浅谈带位置传感器的无刷电机调速系统

2023-02-01

1 无刷电机概述

传统直流电动机作为最早的电动机广泛应用于工农业生产的各个领域, 由于其宽阔而平滑的优良调速性能, 在需要调速的应用领域占有重要地位, 但机械换向装置的存在, 限制了其发展和应用范围。机械换向不良的后果是电刷下面产生危害性火花, 严重时可能产生环火, 使其在煤矿、油田等具有可燃性气体的场合受到限制, 同时换向火花能引起对无线电通迅及控制设备的电磁干扰, 转速也受到机械换向的干扰限制而不能很高。这些缺点在很长时间内没有得到根本改善。

随着科学技术的飞速发展, 带来了半导体技术的飞跃, 开关型晶体管的研制成功及高性能的磁性材料制造技术的提高为创造新型的无刷直流电动机带来生机, 1955年, 美国人首次提出用晶体管换向线路代替机械换向装置, 经过反复实验, 人们终于找到了用位置传感器和电子换向线路来代替有刷直流电动机的机械换向装置刷出现了磁电耦合式、光电式及霍尔元件作为位置传感器的无刷直流刷因此使这种电动机不仅保留了直流电动机的优点, 而且又具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点, 使它一经出现就以极快的速度发展和普及。从1962年问世以来, 尤其经过近20多年的发展, 目前无刷直流电动机已广泛应用在计算机外围设备 (如软驱、硬盘、光驱等) 、办公自动化设备 (如打印机、复印机、扫描仪、绘图仪等) 、家电 (如洗衣机、空调、风扇) 、音像设备 (VCD、摄像机、录像机等) 、汽车、电动自行车、数控机床、机器人、医疗设备等方面和领域。另外, 在去年我国发射成功的“神舟五号”宇宙飞船上用于检测温度、湿度的高精密设备中, 也使用了无刷直流电动机。可见无刷直流电动机已经在一些高、精、尖的技术场合发挥着重要作用。

近年来, 电动机的机构和控制方式都发生了很大的变化。随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元器件的不断出现, 使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制PWM (Pulse Width Modulation) 控制方式已成为主流, 它在逆变、斩波、整流、变频及交流电力控制中均可应用, 使电路的控制性能大为改善, 使以前难以实现的功能也得以实现, 实现了电动机数字控制。本文以家用小型直流无刷电动机的PWM调速系统为主体进行介绍的。

2 带位置传感器的无刷电机调速系统的电路介绍

此电路由MC33033作为主控芯片, 由它来接受位置传感器的输入信号并输出控制信号, 输出的控制信号再通过IR2130对三相桥的六个MOCFET的通断来进行控制。通过调节MC33033的9管脚接的电位器来控制对无刷直流电动机的转速。其主电路连接如图1所示。

本文介绍了一种基于MC33033的带位置传感器无刷直流调速系统。该系统以MC33033集成芯片为核心, 并外加输入和输出电路;主回路功率开关器件采用MOSFET, 构成了三相式逆变电路, 它是用IR2130来驱动的, 实现了PWM桥式调制方式的电机数字控制。在本设计中, 用霍尔原件作为位置传感器, 利用它的检测信号来实现对无刷直流电动机的换相, 方便地构成一个完整的电动机控制系统。本电路可完成有固定频率的PWM控制、闭环速度控制和制动控制并且有噪声抑制安全正反转、防止上下桥臂直通等保护功能。

图2为无刷电机伺服系统原理框图, 在实际控制过程中, 计算机送来的D/A输出信号作为控制信号, 为双极性模拟电压。为配合MC33033工作以实现所需的控制功能, 需对该信号进行隔离放大、绝对值提取、方向信号提取等一系列变换, 绝对值信号送至MC33033的输入端, 控制电机的转速;方向信号送至换向控制端, 完成电机转动方向的控制;为防止计算机接口受到干扰, 接口电路与控制电路相关联的环节均应实行光电隔离。

用于电机转子位置检测的霍尔传感器置于无刷电机内部, 用于实现电子换向功能。MC33033的基准电压为它提供工作电源。MC33033外接IR2130, 再由IR2130接6个功率器件组成三相驱动器, 实现三相无刷直流电机驱动。一般情况下高端为三个P沟道, 而低端为三个N沟道。对于高端也为三个P沟道时, 则须将高端驱动信号进行反向。控制驱动电路如图1所示, 图1中脚3控制电机转向, 脚19控制系统起停, 脚10、11之间的开关选择系统开环或闭环运行, 脚18选择转子位置检测信号为60°或120°方式, 60°或120°选择可使MC33033很方便地控制具有60°、120°、240°或300°传感器相位的无刷电机。脚9信号大小决定电机转速。整个控制电路工作过程如下。

(1) 系统开环调速过程。

从电机转子位置检测器送来的三相位置检测信号A, B, C送入MC33033, 经芯片内部译码电路结合正反转控制、起停控制、制动控制、电流检测等控制逻辑信号的状态, 经运算后, 产生三相驱动电路上下桥臂开关器件共6路控制信号, 其中三相上桥臂 (高端) 控制信号用于完成无刷电机的换向控制, 三相下桥臂 (低端) 控制信号为PWM脉冲, 通过脉宽调制实现调速功能, 下桥臂控制信号可直接驱动N沟道。上、下桥臂协调工作产生电机正常驱动所需的三相方波电压。为防止上、下桥臂出现短路, 芯片内的逻辑电路对驱动信号时序进行了控制, 避免了三相桥式电路上下桥臂出现同时导通的危险。为防止霍尔信号受干扰, 在其三个输入端可加去耦电容, 以降低干扰, 增加系统的稳定性。

(2) 系统闭环控制过程。

MC33033与MC33039配合构成闭环三相控制电路!可实现精确的速度调整。转子位置检测信号除送入MC33033外, 还送入MC33039经频率、电压转换, 得到一个频率与电机转速成正比的脉冲信号, 该信号通过简单的阻容网络滤波后形成转速反馈信号, 利用MC33033中的误差放大器可构成一个简单的P调节器, 实现电机转速的闭环控制。构成闭环的主要原理是当负载变化增大, 则电机速度下降, 测速器MC33039引脚5输出方波密度变低, 此信号经积分形成载波信号后幅值变高, 使输出PWM占空比加大输出电流增加, 速度逐渐提高实现稳速控制。应用中, 还可外接各PI、PD调节电路以实现更复杂的闭环调节控制。

本文介绍了一种基于MC33033的带位置传感器无刷直流调速系统。该系统以MC33033集成芯片为核心, 并外加输入和输出电路;主回路功率开关器件采用MOSFET, 构成了三相式逆变电路, 它是用IR2130来驱动的, 实现了PWM桥式调制方式的电机数字控制。在本电路中, 用霍尔原件作为位置传感器, 利用它的检测信号来实现对无刷直流电动机的换相, 方便地构成一个完整的电动机控制系统。本电路可完成有固定频率的PWM控制、闭环速度控制和制动控制并且有噪声抑制安全正反转、防止上下桥臂直通等保护功能。

摘要：电动机的机构和控制方式都发生了很大的变化, 本文介绍带位置传感器的无刷电机调速系统电路的特性和优点。

关键词：带位置传感器,无刷电机,调速系统