直流无刷电动机控制系统

天津职业技术师范大学本科生毕业设计

直流无刷电动机控制系统设计Brushless dc motor control system design

A

摘要

当今社会，电动机的发展十分迅速，无刷直流电机是一种新型电机。直流无刷电机主要由转子、定子和转子位置检测元件等组成,它具有结构简单、效率高、工作特性优良等特点,而且具有可靠性更高、制造维护更方便、应用范围更广泛、体积更小、控制更容易等优点。因此对无刷直流电动机及其控制器研究具有很大意义。本课题主要是根据直流无刷专用控制器MC33035与MC33039相结合，通过融合电路设计速度闭环电路的控制系统。首先，以直流无刷电动机控制器的研究现状为出发点，对直流无刷电动机的原理及结构进行了总述，详细分析了直流无刷电机的运行特性，推导出了其传递函数，并且创立了直流无刷电动机的数学模型。讲述了本系统的总体设计方法和思路，建立了系统的总体框架，然后介绍了主电路设计、控制器外围电路设计以及MOSFET驱动电路设计，其中重点讲述了系统各个功能模块的工作原理和作用，以及其硬件设备设计和实现。在课题的最后阶段对直流无刷电机系统控制效果专门进行了实验数据分析，并且对总体的设计过程做出了总结。

关键词：直流无刷电动机；开闭环电路；双闭环调速；MOSFET驱动

A

ABSTRACT

Nowadays society，motor has spread all areas of national economy and People's Daily life, and the Brushless DC motor, as a new mechanical and electrical integration, is rapidly matured in recent years. The motor consists of the stator, rotor and rotor position detection devices etc. In the absence of excitation device, it takes advantage of high efficiency, simple structure and excellent features, what’s more, it is smaller, more reliable, easier to control and more convenient to maintain and manufacture, and it has more extensive application scope. All the advantages mentioned above make the brushless motors and their control device of great significance. This design is mainly produced by ON Semiconductor MC33035 and MC33039 design of the closed-loop brushless motor speed controller.

First, this paper starts from the current research situation of brushless DC motor controller. The structure of the brushless DC motor and principle are reviewed to establish a mathematical model of brushless DC motor, and a detailed analysis of the operational characteristics of the motor is derived out of its transfer function. This part describes the overall design of this system and establishes the overall framework of the system. Then, the paper introduces the main circuit design, MOSFET driver circuit design and controller peripherals circuit design, including emphatically expounds the functional modules of the system and its working principle and hardware design and realization. Finally, there is a experimental data analysis on the effects of this system control, and a summary of the design process.

Key Words：the brushless DC motor； Hall signal detection；double-loop speed regulation；mosfet driver

A

目录

1 概述 (1)

1.1课题背景与研究意义 (1)

1.2无刷直流电动机的发展概况 (1)

1.3本文的主要研究内容 (2)

2 直流无刷电动机结构特点及基本工作原理 (3)

2.1直流无刷电动机的基本结构 (3)

2.2无刷直流电动机的运行特性 (5)

2.2.1 机械特性 (5)

2.2.2 调节特性 (6)

2.2.3 工作特性 (7)

2.3 无刷直流电动机的应用与研究动向 (8)

2.4小结 (9)

3 直流无刷电动机控制系统的整体方案设计 (10)

3.1系统总体设计方案 (10)

3.2主电路的设计 (11)

3.3 MOSFET的驱动电路设计 (12)

3.3 .1驱动电路分类 (13)

3.3.2高端功率MOSFET驱动电路 (14)

3.4控制单元设计 (17)

3.4.1 MC33035无刷直流电动机控制器集成电路简介 (18)

3.4.2电流检测模块设计 (22)

3.4.3速度闭环设计 (23)

3.4.4误差放大器设计 (24)

3.4.5振荡器设计 (24)

3.5控制器的开环电路设计 (25)

3.6控制器的闭环电路设计 (26)

3.7 小结 (27)

4 本文总结 (28)

参考文献 (29)

A

附录1：系统电路图 (30)

附录2：简易速度闭环电路 (31)

附录3 (31)

致谢 (38)

A

1 概述

1.1课题背景与研究意义

直流电机具有线性机械特性优秀、起动转矩较大、调速范围宽、控制电路结构简单等优点。在各种驱动装置和伺服系统中都广泛使用直流电机，但是直流电机的换向器和电刷是电机更好发展的一个阻碍。在直流电机中，机械的电刷和换向器因强迫性接触，导致其可靠性差、接触电阻变化、结构复杂、噪声等问题影响直流电动机的调速精度和性能。因此，长久以来，人们都围绕这些方面研究，以求解决根本问题。

通过这些年的研究和探索，随着电子技术的进步和新型材料的出现，无刷直流电动机终于问世了。

无刷直流电动机用电子的换向器代替了机械的换向器和电刷，优越了电机的性能，同时保留了直流电动机的种种优点，所以它一经问世就得到了迅速发展和普及应用。近年来，各个国家关于直流无刷电动机的研究都十分活跃。我国稀土资源十分丰富，采用永磁材料激磁以及高性能稀土永磁材料，可很大程度上提高电机效率，缩小电动机体积。

MC33035是安森美半导体推出的第二代无刷直流电机的专用控制器，其中包括了实现全新性能三相或四相电机开环控制系统所需要的一切功能。MC33035中有一个用于确定换相顺序的转子位置译码器、可以向传感器供电的温度补偿参考电压、频率可调式锯齿波振荡器、六个MOSFET驱动器。而MC33039是专门设计用于无刷直流电机控制系统的高性能闭环速度控制适配器，可实现精准的速度调变同时不需要光电测速计。MC33035和MC33039配合使用，可简单有效地用于速度闭环控制器中，具有以下特点：工作性能稳定平衡、保护功能完善、构成的系统所需外围电路简洁明朗、抗干扰能力较强等。

1.2无刷直流电动机的发展概况

在国外，直流无刷电机发展的初始阶段，人们主要是通过改变电子器件和材料来达到提高无刷直流电机性能的目的。可是先进的技术和材料也不能解决电机低速运转时产生的转矩波动大这个问题。与此同时，人们又把对直流无刷电机研究的方向转移到电子换向与智能控制这两个方面，以求降低产生的转矩波动。在电子换向方面，主要分为：一是对电流的控制，二是对转子位置的检测；关于控制电流一般采用稳频两态和电流分时反馈，而对于转子位置的感应，一般方法是采用位置传感器，为了减轻电路系统的负担，国外的部分专家提出了无位置传感器法。尤其是在1980年，H.Lehuy

等人提出了利用转子旋转时定子绕组中产生的感应电动势进行位置检测，这种方法又叫“反电动势法”，1990年，S.Ogasawara提出了续流二极管法：它是通过检测反向并联在驱动功率管上的二极管的导通状态来得出转子的位置，以及一些学者于1994年提出了基于定子磁链估计的检测方法，通过相电压、线电流信号计算出定子绕组各相的磁链，再根据磁链得到转子位置信号。这种方法虽然计算稍显复杂，但是其优点也很显著，其误差小、调速范围广，是一种比较理想的检测方法，在当时国外已经开始应用于实践和应用中。

在永磁材料上，人们采用了钕铁硼、杉钻等新型永磁材料。在智能控制的研究方向上，1984年，美国通用电气公司推出了一种先进的智能电动机，引起了国际上各方面的关注，其实这种电机是一种以微处理器作为控制核心的无刷直流电动机，这种电动机具有较宽的调速范围，并且噪声低，效率高，可实现一定程度的“智能”操作，它一经问世就受到了广泛的关注，产品初期用于吊扇，实现无级调速，然后逐步应用于洗衣机、空调器和冰箱等各种家用电器设备，使这些家电完成了省电、多功能、自动控制的工作。再后来，人们把无刷直流电机应用在电子精密设备、工业自动化设备及汽车设备均取得了巨大的成果。进入90年代后，随着微处理器芯片性能的逐渐提高和智能控制理论的快速发展，国外开始采用DSP等微处理器作为控制核心单元，采用先进的智能算法用于开发产品。

在直流无刷电机发展的同时，电子换向电路、驱动电路和转子位置检测电路也随着专用集成电路、微处理器、晶体管、传感器等电路原器件的发展而迅速的发展，而MC33035就是其专用集成电路中的重要产品，主要的适用于中小功率的无刷电机控制。

1.3本文的主要研究内容

本文的的主要研究内容是：了解直流无刷电动机的基本组成，工作原理和控制方式；同时分析安森美MC33035专用控制器的特点和原理，分析其用于无刷电动机控制的主要优势，再最后，重点学习MC33035和MC33039相结合的方法，加上外围的正反转电路、堵转保护电路等，设计出直流无刷电动机的控制电路系统。

2 直流无刷电动机结构特点及基本工作原理

2.1直流无刷电动机的基本结构

1.关于转矩的分析

直流无刷永磁电动机主要是由电动机本体、电子开关线路和位置传感器三部分组成。

电机本体的电枢绕组为三相星型连接，位置传感器与电机转子同轴，控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生控制信号，控制动信号经驱动电路隔离放大后控制逆变器的功率开关管，使电机的各相绕组按一定的顺序工作。

图2-1 无刷直流电动机工作原理示意图

如图2-1所示，当转子旋转（顺时针）到图a所示的位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使T1、T6 导通，即A、B两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经T1流入A相绕组，再从B相绕组流出，经T6回到电源的负极，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子顺时针转动。

当转子在空间转过60电角度，到达图b所示位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使T1、T2导通，A、C两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经T1流入A相绕组，再从C相绕组流出，经T2回到电源负极。此时定转子磁场相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。

转子在空间每转过60电角度，逆变器开关就发生一次切换，功率开关管的导通逻辑为T1、T6—T1、T2—T3、T2—T3、T4—T5、T4—T5、T6—T1、T6。

在次期间，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用，沿顺时针方向连续旋转。

转子在空间每转过60电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的磁状态就发生一次跃变。可见，电机有6种磁状态，每一状态有两相导通，每相绕组的导通时间对应于转子旋转120电角度。无刷直流电动机的这种工作方式叫两相导通星型三相六状态，这是无刷直流电动机最常用的一种工作方式。

2．无刷直流电动机与输出开关管换流信号

无刷直流电动机的位置一般采用三个在空间上相隔120电角度的霍尔位置传感器进行检测，当位于霍尔传感器位置处的磁场极性发生变化时，传感器的输出电平将发生改变，由于三个霍尔传感器位检测元件的位置在空间上各差120电角度，因此从这三个检测元件输出端可以获得三个在时间上互差120度、宽度为180度的电平信号，分别用A、B、C来表示，如图2-3所示，以信号A为例，A相位置宽度为180电导角：在0-60度，T1必须导通，故T1状态为1，而C相还剩下60度通电宽度，所以此段时间为T1和T6等于1，（此时下部可供导通的管子为T4、 T6和T2，而为避免桥臂直通，T4不能导通；T2的导通时间未到，故只能是T6导通）；而在60度—120度，此时只有A相通电，B和C相处于非导电期，故导通的开关管为T1和T2（T1和T2等于1），其中T2是为B相导电作准备；而在120度—180度时，由于每一相只有120电导角导电时间，故此时T1关断（T1=0），T2仍然导通（B相开始进入导电期），此时可知，T1关断，T5不能开通（防止桥臂直通），则此时只能开通T3，所以T3信号此时间段为1。其他时间段的开关管导通情况与此类似。

理论上，只要保证三个位置传感器在空间上互差120度，开关管的换流时刻总是可以推算出来的。然而，为了简化控制电路，每个霍尔传感器的起始安装位置在各自相绕组的基准点（r0=00）上.那么在r0=00的控制条件下，A相绕组开始通电的时刻（即该相反电势相位30度位置）恰好与A相位置传感器输出信号A的电平跳变时刻重合，此时应将T1开关管驱动导通。同理，其他开关管的导通时刻也可以按同样方法确定。

本设计选用的是三相无刷永磁直流电动机，其额定电压UH=36V,电枢额定电流IaH=8.5A,电枢峰值电流IaP 15A,额定转速nH=350r/min,额定功率PH=250W。

图2-2 无刷电动机位置检测及开关管驱动信号表2-1无刷电动机直流通电控制方式开关切换表

旋转方向

位置传感器逆变桥开关管驱动信号

A B C T1T2T3T4T5T6

正转001000011 010001100 011000110 100110000 101100001 110011000

反转001011000 010100001 011110000 100000110 101001100 110000011

2.2无刷直流电动机的运行特性2.2.1 机械特性

无刷直流电动机的机械特性为：