隨著石油能源的日趨緊張以及人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)， 電動(dòng)助力車(chē)越來(lái)越受歡迎。 永磁直流無(wú)刷電機(jī)是成熟的一種新型機(jī)電一體化電機(jī)， 既具有交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 運(yùn)行可靠、 維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)， 又具備直流伺服電機(jī)那樣良好的調(diào)速特性而無(wú)機(jī)械式換向器，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種調(diào)速驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。 MOTOROLA第二代電機(jī)控制專(zhuān)用芯片的出現(xiàn)， 給永磁直流無(wú)刷電機(jī)調(diào)速裝置的設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的便利。 這些芯片控制功能強(qiáng)， 保護(hù)功能完善， 工作性能穩(wěn)定，組成的系統(tǒng)所需外圍電路簡(jiǎn)單， 抗干擾能力強(qiáng)， 特別適用于工作環(huán)境惡劣， 對(duì)控制器體積， 價(jià)格性能比要求較高的場(chǎng)合。

1 無(wú)刷電機(jī)的基本原理

       直流無(wú)刷電機(jī)在原理上是一種介于交流和直流電機(jī)之間的電機(jī)。 這種電機(jī)的定子繞組與交流同步和異步電機(jī)的定子繞組是相同的。 但是， 它與交流電機(jī)的區(qū)別在于它的勵(lì)磁電壓是單一直流電壓， 它是把直流電壓通過(guò)電機(jī)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(duì)各相繞組交替勵(lì)磁， 進(jìn)而在電機(jī)的定子鐵心的內(nèi)部形成一個(gè)步進(jìn)式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)， 驅(qū)動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子同步運(yùn)行。 所以這種電機(jī)在結(jié)構(gòu)上與永磁交流同步電機(jī)幾乎相同， 只不過(guò)多了一個(gè)霍爾位置傳感器。無(wú)刷電機(jī)既然是使用直流電源， 它與直流電機(jī)最大的區(qū)別是： 它沒(méi)有直流電機(jī)所必需的電刷和整流子組成的換向裝置， 它只有裝在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的霍爾位置傳感器。 根據(jù)電機(jī)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(jì)了與整車(chē)其它部分的通訊。在整車(chē)臺(tái)架試驗(yàn)中， 試驗(yàn)數(shù)據(jù)和波形驗(yàn)證了硬件電路和軟件控制算法的正確性。

       極面所對(duì)應(yīng)的瞬態(tài)位置， 確定定子繞組通電的時(shí)間， 按相序交替勵(lì)磁產(chǎn)生電機(jī)運(yùn)行所必須的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 可見(jiàn)， 直流無(wú)刷電機(jī)具備了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 性能優(yōu)良、 調(diào)節(jié)方便、 電源單一簡(jiǎn)單等特點(diǎn)， 在價(jià)格上與同性能的交流和直流電機(jī)相比也要便宜許多，正是因?yàn)橛腥绱硕嗟膬?yōu)良特性， 無(wú)刷電機(jī)在伺服系統(tǒng)中越來(lái)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(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)具有電路簡(jiǎn)單， 抗干擾性強(qiáng)， 可靠性高， 穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

2 控制器結(jié)構(gòu)與原理

       MC33035DWR2G加上1片MC33039DR2G電子測(cè)速器， 將直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行F/V轉(zhuǎn)換， 形成轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)， 即可構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。外接6個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件組成三相逆變器， 就可驅(qū)動(dòng)三相永磁直流無(wú)刷電機(jī)， 控制器電路構(gòu)成， 如圖1所示。

       從電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器送來(lái)的三相位置檢測(cè)信號(hào)（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(dòng)控制端、 電流檢測(cè)端等控制邏輯信號(hào)狀態(tài)， 經(jīng)過(guò)運(yùn)算后， 產(chǎn)生逆變器三相上、下橋臂開(kāi)關(guān)器件的6路原始控制信號(hào)， 其中， 三相下橋開(kāi)關(guān)信號(hào)還要按直流無(wú)刷電機(jī)調(diào)速機(jī)理進(jìn)行脈寬調(diào)制處理。 處理后的三相下橋PWM控制信號(hào)（Ar、 Br、Cr） 經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路整形、 放大后， 施加到逆變器的6個(gè)開(kāi)關(guān)管上， 使其產(chǎn)生出供電機(jī)正常運(yùn)行所需的三相方波交流電流。

       另一方面， 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)信號(hào)還送入MC33039DR2G經(jīng)F/V轉(zhuǎn)換， 得到一個(gè)頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號(hào)FB。 FB通過(guò)簡(jiǎn)單的阻容網(wǎng)絡(luò)濾波后形成轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)， 利用MC33035DWR2G中的誤差放大器即可構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的P調(diào)節(jié)器， 實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制， 以提高電機(jī)的機(jī)械特性硬度。 實(shí)際應(yīng)用中， 還可外接各種PI、 PD調(diào)節(jié)電路， 以實(shí)現(xiàn)更為復(fù)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(bǔ)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(dòng)電路、 欠電壓封鎖保護(hù)芯片、 過(guò)熱保護(hù)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(kāi)環(huán)速度控制、 功能控制（ 起動(dòng)或停止） 、 正反轉(zhuǎn)控制和能耗制動(dòng)控制， 適當(dāng)加上一些外圍元件， 可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)。

3.2 轉(zhuǎn)子位置傳感器譯碼電路

       該譯碼電路將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成六路驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)， 三路上側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出和三路下側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出。

       由于3個(gè)輸入邏輯信號(hào)， 可有8種邏輯組合。其中6種正常狀態(tài)決定了電動(dòng)機(jī)的6種不同位置狀態(tài)。 其余2種組合對(duì)應(yīng)于位置傳感不正常狀態(tài)， 即3個(gè)信號(hào)線(xiàn)開(kāi)路或?qū)Φ囟搪窢顟B(tài)， 此時(shí)腳14將輸出故障信號(hào)（低電平）。

       用腳3邏輯電平來(lái)確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向。 當(dāng)腳3邏輯狀態(tài)改變時(shí)， 傳感器信號(hào)在譯碼器內(nèi)將原來(lái)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(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。 電動(dòng)機(jī)的起停控制由腳7功能端來(lái)實(shí)現(xiàn)。 當(dāng)腳7懸空時(shí)， 內(nèi)部有電流源使驅(qū)動(dòng)輸出電路正常工作。 若腳7接地， 3個(gè)上側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出開(kāi)路（1狀態(tài)）， 3個(gè)下側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出強(qiáng)制為低電平（0狀態(tài)）， 使電動(dòng)機(jī)失去激勵(lì)而停車(chē)， 同時(shí)故障信號(hào)輸出為零。

       當(dāng)加到腳23上的制動(dòng)信號(hào)為高時(shí)， 電動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)操作。 它使3個(gè)上側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出開(kāi)路， 下側(cè)3個(gè)驅(qū)動(dòng)輸出為高電平， 外接逆變橋下側(cè)3個(gè)功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通， 使3個(gè)繞組端對(duì)地短接， 實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)。 芯片內(nèi)設(shè)一個(gè)四與門(mén)電路， 其輸入端是腳23的制動(dòng)信號(hào)和上側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出3個(gè)信號(hào)， 它的作用是等待3個(gè)上側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出確實(shí)已為高電平狀態(tài)后， 才允許3個(gè)下側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)， 從而避免逆變橋上下開(kāi)關(guān)出現(xiàn)同時(shí)導(dǎo)通的危險(xiǎn)， 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(guò)電流或故障狀態(tài)使6個(gè)驅(qū)動(dòng)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(hào)比較后， 產(chǎn)生脈寬調(diào)制PWM信號(hào)，控制3個(gè)下側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出。 改變輸出脈沖寬度， 相當(dāng)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(shí)序圖， 如圖3。

4 試驗(yàn)及其結(jié)果分析

       試驗(yàn)中選用的電機(jī)是三相6極電機(jī)， 在該閉環(huán)速度控制系統(tǒng)中， 用3個(gè)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(jī)在電源驅(qū)動(dòng)下的波形， 如圖4、 5所示。

       兩圖中的上側(cè)曲線(xiàn)均為傳感器輸出的S B ， 圖4的下側(cè)曲線(xiàn)為S C ， 圖5的下側(cè)曲線(xiàn)為S A ， 對(duì)照可知，實(shí)驗(yàn)輸出與理論計(jì)算相符。

       測(cè)量電流波形時(shí)， 首先將一驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)逆變器的主回路引出， 在電線(xiàn)上裝置電流傳感器， 再接入一個(gè)5Ω的測(cè)量電阻后接地。 然后以示波器測(cè)量電流傳感器的電流， 即流經(jīng)電阻的波形， 也即電機(jī)電流波形， 如圖6所示。

       可見(jiàn)， 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(diǎn)相同， 但波形上區(qū)別較大， 這是由于電機(jī)處于空載運(yùn)行所致。 因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中， 電機(jī)運(yùn)行在空載狀態(tài)下， 逆變器的每一次換相， 帶來(lái)的沖擊電流大于滿(mǎn)載狀態(tài)時(shí)， 沒(méi)有負(fù)載消耗平緩電流的波動(dòng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

       文中所設(shè)計(jì)的直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)試用， 達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的功能與技術(shù)要求， 獲得了滿(mǎn)意的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果。 該驅(qū)動(dòng)器具有簡(jiǎn)單、 可靠、 體積小的特點(diǎn)， 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(wú)刷電機(jī)， 只要對(duì)外圍電路稍加改動(dòng)， 還可以很好地控制四相四步電機(jī)和有刷直流電機(jī)。