300V无刷直流电机控制系统的设计

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300V无刷直流电机控制系统的设计

北京化工大学东区机电工程学院　袁伟涛　张连凯

[摘　要]本文提出了一种基于该设计主要电源电路、MC33035和MC33039构成的300V直流无刷电机驱动器的设计。核心控制电路、功率驱动电路和电机保护电路(过流、过热、欠压保护)构成。该驱动器现已成功应用于驱动300V󰃗1.5kw的直流无刷电机,电机运行最高转速达到12000r󰃗min,取得了比较好的经济效益。[关键词]MC33035　MC33039　IR2103　无刷直流电机

　　近年来随着电子电力技术和永磁材料的迅速发展,永磁直

流无刷电机在机电一体化产品中的应用越来越广泛。尤其是大功率直流无刷电机的应用在工业上有着有刷直流电机不可比拟的优势。直流无刷电机采用电子换向代替传统的机械换向,既具备交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点,又具备有刷直流电机运行效率高、无励磁损耗、调速方法简单等优点。该文主要从以下四个方面来阐述此300V直流无刷电机驱动器的设计。

1.驱动器供电电源设计

通过分析得知该控制系统电压包括电机母线电压300V直流、5路相互隔离的12V直流电压,其中3路给用来驱动3个功率上桥端的3个高压悬浮栅极驱动器IR2103提供悬浮电压,以保证功率IGBT的快速开通和关闭,1路用来给系统中各个芯片提供工作电压,1路用来给霍尔元件提供工作电压,这个问题会

在后面加以说明。

(1)300V电机直流母线电压可通过对电网交流220V电压经过整流滤波得到,为了得到较好品质的工作电压,在电桥交流输入端进行了相应的滤波去噪设计。由于此电源中包含高频开关电源,所以在系统上电时容易产生较大的浪涌电压和电流,因此在交流220V电压两端并联一个430V的压敏电阻,串连一个10欧姆的负温度系数热敏电阻用来吸收浪涌电压和电流。

(2)5路相互隔离的12V直流电压的获得是通过如图1所设计的开关电源得到,此开关电源的设计核心是开关电源芯片TNY266PN和小功率高频变压器,通过电桥和电容整流滤波得到300V的直流电压,然后通过高频变压器耦合得到5路12V直流输出,其中的一路12V通过三端稳压管78L05AC稳压输出5V直流电压。

　　2.核心控制电路设计

该控制系统的核心控制电路采用MOTOROLA公司生产的MC33035无刷电机专用控制芯片和MC33039电子测速器为控制单元,MC33039电子测速器将无刷直流电机的转子位置信号进行F󰃗V变换形成转速反馈信号提供给MC33035,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(12脚),而转速给定信号经积分环节输入到MC33035的误差放大器同相输入端(11脚),从而构成转速闭环调节系统。MC33035的外部逻辑电路相对简单,以MC33035为核心构成的无刷直流电机控制系统采用PWM方式控制电机的转速和转矩,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译码,以决定正确的电机换向顺序。该控制系统是由速度环(外环)和电流环(内环)构成的双闭环控制系统,采用PID控制策略,控制框图如图2所示,这样既能保证系统启动时速度响应快,整体上又构成一个无静差系统,从而达到比较高的控制精度。

　　图3为由MC33035和MC33039构成的的无刷直流电机闭环控制系统的核心控制电路。其中HA、HB、HC为电机内置的霍尔传感器检测到的转子位置信号,为了提高霍尔信号的抗干扰

性,设计中使三相霍尔信号经过施密特触发器后再通过

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MC33035进行译码。电路中的R37(1.5K)和C24(0.01uF)产生频率约为24KHz的锯齿波。速度指令信号直接与内部振荡器的输出锯齿波比较生成PWM控制信号。AT、BT、CT三路信号输出控制功率桥上桥端的逻辑信号,AB、BB、CB三路信号受PWM调制,输出信号是控制功率桥下桥端相应功率管的逻辑

信号,以控制施加在电机绕组两端的平均电压大小来控制电机转速。3脚控制电机正、反转,7脚控制电机启动和停止,14脚为报警输出端(低电平有效)。

　　3.驱动电路设计

该驱动电路采用三相六步全桥驱动,功率元件采用N沟道IGBT或MOSFET,驱动元件采用美国IR公司栅极驱动专用电路IR2103,其独有的HVIC(High-VoltageIntegratedCircuit)技术使得它可以用来驱动工作在母线电压高达600V的电路中的MOS器件。VCC(1脚)为芯片的工作电源,它为低压侧和逻辑固定电源,Bb(8脚)通过上面所设计的开关电源为高压侧提供悬浮电压,HIN(2脚)和LIN(3脚)分别为驱动上下桥臂的逻辑输入信号,HO(7脚)和LO(5脚)分别输出高压侧和低压侧

MOS器件的驱动信号,逻辑输入信号与CMOS电平兼容,输出栅极驱动电压的范围为10～20V,开关时间的典型值为Ton=680ns、Toff=150ns,死区时间的典型值为520ns,死区时间是用来防止由于MOS器件关断延时造成的直臂导通现象。图4为三相全桥驱动电路中的一相,其余两相的驱动电路与此相相同,图中的R6和R7为电流采样电阻,采样电压输入到MC33035的第9端,该端连接到芯片内部的一个电压比较器的正向输入端,该比较器的反向输入端为芯片内部提供的100mV标准电压,从而实现电机的限流保护。

　　4.结论

(1)由于300V的直流母线工作电压可以直接通过电网电压整流滤波得,所以基于MC33035与MC33039组成的300V无刷直流电机闭环控制系统具有电路简单,成本低,抗干扰能力强,可靠性高,稳定性好的优点,所以比较容易做到高压,高速。

(2)由于该控制系统拚弃IR2103高压悬浮端自举电路方案,采用由开关电源直接提供12V的悬浮电压,PWM可以从0—100%可调,使得系统更加可靠。

(3)该控制系统的直流母线工作电压高达300V,最大工作电流为5A,因此在PCB设计时应特别注意系统的电磁兼容性,功率地应尽可能短粗,功率地和信号地要单独走线最后在一点接地,大面积的铺地可以降低由于地线电阻引起的地电压,同时

起到一定的屏蔽作用。

(4)该驱动电路适用大功率无刷直流电机,只需更换成相应容量的功率管并加大功率管的散热面积即可。

参考文献

[1]MotorolaInc.MotorolaSemiconducterTechnicalDataforMC33035[M].MotorolaInc.Rev2,1992:91-93

[2]孙欢庆李桥梁MC33035在直流无刷电机控制中的应用[J].电机技术,2007,3:27-30

[3]吴保芳绝缘门极驱动电路的探讨[J].电气自动化,1997,19(4)

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