小功率低成本的无刷直流电动机控制器研制

合肥工业大学自动化研究所                 肖本贤
摘 要：针对电动助力车与压缩机电机的特点，对其驱动控制进行了研究，提出了一种高效低价的小型控制器的设计。主要介绍以专用控制芯片MCC33035、MC33039、IR2130为核心构成的永磁无刷直流电动机控制器结构，主要涉及核心控制电路的构成、功率开关元件的驱动以及必要的保护措施。
1 引言
永磁无刷直流电动机是近年随着电力电子器件及新型永磁材料发展而迅速成熟起来的一种新型机电一体化电机，既具有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等优 点，又具备直流电机那样固有的优越的起动性能和调速特性，而无机械式换向机构，现以广泛应用于各种调速驱动场合，其应用前景看好，尤其从当今的环保、能 源、效率等综合因素出发，水磁无刷直流电机可望在未来的电动车及冰箱或空调类永磁压缩机领域占有主导地位。
永磁无刷直流电动机控制器结构已有多种形式，有最初复杂的模拟式到近来以单片机为核心的数字式，但新型电机控制专用芯片的出现，给无刷直流电机调速装置设计 带来了极大的便利，这种集成模拟控制芯片控制功能强、保护功能完善、工作性能稳定，组成的系统所需外围电路简单、抗干扰能力强、特别适用于对控制器体积、 价格性能比要求较高的场合。
2 无刷直流电机的驱动控制电路
无刷直流电动机功率开关电路一般采用桥式或非桥式驱动，由于三相星形桥式驱动方式，其绕组利用率较高、力矩波动小，因而被大量采纳。图1 是其工作原理图，对压缩机类负载，其输入可采用220V／50HZ市电输入、二极管单相全桥整流、电容滤波后得到；而对电动车其直流电源一般均为蓄电池。 图中主回路功率器件选用POWER-MOSFET，驱动电路采用IR公司生产的六输出高压MOS栅极驱动器IR2130。

MC33035是MOTOROLA公司研制的第二代无刷直流电机控制专用集成电路，加上一片MC33039电子测速器将转子位置信号进行F／V转换，形成转速反馈信号，即可构成转速闭环调节系统。MC33035包括—个转子定位译码器可用于确定适当换向顺序，它监控着3 个霍尔效应开关传感器输入 (4、5、6脚)，以保证顶部和底部驱动输出的正确顺序；一个以向传感器供电能力为基准的温度补偿器；一个可以程序控制频率的锯齿波发生器；一个全通误差 放大器，能够促进闭环电机速度实现控制，若作为开环速度控制，则可将这误差放大器连成为单一增益电压跟随器；一个脉冲宽度调制比较器，3个集电极开路顶部 驱动输出(1，2，24脚)，以及三个适用于驱动功率MOSFET的理想的大电流推挽式底部驱动输出 (19，20，21脚)；MC33035还具有几种保护特性，欠压锁定，由可选时间延迟限制的循环电流锁定停车方式，内部过热停车，以及一个很容易与微处 理器相连的故障输出。这两种集成芯片可以方便地完成无刷直流电动机的正反转、运转起动以及动态制动、过流保护、三相驱动信号的产生、电动机转速的简易闭环 控制等。此外，MC33035还有一个60度／120度选择管脚，它可以确定转子定位译码器是60。或是120。传感器电相位输入。该控制器电路结构，如图2所示。

图2中，J1控制电机转向，J2控制起停，月选择速度开环或闭环运行，J4控制电机制动，J5选择转子位置检测信号为60度或120度方式，J6控制系统的复位。电位器用以设定所需电机转速，LED用作故障指示，当出现无效的传感器输入码、过流、欠压、芯片内部过热、使能端为低电平时，LED发光报警，同时自动封锁系统，只有故障排除后，经系统复位才能恢复正常工作。
该控制器工作过程为：从电机转子位置检测器PS送来的三相位置检测信号(SA、SB、SC)一方面送入MC33035，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，产生逆变器三相上、下桥臂开关器件的六路原始控制信号，其中，三相下桥开关信号 还要按无刷直流电机调速机理进行脉宽调制处理。处理后的三相下桥PWM控制信号(AB、BB、CB)及三相上桥控制信号(AT、BT、CT)经过驱动放大 后，施加到逆变器的六个开关管上，使其产生出供电机正常运行所需的三相方波交流电流。另一方面，转子位置检测信号还送入MC33039，经F／V转换，得 到一个频率与电机转速成正比的脉冲信号FOUT，其通过简单的阻容网络滤波后形成转速反馈信号，利用MC33035中的误差放大器即可构成一个简单的P调节器，实现电机转速的闭环控制。实际应用中，还可用外接各种PI、PID调节电路实现复杂的闭环调节控制。
3 IR2130驱动电路分析
按MC33035 的原有设计，其输出的下桥三路驱动信号可直接驱动N沟通功率MOSFET，上桥三路驱动信号可直接驱动P沟通功率MOSFET。现考虑到逆变桥上桥臂也采用三个N沟通MOSFET，这样，各相上桥臂的驱动信号都将有各自不同的地位；另一考虑就是在需要较大驱动信号及较大偏置电压下直接使用，而 MC33035上桥臂仅具有50mA吸入电流及最小30V击穿电压能力，在较高电压场合下，如AC220V经单相桥整流的给定电压就需转换。
IR2130 是美国IR公司生产的大功率MOSFET和IGBT专用驱动集成电路，驱动信号延时为阳级，开关频率在20kHz以上，其主要特点和性能为：集成度高，六路驱动，所需外围元件少；偏置电压最大600V，驱动电流200Ma/420mA，栅压范围10～20V，开关时间120ns/94ns(典型值)，死区 时间2．5μs(典 型值)；具有过流关断、欠压封锁功能；单电源工作，六路驱动仅用一个+15V～20V直流电压电源，IR2130内部应用自举技术来实现同一集成电路可同时输出两个驱动逆变桥中高压侧与低压侧的通道信号，它的内部为自学操作设计了悬浮电源；悬浮电源保证了IR2130直接可用于母线电压为—4～+500V的系统中来驱动功率MOSFET或IGBT，其中3个上半桥臂功率管驱动利用自举电容电压供电，3个下半桥臂功率管与芯片共用一个电源。IR2130外部电路，如图3所示。

图中，C1、C2、C3为逆变器上桥臂产生隔离电源的自举电容，其值的大小与功率开关的栅极驱动要求和功率开关的最大“开通”时间有关；R3—R6、RS为过流检测电阻，只要改变R4的大小，就可调节电流保护值的大小；R10—R15为栅极电阻，R7—R9 为上三臂的栅源电阻；其中引脚2、3、4为驱动逆变器中三个高压侧功率管的对应信号输入端，引脚5、6、7为驱动逆变器中三个低压侧功率管对应信号输入 端，分别接至MC33035对应输出端；而对应的六路驱动器输出端已连至相应高、低压侧的六个N沟道功率MOSFET；芯片中ITRP是过流保护的逻辑输入信号，该信号取自功率主电路中的电流检测器，它与一个0．5v的比较电平比较，再与欠压等信号相或，可以阻止信号发生器产生六个输出，同时送出一故障信 号FAULT给外部电路，该端提供一个过电流、直通或过电压、欠电压保护的指示信号，应用中，接指示用发光二极管或用户系统封锁端。
其工作原理为：从MC33035脉冲形成部分(或PWM波形发生器)来的三相六路输出脉冲信号，经内部三个输入信号处理器，按真值表处理之后，变为六路输出 脉冲，其对应的驱动三路低压侧功率管信号，经三路输出驱动器功率放大后，直接送往被驱动MOSFET的栅源极。而另外三路高压侧驱动信号H1、H2、H3 先经片内三个脉冲处理和电平移位器中的自举电路进行电位转换，变为三路电位悬浮的驱动脉冲，再经对应的三路输出锁存器锁存，并经严格的驱动脉冲欠电压与否 检验之后，送到输出驱动器进行功率放大，最后才加到高压侧的MOSFET的栅源极。一旦外电路发生过电流或直通、IR2130的工作电源欠电压、某路自举 电源工作电压不足、脉冲形成环节发生故障时，一则封锁驱动信号，另一方面，经FAULT端输出一故障信号。
附加上一个电路图（不用IR2130)：

4 结束语
文中介绍的利用专用集成芯片构成的无刷直流电机控制系统，具有集成度高、速度快及完善的保护功能等特点。尤其是采用单一电源驱动的具有六路输出功能的IR2130 集成快，大大简化了驱动电路结构，因而整个线路外围元件少、走线简单，可大大减小逆变器体积，提高可靠性，必将成为新一代变频器驱动电路。该电路己成功地 用于无刷直流电动机的控制装置中，实践证明：它是理想的无刷直流电机专用逆变调速器，具有成本低、结构简单、工作可靠的特点。