基于MC3305芯片的电动车无刷直流电机闭环控制器

第25卷第5期2007年10月

轻工机械

LightIndustryMachinery

Vol.25No.5

Oct.2007

　[自控・检测]

基于MC3305芯片的电动车无刷直流电机闭环控制器

李　兵　　

(安徽农业大学工学院,安徽合肥　230036)　　

摘　要:国内电动车无刷直流电机控制器大都采用分立元件,使得控制系统的设计调试复杂。介绍了Motorola公司的第2代直流无刷电机控制器专用芯片MC33035的基本原理,设计了一种基于MC33035,MC33039,MPM3003的电动车闭环无刷电机控制器,介绍了具体参数。所设计的电路抗干扰性强,可靠性高,稳定性好,可内嵌到电机内部。关　键　词:无刷直流电机;闭环控制器;MC33035芯片

中图分类号:TP271;V484　　　文献标志码:A　　　文章编号:1005-25(2007)05-0061-03

0　引　言

近年来,由于石油能源的日益紧张及人们环境保护意识的增强,电动助力车深受欢迎。永磁直流无刷电机驱动成为电动车的发展方向。它由定子、转子和转子位置检测元件霍尔传感器等组成,既具备交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点,又具备了直流电机运行效率高,调速性能好等优点,在电动车等电器设备中得到广泛应用。目前,国内电动车无刷直流电机控制器设计大都采用分立元件,使得控制系统的设计和调试复杂。要占用较大的电路板,与把控制器内嵌到电机内部的要求相矛盾。MC33035是Motorola公司的第二代直流无刷电机控制器专用芯片,MC33039是Motorola公司生产的直流无刷电机控制器闭环速度控制专用芯片,MPM3003是Motorola公司生产的电机驱动芯片,输出最高峰值电流高达25A。基于这3种芯片设计的电动车闭环无刷直流电机控制器所需的外围电路简单,抗干扰性强,可靠性高,稳定性好等优点,特别适合对控制器体积要求较高的场合1　控制芯片MC33035

[2-5]

[1]

从而改变电机转向;(4)制动　封锁所有上桥臂的驱动信号,使电机与电源隔离,同时打开所有下桥臂的驱动信号,短接电机的电动势,使电机迅速减速;(5)内部振荡器　决定PWM的调制频率;(6)转速给定　包括1个误差放大器和1个PWM比较器,给定的转速信号与振荡器的输出锯齿波相比较,产生PWM控制信号;(7)内部基准电压　不仅用于内部比较器和振荡器的电源,还输出作为转子位置检测器的电源。

MC33035是24脚的双列直插窄式集成电路块,其内部结构如图1所示。其主要功能有:(1)转子位置译码器　接受转子位置检测器的信号,处理后生成6路输出驱动信号控制逆变桥的正确换流;(2)故障与处理　包括欠压、过热、误码、过流等;(3)正/反转控制　改变6路输出驱动信号的顺序,以改变定子绕组的电流方向,

收稿日期:2007-01-18

基金项目:安徽农业大学校青年基金项目(200500012)

作者简介:李　兵(1971-),男,安徽明光人,硕士,讲师,现在安徽农业大学工作,主要从事农业机械化及自动化方面研究。图1　MC33035电路示意图

2　MC33039电子测速器

MC33039直接利用三相无刷直流电机转子位置

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传感器的3个方波输出信号,经F/V变换成正比于电机转速的电压信号。它的第1脚、第23脚接受位置传感器3个信号,经有滞后的缓冲电路,以抑制输入噪声。经“或”运算得到相当于电机的6个脉冲信号,再经有外接定时组件的单稳态电路,从第5脚输出的信号的占空比与电机转速有关,其直流分量与转速成正比。此信号经滤波处理后,即得到与转速成正比的测速电压。3　控制系统设计方案

以MC33035为核心构成的电动车控制系统采用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MC33035接收霍尔传感器的位置信号,并对其进行译码,以决定有哪个电极换相,对应的真值见表1。以电机驱动芯片MC33039作为功率变换元件,采用三相全桥驱动。由人根据车速的快慢来调节控制车速电位器,使车加速或减速。

表1　三相六步换相真值表

MC33035输入信号

霍尔元件位置信号(120°)

系统的转速闭环控制如图3所示,MC33039对输入的转子位置信号进行有关的处理,产生与电机实际转速成正比的转速电压信号。MC33039的输出经低通

滤波器平滑,引入MC33035的误差放大器的反相输入端,而转速给定信号经积分环节输入MC33039误差放大器的同相输入端,从而构成系统转速闭环控制。

输出信号

驱动上桥信号AT011110110011

BT100111111100

CT111001001111

驱动下桥信号AB001100000001

BB000011111000

CB110000000110

正转

SA110001

SB011100011100

SC000111000111

图3　转速闭环控制电路

4.2　电流检测与过流保护电路

分流电阻接在MPM3003的功率驱动桥的下端与地线之间,因为MC33035的第9脚内部连接一个比较器的正相输入端。该比较器的反相输入端为芯片内部提供的100mV标准电压。由分压关系

R8ImaxR21

≈-1R9100

其中:Imax为电机最大允许电流,R21为分流电阻,100mV是过流检测比较器的反相输入端输入电压,

MC33035的第9脚的输入电压为过流检测比较器的正相输入端,通过计算R8取1008,R9取338,R21取0.058可满足上述比例关系,起到较好的过流保护作用。

4.3　欠压保护

MC33035的第17脚的输入电压低于9.1V时,由于第17脚的输入连接内部一比较器的同相输入端。该比较器的反相输入为内部的9.1V标准电压,此时MC33035通过与门将驱动下桥的三路输出全部封锁,下桥的3个功率三极管全部关断,电机停止运行,起欠压保护的作用。4.4　系统电路图

图4是运用MC33035,MC33039和MPM3003设

反转110001

　　整个控制系统采用闭控制,控制框图如图2所示,外环是速度环,内环是电流环,均采用PID控制。可以消除静差,电机刚刚启动时,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,这样既能保证系统启动时响应速度快,整体上又是一个无静差系统,能达到很高的控制精度。

[6]

图2　闭环控制系统框图

4　控制系统电路设计4.1　转速闭环控制电路计的36V直流无刷电机闭环速度控制器电路图,受控制的无刷直流电机为一轮毂电机,额定电压为36V,额定功率为180W,最大允许电流为12A,要求电动车　[自控・检测]　　李　兵　基于MC3305芯片的电动车无刷直流电机闭环控制器　　　　　　　　　　・63・

器的同相输入端,从而构成系统的转速闭环控制。

MC33035的第7脚为使能端,高

电平有效,只要将其输入电平设置为低,即可实现能耗制动刹车,另外也可经通过调节控制车速的电位器,从而改变PWM信号的占空比,实现无级调速;当占空比为零时,电机转速为零,实现刹车。

5　结　论

(1)基于MC33035与MC33039的直流无刷电机闭环控制系统具有电路简单,成本低,抗干扰强,可靠性高,稳定性好等优点,特别适用于小功率无刷电机的控制。

(2)MC33035的PWM调制方

图4　运用MC33035,MC33039和MPM3003的36V直流

无刷电机闭环速度控制器电路图

的额定转速为20km/h。系统采用3块额定电压为12V的铅酸免维护蓄电池供电,考虑到MC33035所需的输入电压范围是10～30V,用三端集成稳压电路7824给其供电。系统的PWM信号频率可由可以由外部电路调节,只需在MC33035的外围加一个电容、一个电阻和一个可调电位器即可产生所需要的脉宽调制信号。

MC33039是Motorola公司配合MC33035专门设计的无刷电机闭环速度控制器,这是一个8脚的双列直插窄式集成电路块。MC33039对输入的霍尔传感器检测的转子位置信号码进行有关的处理,产生与电机实际转速成正比的转速电压信号。MC33039的输出经低通滤波平滑,引入MC33035的误差放大器的反相输入端,而转速给定信号经积分环节输入MC33035的误差放大

式为调节占空比,难以改善输出电流的波形,减小输出转矩的脉动。

(3)运用MC33035,MC33039

和MPM3003的36V直流无刷电机闭环速度控制器集成化程度较高,体积小,可以内嵌到电机内部。参考文献:

[1]　MotorolaInc.MotorolaSemiconductorTechnicalDatafor

MC33035[M].MotorolaInc.Rev2,1992:91-93.

[2]　张　琛.直流无刷电机原理及应用[M].北京:机械工业出版社,

1996:40-50.

[3]　李晓斌,张　辉,刘建平.利用DSP实现无刷直流电机的位置控制

[J].机电工程,2005,22(3):8-10.

[4]　刘　伟,王长松,周晓敏,等.无位置传感器无刷直流电机转子位

置检测的研究[J].轻工机械,2007,26(3):108-110.

[5]　何松波.永磁式微特电机同内外发展动态[J].微特电机,1992,1:

25-26.

[6]　辜承林.机电动力系统分析[M].武汉:华中理工大学出版社,

1998:28-30.

ClosedLoopBrushlessDCMotorControlBasedonMC33035Chip

LIBing

(SchoolofEngineering,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei230036,China)

Abstract:ThedomesticElectric-bicycleDCmotorcontrolwasmostlymadeofdiscretecomponent,andthedesingndebugingofthecontrolsystemwascomplex.ThebasicprincipleofMC33035wasbrieflyanalyzedinthepaper.AclosedloopbrushlessDCmotorcontrolusingtheMC33035,MC33039andMPM3003isintroducedinthepaper.Thecircuitdesignandspecificparameterarealsointroduced.Thecircuitantijamming,reliabilityandstabilityisgood,itcanbeinstalledinthemotor.

Keywords:brushlessDCmotor;closedloopcontrol;MC33035chip