, 赵永健. 现代电力电子技术[ M] . 北京:科学 出版社, 1995. [ 3 ] 　何松波. 永磁式微特电机国内外发展动态[ J] . 微特 电机, 1992. [ 4 ] 　张相军, 陈伯时. 无刷直流电机控制系统 PW M 调 制方式对换相转矩脉动的影响[ J] . 电机与控制学 报, 2003, 7(2):87-91. 图 4 　BLDCM 控制器的速度闭环控 制 4 　实验结果 　　根据以上讨论设计了直流无刷电机控制器 , 并研制了实验样机 。 在本实验中 , 无刷直流电机 采用的是桥式 Y 型接法, 主要参数如下 :额定电 压:直 流 24V ;负 载 转 矩:0. 4N . m ;额 定功 率 : 120W ;额定电流 :5A ;额定转速 :7000r /min ;相电 阻:1Ψ。 图 5　某一时刻上桥臂驱动 管 M 1 的 PW M 波形 图 6 　位置信号 使用数字示波器 DF4320 , 给出了部分输出信 The Controller Design of Brushless DC Motor Based on Special Integrated Circuits (Department o f Phy sics , X iaogan Univ ersity , X iaogan, Hubei 432000 , China) F A NG T ian-hong Abstract :T his paper int roduced the co nt roller design of brushless DC m ot or using the special i nt eg rat- edcircuit s M C33035 and MC33039 , and t he co nt rol ler w as m ainly applied in t he single-chip micro com- puter co nt rol sy st em f o r t he aut omat ic winder. Key Words :single-chip m icro com puter ;brushless DC m ot or ;pulse widt h mo dulation (责任编辑:邹礼平) —92—