應(yīng)弋翔 何嘉冰 李沈崇 史亦飛 許宇翔

摘? 要：文章詳細介紹了Motorola公司的第二代直流無刷電機控制器專用芯片MC33035的基本原理，在分析了直流無刷電機的結(jié)構(gòu)特點及應(yīng)用現(xiàn)狀后，設(shè)計了基于MC33035和MC33039及一些集成電路構(gòu)成的小功率直流無刷電機的速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，并進行了調(diào)試及試驗，確認了其簡單和優(yōu)越的控制性能。在設(shè)計的過程中加入了電機的過溫保護，使無刷電機在實際工作環(huán)境中無故障安全運行。

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

中圖分類號：TM359.9 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：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，我國中小型電機和特微電機行業(yè)迅速發(fā)展，其中直流無刷電機以其高效低噪等特點逐漸取代有刷電機，成為行業(yè)的一顆新星。但是有許多的直流無刷電動機不具有調(diào)速功能和故障保護功能。本文基于這個問題，設(shè)計出能對各種輸入信號進行邏輯分析，為驅(qū)動電路提供各種控制信號;實現(xiàn)電機的調(diào)速，實現(xiàn)電路的短路、過載、欠電壓等故障保護功能的直流無刷電機速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。

直流無刷電機是由電子開關(guān)線路、永磁式同步電機以及位置傳感器三部分組成的電機系統(tǒng)[1]。可以實現(xiàn)無級調(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。

直流無刷電機由于其轉(zhuǎn)速特性良好，動態(tài)響應(yīng)時間特性優(yōu)異的特點可應(yīng)用于轉(zhuǎn)速需要在某個范圍內(nèi)變化的場合，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。直流無刷電機的應(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

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

MC33039是Motorola公司配合MC33035專門設(shè)計的無刷電機閉環(huán)速度控制器，這是一個8腳的雙列直插式集成電路塊。MC33039對輸入的霍爾傳感器檢測的轉(zhuǎn)子位置信號進行相關(guān)的處理，產(chǎn)生與電機實際轉(zhuǎn)速成正比的轉(zhuǎn)速電壓信號。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)動電路;欠電壓封鎖保護、芯片過熱保護等故障輸出;限流電路。MC33035的典型控制功能包括PWM速度控制、使能控制（啟動或停止）、正反轉(zhuǎn)控制和能耗制動控制[2]。MC33035的電路設(shè)計如圖1所示。

在MC33039與MC33035構(gòu)成的電機速度控制系統(tǒng)中，MC33035需要一個和電機速度成正比的輸入電壓。本文設(shè)計的閉環(huán)控制回路通過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電路回路中所有芯片的供電電壓，雖然電壓幅值達到要求，但由于該電壓為芯片輸出，在電流輸出，功率傳遞上可能會存在不穩(wěn)定的情況，影響電路運行。

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

在直流無刷電機的速度控制回路中，通常使用PWM方式對電機的轉(zhuǎn)速進行控制。在電機正反轉(zhuǎn)控制回路中，通過翻轉(zhuǎn)定子繞組電壓來改變電機轉(zhuǎn)向。采用電機內(nèi)置的霍爾效應(yīng)傳感器檢測轉(zhuǎn)子的位置信號，接入到MC33035中。MC33035的三個傳感器輸入端（引腳4、5、6）接收到霍爾效應(yīng)傳感器位置信息后，對其進行譯碼，通過六個有效編碼分辨出電機轉(zhuǎn)子位置，使電機轉(zhuǎn)動，對應(yīng)的邏輯關(guān)系真值表見表1。

1.2 MC33035電路設(shè)計

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

1.3 速度調(diào)節(jié)回路設(shè)計（圖3）

1.4 過溫保護回路設(shè)計

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

2 實驗環(huán)節(jié)

搭建基于MC33035和MC33039的實驗平臺，測試了不同轉(zhuǎn)速下的電壓信號。調(diào)節(jié)圖3中的阻值10K的電位器實現(xiàn)直流無刷電機的速度調(diào)節(jié)，測量圖2中的fout引腳電壓和無刷電機的霍爾轉(zhuǎn)速信號，繪制表2所示。輸入電壓TS1與輸出電壓fout及電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系見表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fout與電位器信號的差值很小，即系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差小。

3 結(jié)束語

基于MC33035和MC33039的直流無刷電機閉環(huán)控制系統(tǒng)具有電路簡單，價格經(jīng)濟，可靠性強，輸出穩(wěn)定等優(yōu)點，可實現(xiàn)直流無刷電機的正反轉(zhuǎn)，無級調(diào)速與速度閉環(huán)控制。添加了故障保護功能，在環(huán)境溫度過高的情況下，利用溫度從傳感器使風(fēng)扇轉(zhuǎn)速提高，以達到降溫的作用，可適用于低功率、中等轉(zhuǎn)矩的場合。

參考文獻：

[1]張琛.直流無刷電動機原理及應(yīng)用[M].機械工業(yè)出版社，1996.

[2]韋敏，季小尹.MC33035在直流無刷電機控制中的應(yīng)用[J].電氣應(yīng)用，2004（11）：83-85.

[3]馬宗毅，曾紹穩(wěn).基于STM32的無刷直流電機驅(qū)動器設(shè)計[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（10）：28-29.