摘要：分析并确定了高速无刷直流电机驱动控制器主回路的导通方式。控制器是以专用芯片和Mc33039来进行设计。位置反馈采用霍尔传感器，开关器件采用MOsFET管。设计有转速反馈闭环控制、正反转、过电流保护等。实验表明，系统运行良好，性能稳定，达到了预期的目标，具有一定的实用价值。
　　关键词：无刷直流电机；高速；速度闭环；控制器；实验弓l  言高速电机具有体积小、功率密度高、可直接驱动高速负载等优点，在航空、航天、航海测试平台及导航系统、机械加工的高速磨削、铣床设备和医疗器械等领域中得到广泛应用。传统的高速驱动电机如直流电机、异步电机和同步电机，存在结构复杂或效率较低等不足。而近几年发展起来的无刷直流电动机是一种用电子换向装置代替机械换向装置的新型直流电动机，通常采用永磁体转子，因此没有激磁损耗；其发热的电枢绕组又通常装在外面的定子上，热阻较小，散热容易；具有效率高、过载能力强、无换向火花等优点，是高速电机的一个重要发展方向。
　　本文设计了一种具有低价格、高效率的小功率专用高速无刷直流电动机控制器。介绍了无刷。直流电动机的工作原理，分析并确定了主回路的导通方式。控制器以专用芯片Mc33035和来进行设计。位置反馈元件有霍尔传感器反馈接口。开关器件采用MOsFET管，设计有转速反馈闭环控制、正反转、过电流保护等。实验表明，本文提出的控制系统运行良好，性能稳定，达到了预期的目标，而且该系统具有很强的可扩展性及可移植性，具有一定的实用价值。
　　系统工作原理及总体方案根据技术要求，以Mc33035为核心构成的控制系统采用PWM方式控制电机的转矩和转速，采用电机内置的霍尔传感器检测转子位置。由接收霍尔传感器的位置信号，并对其进行译码，对应的真值见表1。以电机驱动芯片：33039作为功率变换元件，采用三相全桥驱动。
　　整个控制系统采用闭环控制。控制框图如图所示。外环是速度环，内环是电流环，均采用控制，以消除静差。电机刚起动时，系统基本上为恒流控制，即内环起作用，当转速达到一定值后，系统基本表现为一个恒转速系统。这样既能保证系统起动时响应速度快，整体上又是一个无静差系统，能达到很高的控制精度。

　　从电机转子位置检测器送来的三相位置检测信号一方面送人Mc：33035(sa，sb，sc)，经芯片内部译码电路结合正反转控制端、起停控制端、制动控制端、电流检测端等控制逻辑信号状态，经过运算后，产生三相逆变器上、下桥臂开关器件的6路原始控制信号，其中，三相下桥开关信号还要按电机调速机理进行脉宽调制处理，即产生PwM调制信号。另一方面，转子位置检测信号还送人进行F/y转换，得到一个频率与电机转速成正比的脉冲信号F0ut。Fout通过简单的阻容滤波后形成转速反馈信号送入Mc：33035的PwM输入端，实现电机转速的闭环控制，以提高电机的机械特性。
　　硬件设计电流限制采用分流电阻进行电流检测的电路示意图如图2所示。其中分流电阻接在功率驱动桥的下端与功率板地线之间。因为Mc33035的管脚9内部连接着比较器的正相输入端，故该比较器的反相输入端可为芯片内部提供100 mV的标准电压。分流电阻的阻值一般比较小。本设计中采用康铜丝来代替，R21取值为0．051Ω／3w。
　　事实上，由分压关系可得：
　　式中，，Imax为电机****允许电流(设为10 A)；R21为分流电阻；I00（mv)代表的是过流检测比较器的反相输入端的输入电压。

　　管脚9的输入电压为过流检测比较器的正相输入端．这样，通过选择合适的R8、R9(阻值尽量大)的值，并满足以上关系，便能起到很好的过流保护作用。对于本设计：R8／R9=10 xO．05的-1次方这样，可取R8为120Ω，Rq为30Ω。
　　速度闭环设计  Mc3：3039是专为无刷直流电动机闭环速度控制设计的集成电路。系统不必使用高价的电磁式或光电测速机，就可实现精确调速控制。它直接利用三相无刷直流电动机转子位置传感器3个输出信号，经F／V变换成正比于电动机转速的电压信号。
　　脚1、2、3接收位置传感器3个信号，经有滞后的缓冲电路，抑制输人噪声。经“或”运算得到相当于电动机每对极下6个脉冲的信号。再经有外接定时元件cT和Rr的单稳态电路，从脚5输出的fout信号的占空比与电动机转速有关，其直流分量与转速成正比，此信号经R5,C6，R6低通滤波器处理后，即可得到与转速成正比的测速电压，送人Mc33035 PwM输入端进行闭环控制。
　　由课题可知，从Mc33039的管脚5输出的脉冲数是电动机每一转输出的3×4=12个脉冲数。
　　本设计是按电动机的****转速来选择定时元件。
　　设计中，电动机的****转速为15 000 r／min，即／s)。此时每秒输出的脉冲数是250×个，即频率为3 000 Hz，周期约为O．33 ms。
　　可取定时元件R1为250 kΩ，c1为750tPF。
　　误差放大器Mc33035中的误差放大器外围电路参数如图4所示。开关闭合时。则为开环速度控制，此时放大器被接成增益为1的电压跟随器；而开关断开时。则为闭环速度控制。此时放大器增益为lO。图3中的电容c3起平滑滤波作用。改变图中R4的值可以改变控制器的调速范围。

　　振荡器由于PwM频率约为24 kHz，Mc：
　　的振荡器元件参数为：R2选5.l kΩ，C2选0．01μ其连接方式如图4所示。
　　驱动部分本文所采用的驱动模块是上桥臂通过光耦进行驱动，而下桥臂则是直接驱动。图为上桥臂的M0sFET功率管V桥臂的驱动电路图。其中光耦起到隔离信号的作用。要驱动功率管，需接一阻值约为60 n的电阻。图中采用个电阻并联是为了防止电流过大而烧毁电阻。图中，6个功率管都是N沟道功率MOsFET的栅极。其中上侧3个MOsFET的源极和下侧3个栅极。它们均由Mc33035驱动。上侧功率M0sFET由低电平驱动，下侧功率M0sFET由高电平驱动；每次各有一个上侧功率M0sFET和一个下侧功率MOSFET导通，且受Mc33035的控制。正常工作时，上下两个导通的功率应不在同一桥臂上。其连接方式为：上桥臂驱动信号与Mc33035的管脚l、2、24相连，下桥臂驱动信号依次与Mc33035的管脚19、20、相连。

　　由于光耦Pc817需要3 v以上的电压才能工作，因此接的电阻不应过大或过小。课题中所给的开关电源是5 V。综上所述，取2个3．6 kn电阻并联可以达到预期效果。光耦前接的三极管是用对信号进行放大，以使得光耦能够正常工作。

　　故障延时锁存在错误指示输出脚14和使能脚7加入Rc电路后可实现过流延时锁存的关断，以用于区别电机起动与过载情况下的持续工作。
　　由于提供额外的起动转矩可使有较大惰性的电机起动更容易，并能保持过流保护功能。故可通过将电流极限设为高于正常值并达到一定的时间的方法来实现。在过流时间超长情况下，电容充电将造成使能端的输入超过门限值而变成低电平，从而通过错误指示输出脚到使能输出脚的正反馈回路形成锁存。但应注意电流检测输入一旦设定．就只有通过将电容短路或电源重置才能复位。
　　温度采集电路MOsFET在工作时，为了防止异常情况功率开关器件过热，采用热电阻温度传感器Pnoo。其测量温度范围一50℃～+600℃，℃时电阻值为1[)(】±O 06 Ω，允通电流≤5 mA，具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等特点。设计了温度采集、处理、保护电路。具体电路如图7所示。该电压信号经过调整、放大后进行比较。当温度大于预先设定值时，关闭Mc33035
　　输出。