无刷电机原理.doc

直流无刷电机的控制结构 直流无刷电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(P)影响： N=120f / P。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。 直流无刷驱动器包括电源部及控制部如图 (1) ：电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。 电源部可以直接以直流电输入(一般为24V)或以交流电输入(110V/220 V)，如果输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器(inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(Q1Q6)分为上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供PWM(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相的时机。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall-sensor)，做为速度之闭回路控制，同时也做为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。图一直流无刷电机的控制原理 要让电机转动起来，首先控制部就必须根据hall-sensor感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器(inverter)中功率晶体管的顺序，如 下（图二） inverter中之AH、BH、CH(这些称为上臂功率晶体管)及AL、BL、CL(这些称为下臂功率晶体管)，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到hall-sensor感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管)；要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。 基本上功率晶体管的开法可举例如下： AH、BL一组AH、CL一组BH、CL一组BH、AL一组CH、AL一组CH、BL一组 但绝不能开成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂(或上臂)就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。 图二当电机转动起来，控制部会再根据驱动器设定的速度及加/减速率所组成的命令(Command)与hall-sensor信号变化的速度加以比对(或由软件运算)再来决定由下一组(AH、BL或AH、CL或BH、CL或)开关导通，以及导通时间长短。速度不够则开长，速度过头则减短，此部份工作就由PWM来完成。PWM是决定电机转速快或慢的方式，如何产生这样的PWM才是要达到较精准速度控制的核心。高转速的速度控制必须考虑到系统的CLOCK 分辨率是否足以掌握处理软件指令的时间，另外对于hall-sensor信号变化的资料存取方式也影响到处理器效能与判定正确性、实时性。至于低转速的速度控制尤其是低速起动则因为回传的hall-sensor信号变化变得更慢，怎样撷取信号方式、处理时机以及根据电机特性适当配置控制参数值就显得非常重要。或者速度回传改变以encoder变化为参考，使信号分辨率增加以期得到更佳的控制。电机能够运转顺畅而且响应良好，P.I.D.控制的恰当与否也无法忽视。之前提到直流无刷电机是闭回路控制，因此回授信号就等于是告诉控制部现在电机转速距离目标速度还差多少，这就是误差(Error)。知道了误差自然就要补偿，方式有传统的工程控制如P.I.D.控制。但控制的状态及环境其实是复杂多变的，若要控制的坚固耐用则要考虑的因素恐怕不是传统的工程控制能完全掌握，所以模糊控制、专家系统及神经网络也将被纳入成为智能型P.I.D.控制的重要理论。 P.I.D控制简介 一般P.I.D控制如下 (dutycycle)=(dutycycle)p + (dutycycle)i + (dutycycle)d P.控制(比例控制) ：输出与输入误差讯号成正比关系，即将误差固定比例修正，但系统会有稳态误差。 I .控制(积分控制) ：当系统进入稳态有稳态误差时，将误差取时间的积分，即便误差很小也能随时间增加而加大，使稳态误差减小直到为零。 D.控制(微分控制)：当系统在克服误差时，其变化总是落后于误差变化，表示系统存在较大惯性组件或(且)有滞后组件。微分即是预测误差变化的趋势以便提前作用避免被控量严重冲过头。 电机驱动器的保护措施 对于驱动器还要有保护措施，当负载过大或不当使用时会造成大电流而将功率晶体管烧毁。为了保护因电流超过规格而破坏驱动器，一般会以加大功率晶体管耐电流或加电流sensor做为保护。其次当电机负载不小的时候，在停止转动时由电机端回送至驱动器的能量及过电压都将危及驱动器，这可配合过电压保护电路加上回生能量消散电路来防治。其它尚有hall-sensor正常与否判定也会影响PWM控制的正确性，这可由控制部判断并适时警告即可。 DC无刷电机系列控制疑难杂症处理案例 欲以电流值的大小来判断目前电机的负载状况是否有过载的迹象，该如何测量? 将电源线的其中一条拔起后，将电表（请先调至安培档）的一端接至驱动器的电源CONNECTOR其中一接脚，另一端则接至电源插座的另一接脚，如此即可测量出在现阶段的负载下所必须耗费的电流值，之后再依此电流值来对照电机的电流/扭力对照表，如此即可得知目前的负载状况是正常或是 否有过载的情形发生。关键词：无刷 直流电机 控制 MC330351 概述MC33035无刷直流电机控制器采用双极性模拟工艺制造，可在任何恶劣的工业环境条件下保证高品质和高稳定性。该控制器内含可用于正确整流时序的转子位置译码器，以及可对传感器的温度进行补偿的参考电平，同时它还具有一个频率可编程的锯齿波振荡器、一个误差信号放大器、一个脉冲调制器比较器、三个集电极开路顶端驱动输出和三个非常适用于驱动功率场效应管（MOSFET）的大电流图腾柱式底部输出器。此外，MC33035还有欠锁定功能，同时带有可选时间延迟锁存关断模式的逐周限流特性以及内部热关断等特性。其典型的电机控制功能包括开环速度、正向或反向、以及运行使能等。2 管脚排列及功能定义MC33035的管脚排列如图1所示，各引脚功能定义见表1。表1 MC33035的管脚功能定义定管脚编号符 号功能定义1，2，24BT，AT，CT三个集电极开路顶端驱动输出，用于驱动外部上端功率开关晶体管3Fwd/Rev正向/反向输入，用于改变电机转向4，5，6SA,SB,SC三个传感器输入，用于控制整流序列7Ooutput Enable输出使能，高电平有效。该脚为高电平时，可使电机转动8Reference Output此输出为振荡器定时电容CT提供充电电流，并为误差放大器提供参考电压，也可以向传感器提供电源9Current Sense Noninverting Input电流检测同向输入。在一个给定的振荡器周期中，一个相对于管脚15为100mV的信号可中止输出开关导通。通常此管脚连接到电流检测的上端10Oscillator振荡器引脚，振荡频率由定时元件RT和CT所选择的参数值决定11Error Amp Noninverting Input误差信号放大器同向输入。通常连接到速度设置电位器上12Error Amp Noninverting Input误差信号放大器反向输入。在开环应用情况下，此输入通常连接到误差放大器输出端13Error Amp Out/PWM Input误差放大器输出/PWM输入。在闭环应用情况下，此管脚用作补偿14Fault Output故障输出端。当下列的任一或多个条件满足时，集电极开路输出端被触发而变为低；无效的传感器输入码，电流检测超过100mV，低电压锁定或热关断15Current Sense Inverting Input电流检测反向输入端。用于给内部100mV门限电压提供参考地，该管脚通常连接到电流检测电阻的底端16Gnd该管脚用于为控制电路提供一个分离的接地点，并可以作为参考返回到电源地17Vcc正电源。Vcc在10V30V的范围内，控制器均可正常工作18Vc底部驱动输出的高端电压是由该管脚提供的，它的工作范围从10V30V19，20，21CB,BB,AB这三个图腾柱式底部驱动输出被设计用于直接驱动外部底部功率开关晶体管2260/120Select此管脚的电气状态可决定控制电路是工作在60（高电平状态）还是120（低电平状态）的传感器电气相位输入状态下23Brake输出使能。该管脚为低时允许马达运行，为高时马达运行停止表2 三相六步换向器真值表输 入输 出60度SA SB SC120度SA SB SC正向/反向 使能 电流检测顶部驱协AT BT CT底部驱动AB BB CB1 0 01 0 01 1 00 1 10 0 11 1 01 1 01 1 01 0 10 0 11 1 10 1 01 1 01 0 11 0 00 1 10 1 11 1 01 1 01 0 00 0 10 0 11 1 01 1 00 1 00 0 01 0 11 1 00 1 10 1 01 0 01 0 00 1 01 1 01 0 01 1 01 1 00 1 01 1 00 1 01 1 10 1 00 1 00 1 10 1 00 1 10 1 10 1 00 1 10 0 10 0 10 0 10 1 01 0 10 0 10 0 01 0 10 1 01 0 11 0 01 0 11 1 1X X X1 1 10 0 00 1 00 0 0X X X1 1 10 0 0V V VV V VX 0 X1 1 10 0 0V V VV V VX 1 X1 1 10 0 0表中,V表示六个有效传感器或驱动组合中的一个，X表示无关；输入逻辑0定义为小于85mV，逻辑1为于115mV3 工作原理MC33035的内部结构框图如图2所示。 MC33035内部的转子位置译码器主要用于监控三个传感器输入，以便系统能够正确提供高端和低端驱动输入的正确时序。传感器输入可直接与集电极开路型霍尔效应开关或者光电耦合器相连接。此外，该电路还内含上拉电阻，其输入与门限典型值为2.2V的TTL电平兼容。用MC33035系列产品控制的三相电机可在最常见的四种传感器相位下工作。MC33035所提供的60度/120度选择可使MC33035很方便地控制具有60度、120度、240度或300度的传感器相位电机。其三个传感器输入有八种可能的输入编码组合，其中六种是有效的转子位置，另外两种编码组合无效。通过六个有效输入编码可使译码器在使用60度电气相位的窗口内分辨出电机转子的位置。表2所列是其真值表。MC33035直流无刷电机控制器的正向/反向输出可通过翻转定子绕组上的电压来改变电机转向。当输入状态改变时，指定的传感器输入编码将从高电平变为低电平，从而改变整流时序，以使电机改变旋转方向。电机通/断控制可由输出使能来实现，当该管脚开路时，连接到正电源的内置上拉电阻将会启动顶部和底部驱动输出时序。而当该脚接地时，顶端驱动输出将关闭，并将底部驱动强制为低，从而使电动机停转。MC33035中的误差放大器、振荡器、脉冲宽度调制、电流限制电路、片内电压参考、欠压锁定电路、驱动输出电路以及热关断等电路的工作原理及操作方法与其它同类芯片的方法基本类似，这里不多述。4 实际控制电路4.1 三相六步电机控制电路图3所示的三相应用电路是具有全波六步驱动的一个开环电机控制器的电路连接图。其中的功率开关三极管为达林顿PNP