隨著石油能源的日趨緊張以及人們環(huán)保意識的增強， 電動助力車越來越受歡迎。 永磁直流無刷電機是成熟的一種新型機電一體化電機， 既具有交流伺服電機的結構簡單、 運行可靠、 維護方便等優(yōu)點， 又具備直流伺服電機那樣良好的調速特性而無機械式換向器，現已廣泛應用于各種調速驅動場合。 MOTOROLA第二代電機控制專用芯片的出現， 給永磁直流無刷電機調速裝置的設計帶來了極大的便利。 這些芯片控制功能強， 保護功能完善， 工作性能穩(wěn)定，組成的系統(tǒng)所需外圍電路簡單， 抗干擾能力強， 特別適用于工作環(huán)境惡劣， 對控制器體積， 價格性能比要求較高的場合。

1 無刷電機的基本原理

       直流無刷電機在原理上是一種介于交流和直流電機之間的電機。 這種電機的定子繞組與交流同步和異步電機的定子繞組是相同的。 但是， 它與交流電機的區(qū)別在于它的勵磁電壓是單一直流電壓， 它是把直流電壓通過電機內部設置的霍爾位置傳感器轉換成相位互差120° 角的直流脈沖， 對各相繞組交替勵磁， 進而在電機的定子鐵心的內部形成一個步進式的旋轉磁場， 驅動永磁轉子同步運行。 所以這種電機在結構上與永磁交流同步電機幾乎相同， 只不過多了一個霍爾位置傳感器。無刷電機既然是使用直流電源， 它與直流電機最大的區(qū)別是： 它沒有直流電機所必需的電刷和整流子組成的換向裝置， 它只有裝在電機轉軸上的霍爾位置傳感器。 根據電機轉子磁極與定子繞組的全數字矢量控制方案。 并利用TMS320LF2407A的內嵌CAN模塊設計了與整車其它部分的通訊。在整車臺架試驗中， 試驗數據和波形驗證了硬件電路和軟件控制算法的正確性。

       極面所對應的瞬態(tài)位置， 確定定子繞組通電的時間， 按相序交替勵磁產生電機運行所必須的旋轉磁場。 可見， 直流無刷電機具備了結構簡單、 性能優(yōu)良、 調節(jié)方便、 電源單一簡單等特點， 在價格上與同性能的交流和直流電機相比也要便宜許多，正是因為有如此多的優(yōu)良特性， 無刷電機在伺服系統(tǒng)中越來越廣泛地被采用。

       MC33035DWR2G、 MC33039DR2G都是高集成度的電子芯片， 因而基于它的三相直流無刷電機控制系統(tǒng)具有電路簡單， 抗干擾性強， 可靠性高， 穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

2 控制器結構與原理

       MC33035DWR2G加上1片MC33039DR2G電子測速器， 將直流無刷電動機的轉子位置信號進行F/V轉換， 形成轉速反饋信號， 即可構成轉速閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)。外接6個功率開關器件組成三相逆變器， 就可驅動三相永磁直流無刷電機， 控制器電路構成， 如圖1所示。

       從電機轉子位置檢測器送來的三相位置檢測信號（SA、 SB、 SC） 一方面送入MC33035DWR2G，經芯片內部譯碼電路結合正反轉控制端、 起?？刂贫?、 制動控制端、 電流檢測端等控制邏輯信號狀態(tài)， 經過運算后， 產生逆變器三相上、下橋臂開關器件的6路原始控制信號， 其中， 三相下橋開關信號還要按直流無刷電機調速機理進行脈寬調制處理。 處理后的三相下橋PWM控制信號（Ar、 Br、Cr） 經過驅動電路整形、 放大后， 施加到逆變器的6個開關管上， 使其產生出供電機正常運行所需的三相方波交流電流。

       另一方面， 轉子位置檢測信號還送入MC33039DR2G經F/V轉換， 得到一個頻率與電機轉速成正比的脈沖信號FB。 FB通過簡單的阻容網絡濾波后形成轉速反饋信號， 利用MC33035DWR2G中的誤差放大器即可構成一個簡單的P調節(jié)器， 實現電機轉速的閉環(huán)控制， 以提高電機的機械特性硬度。 實際應用中， 還可外接各種PI、 PD調節(jié)電路， 以實現更為復雜的閉環(huán)調節(jié)控制。

3 芯片功能

3.1 MC33035結構組成及功能

       其主要組成部分包括： 轉子位置傳感器、 譯碼電路、 帶溫度補償的內部基準電源、 頻率可設定的鋸齒波振蕩器、 誤差放大器、 脈寬調制（PWM）比較器、 輸出驅動電路、 欠電壓封鎖保護芯片、 過熱保護等故障輸出和限流電路。

       該集成電路的典型控制功能包括PWM開環(huán)速度控制、 功能控制（ 起動或停止） 、 正反轉控制和能耗制動控制， 適當加上一些外圍元件， 可實現軟起動。

3.2 轉子位置傳感器譯碼電路

       該譯碼電路將電動機的轉子位置傳感器信號轉換成六路驅動輸出信號， 三路上側驅動輸出和三路下側驅動輸出。

       由于3個輸入邏輯信號， 可有8種邏輯組合。其中6種正常狀態(tài)決定了電動機的6種不同位置狀態(tài)。 其余2種組合對應于位置傳感不正常狀態(tài)， 即3個信號線開路或對地短路狀態(tài)， 此時腳14將輸出故障信號（低電平）。

       用腳3邏輯電平來確定電動機轉向。 當腳3邏輯狀態(tài)改變時， 傳感器信號在譯碼器內將原來的邏輯狀態(tài)改變成非， 再經譯碼后， 得到反相序的換向輸出， 使電動機反轉。 電動機的起?？刂朴赡_7功能端來實現。 當腳7懸空時， 內部有電流源使驅動輸出電路正常工作。 若腳7接地， 3個上側驅動輸出開路（1狀態(tài)）， 3個下側驅動輸出強制為低電平（0狀態(tài)）， 使電動機失去激勵而停車， 同時故障信號輸出為零。

       當加到腳23上的制動信號為高時， 電動機進行制動操作。 它使3個上側驅動輸出開路， 下側3個驅動輸出為高電平， 外接逆變橋下側3個功率開關導通， 使3個繞組端對地短接， 實現能耗制動。 芯片內設一個四與門電路， 其輸入端是腳23的制動信號和上側驅動輸出3個信號， 它的作用是等待3個上側驅動輸出確實已為高電平狀態(tài)后， 才允許3個下側驅動輸出變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)， 從而避免逆變橋上下開關出現同時導通的危險， 其邏輯關系表， 如表1所示。

3.3 脈寬調制器

       除非由于過電流或故障狀態(tài)使6個驅動輸出端閉鎖， 正常情況下， 誤差放大器輸出與振蕩器輸出鋸齒波信號比較后， 產生脈寬調制PWM信號，控制3個下側驅動輸出。 改變輸出脈沖寬度， 相當于改變供給繞組的平均電壓， 從而控制轉速和轉矩。 脈寬調制時序圖， 如圖3。

4 試驗及其結果分析

       試驗中選用的電機是三相6極電機， 在該閉環(huán)速度控制系統(tǒng)中， 用3個霍爾元件作轉子位置傳感器， 用MC33035DWR2G的腳8參考電壓作為它們的電源。電機在電源驅動下的波形， 如圖4、 5所示。

       兩圖中的上側曲線均為傳感器輸出的S B ， 圖4的下側曲線為S C ， 圖5的下側曲線為S A ， 對照可知，實驗輸出與理論計算相符。

       測量電流波形時， 首先將一驅動電動機逆變器的主回路引出， 在電線上裝置電流傳感器， 再接入一個5Ω的測量電阻后接地。 然后以示波器測量電流傳感器的電流， 即流經電阻的波形， 也即電機電流波形， 如圖6所示。

       可見， 圖5中的波形并不與理論值相符， 只是在周期內的分布有點相同， 但波形上區(qū)別較大， 這是由于電機處于空載運行所致。 因為在實驗中， 電機運行在空載狀態(tài)下， 逆變器的每一次換相， 帶來的沖擊電流大于滿載狀態(tài)時， 沒有負載消耗平緩電流的波動。

5 結束語

       文中所設計的直流無刷電機驅動器經實驗室測試與現場試用， 達到了設計要求的功能與技術要求， 獲得了滿意的實驗運行結果。 該驅動器具有簡單、 可靠、 體積小的特點， 尤其是配合MMC33039DR2G構成轉速閉環(huán)控制后， 調速性能非常優(yōu)異。 MC33035DWR2G不僅能很好地控制三相六步直流無刷電機， 只要對外圍電路稍加改動， 還可以很好地控制四相四步電機和有刷直流電機。