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(jié)構(gòu)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(diào)速特性而無機械式換向器，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種調(diào)速驅(qū)動場合。 MOTOROLA第二代電機控制專用芯片的出現(xiàn)， 給永磁直流無刷電機調(diào)速裝置的設(shè)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(nèi)部設(shè)置的霍爾位置傳感器轉(zhuǎn)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(nèi)部形成一個步進式的旋轉(zhuǎn)磁場， 驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子同步運行。 所以這種電機在結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)軸上的霍爾位置傳感器。 根據(jù)電機轉(zhuǎn)子磁極與定子繞組的全數(shù)字矢量控制方案。 并利用TMS320LF2407A的內(nèi)嵌CAN模塊設(shè)計了與整車其它部分的通訊。在整車臺架試驗中， 試驗數(shù)據(jù)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(yīng)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(chǎn)生電機運行所必須的旋轉(zhuǎn)磁場。 可見， 直流無刷電機具備了結(jié)構(gòu)簡單、 性能優(yōu)良、 調(diào)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(jié)構(gòu)與原理

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

       從電機轉(zhuǎn)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(jīng)芯片內(nèi)部譯碼電路結(jié)合正反轉(zhuǎn)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(jīng)過運算后， 產(chǎn)生逆變器三相上、下橋臂開關(guān)器件的6路原始控制信號， 其中， 三相下橋開關(guān)信號還要按直流無刷電機調(diào)速機理進行脈寬調(diào)制處理。 處理后的三相下橋PWM控制信號（Ar、 Br、Cr） 經(jīng)過驅(qū)動電路整形、 放大后， 施加到逆變器的6個開關(guān)管上， 使其產(chǎn)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(zhuǎn)子位置檢測信號還送入MC33039DR2G經(jīng)F/V轉(zhuǎn)換， 得到一個頻率與電機轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號FB。 FB通過簡單的阻容網(wǎng)絡(luò)濾波后形成轉(zhuǎn)速反饋信號， 利用MC33035DWR2G中的誤差放大器即可構(gòu)成一個簡單的P調(diào)節(jié)器， 實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制， 以提高電機的機械特性硬度。 實際應(yīng)用中， 還可外接各種PI、 PD調(diào)節(jié)電路， 以實現(xiàn)更為復雜的閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。

3 芯片功能

3.1 MC33035結(jié)構(gòu)組成及功能

       其主要組成部分包括： 轉(zhuǎn)子位置傳感器、 譯碼電路、 帶溫度補償?shù)膬?nèi)部基準電源、 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(zhuǎn)控制和能耗制動控制， 適當加上一些外圍元件， 可實現(xiàn)軟起動。

3.2 轉(zhuǎn)子位置傳感器譯碼電路

       該譯碼電路將電動機的轉(zhuǎn)子位置傳感器信號轉(zhuǎn)換成六路驅(qū)動輸出信號， 三路上側(cè)驅(qū)動輸出和三路下側(cè)驅(qū)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(yīng)于位置傳感不正常狀態(tài)， 即3個信號線開路或?qū)Φ囟搪窢顟B(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(zhuǎn)向。 當腳3邏輯狀態(tài)改變時， 傳感器信號在譯碼器內(nèi)將原來的邏輯狀態(tài)改變成非， 再經(jīng)譯碼后， 得到反相序的換向輸出， 使電動機反轉(zhuǎn)。 電動機的起停控制由腳7功能端來實現(xiàn)。 當腳7懸空時， 內(nèi)部有電流源使驅(qū)動輸出電路正常工作。 若腳7接地， 3個上側(cè)驅(qū)動輸出開路（1狀態(tài)）， 3個下側(cè)驅(qū)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(cè)驅(qū)動輸出開路， 下側(cè)3個驅(qū)動輸出為高電平， 外接逆變橋下側(cè)3個功率開關(guān)導通， 使3個繞組端對地短接， 實現(xiàn)能耗制動。 芯片內(nèi)設(shè)一個四與門電路， 其輸入端是腳23的制動信號和上側(cè)驅(qū)動輸出3個信號， 它的作用是等待3個上側(cè)驅(qū)動輸出確實已為高電平狀態(tài)后， 才允許3個下側(cè)驅(qū)動輸出變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)， 從而避免逆變橋上下開關(guān)出現(xiàn)同時導通的危險， 其邏輯關(guān)系表， 如表1所示。

3.3 脈寬調(diào)制器

       除非由于過電流或故障狀態(tài)使6個驅(qū)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(chǎn)生脈寬調(diào)制PWM信號，控制3個下側(cè)驅(qū)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(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。 脈寬調(diào)制時序圖， 如圖3。

4 試驗及其結(jié)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(zhuǎn)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(qū)動下的波形， 如圖4、 5所示。

       兩圖中的上側(cè)曲線均為傳感器輸出的S B ， 圖4的下側(cè)曲線為S C ， 圖5的下側(cè)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(qū)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(jīng)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(nèi)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(jié)束語

       文中所設(shè)計的直流無刷電機驅(qū)動器經(jīng)實驗室測試與現(xiàn)場試用， 達到了設(shè)計要求的功能與技術(shù)要求， 獲得了滿意的實驗運行結(jié)果。 該驅(qū)動器具有簡單、 可靠、 體積小的特點， 尤其是配合MMC33039DR2G構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制后， 調(diào)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。