基于MC33035+MC33039的直流無刷電機速度閉環控制系統設計

應弋翔 何嘉冰 李沈崇 史亦飛 許宇翔

摘? 要：文章詳細介紹了Motorola公司的第二代直流無刷電機控制器專用芯片MC33035的基本原理，在分析了直流無刷電機的結構特點及應用現狀后，設計了基于MC33035和MC33039及一些集成電路構成的小功率直流無刷電機的速度閉環控制系統，并進行了調試及試驗，確認了其簡單和優越的控制性能。在設計的過程中加入了電機的過溫保護，使無刷電機在實際工作環境中無故障安全運行。

關鍵詞：MC33035;MC33039;直流無刷電機;閉環控制

中圖分類號：TM359.9 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2945（2019）24-0049-04

Abstract： In this paper， the basic principle of MC33035， a special chip for the second generation brushless DC motor controller made by Motorola Company， is introduced in detail. After analyzing the structure characteristics and application status of the brushless DC motor， the speed closed loop control system of low power brushless DC motor based on MC33035， MC33039 and some integrated circuits is designed， debugged and tested， and its simple and superior control performance is confirmed. In the process of design， the overtemperature protection of the motor is added， so as to make the brushless motor operate safely without fault in the actual working environment.

Keywords： MC33035; MC33039; brushless DC motor; closed-loop control

引言

近年來，我國中小型電機和特微電機行業迅速發展，其中直流無刷電機以其高效低噪等特點逐漸取代有刷電機，成為行業的一顆新星。但是有許多的直流無刷電動機不具有調速功能和故障保護功能。本文基于這個問題，設計出能對各種輸入信號進行邏輯分析，為驅動電路提供各種控制信號;實現電機的調速，實現電路的短路、過載、欠電壓等故障保護功能的直流無刷電機速度閉環控制系統。

直流無刷電機是由電子開關線路、永磁式同步電機以及位置傳感器三部分組成的電機系統[1]。可以實現無級調速，具有體積小、重量輕、出力大、效率高、轉矩特性優異的特點。

直流無刷電機由于其轉速特性良好，動態響應時間特性優異的特點可應用于轉速需要在某個范圍內變化的場合，例如新能源汽車中的調速控制系統，家用電器當中的水泵等。直流無刷電機的應用能更好的提高電器的工作效率，提高產品的綜合使用性能。

1 MC33035和MC33039的原理與電路設計

MC33035是Motorola公司第二代無刷直流電動機控制專用集成電路芯片，外接功率開關器件和電子測速器MC33039，可構成閉環調速控制系統來控制三相（全波或半波）、兩相或四相直流無刷電機，具有電路連接簡單、速度閉環控制性能良好等優點。

MC33039是Motorola公司配合MC33035專門設計的無刷電機閉環速度控制器，這是一個8腳的雙列直插式集成電路塊。MC33039對輸入的霍爾傳感器檢測的轉子位置信號進行相關的處理，產生與電機實際轉速成正比的轉速電壓信號。MC33039的輸出fout（引腳5）經控制電路中的低通濾波電路環節，引入MC33035的誤差放大器的反相輸入端，而轉速信號經積分環節輸入MC33035的誤差放大器的同相輸入端，從而構成系統的轉速閉環控制。

1.1 MC33035和MC33039的功能說明

MC33035主要組成部分包括轉子位置傳感器譯碼器電路;帶溫度補償的內部基準電源;頻率可設定的鋸齒波振蕩器;誤差放大器;脈寬調制（PWM）比較器;輸出驅動電路;欠電壓封鎖保護、芯片過熱保護等故障輸出;限流電路。MC33035的典型控制功能包括PWM速度控制、使能控制（啟動或停止）、正反轉控制和能耗制動控制[2]。MC33035的電路設計如圖1所示。

在MC33039與MC33035構成的電機速度控制系統中，MC33035需要一個和電機速度成正比的輸入電壓。本文設計的閉環控制回路通過MC33035的管腳8輸出的電壓給MC33039供電，使其產生需要的反饋電壓。該輸出電壓不能作為整個電路回路中所有芯片的供電電壓，雖然電壓幅值達到要求，但由于該電壓為芯片輸出，在電流輸出，功率傳遞上可能會存在不穩定的情況，影響電路運行。

MC33039的1、2、3腳接收霍爾效應傳感器的轉子位置信號。霍爾效應傳感器接收到的信號每次進行正負極轉換都會引起MC33039產生一個輸出脈沖信號，這個脈沖信號通過外接的低通濾波電路平滑，接入到MC33035的誤差信號放大器（引腳12），產生一個和電機速度成正比的直流電壓。這個和電機速度成正比的電壓對MC33035的PWM輸入端（引腳13）進行設定，形成了反饋回路。（MC33039的引腳5、MC33035的引腳12、13，這三個引腳影響著電機的閉環控制，所以在閉環存在問題時，可以優先考慮這部分的電壓變化是否符合邏輯關系）。

在直流無刷電機的速度控制回路中，通常使用PWM方式對電機的轉速進行控制。在電機正反轉控制回路中，通過翻轉定子繞組電壓來改變電機轉向。采用電機內置的霍爾效應傳感器檢測轉子的位置信號，接入到MC33035中。MC33035的三個傳感器輸入端（引腳4、5、6）接收到霍爾效應傳感器位置信息后，對其進行譯碼，通過六個有效編碼分辨出電機轉子位置，使電機轉動，對應的邏輯關系真值表見表1。

1.2 MC33035電路設計

搭建速度閉環反饋電路和模擬量調速電路，具體見圖2和圖3所示。

1.3 速度調節回路設計（圖3）

1.4 過溫保護回路設計

考慮到在環境溫度較高的情況下，減少電機出現故障的可能性，設計了一個智能風扇調速控制器，通過溫度傳感器發出信號使風扇的轉速加快從而實現智能降溫，使電機工作環境溫度下降;在環境溫度下降后，傳感器發出信號，帶動風扇的扇葉轉速減慢，從而實現溫度控制的智能化。電路設計如圖4所示。

2 實驗環節

搭建基于MC33035和MC33039的實驗平臺，測試了不同轉速下的電壓信號。調節圖3中的阻值10K的電位器實現直流無刷電機的速度調節，測量圖2中的fout引腳電壓和無刷電機的霍爾轉速信號，繪制表2所示。輸入電壓TS1與輸出電壓fout及電機轉速的關系見表2，由表2可知，輸入電壓與轉速之間具有良好的線性關系，反饋信號fout與電位器信號的差值很小，即系統的穩態誤差小。

3 結束語

基于MC33035和MC33039的直流無刷電機閉環控制系統具有電路簡單，價格經濟，可靠性強，輸出穩定等優點，可實現直流無刷電機的正反轉，無級調速與速度閉環控制。添加了故障保護功能，在環境溫度過高的情況下，利用溫度從傳感器使風扇轉速提高，以達到降溫的作用，可適用于低功率、中等轉矩的場合。

參考文獻：

[1]張琛.直流無刷電動機原理及應用[M].機械工業出版社，1996.

[2]韋敏，季小尹.MC33035在直流無刷電機控制中的應用[J].電氣應用，2004（11）：83-85.

[3]馬宗毅，曾紹穩.基于STM32的無刷直流電機驅動器設計[J].科技創新與應用，2016（10）：28-29.