无刷直流电机控制器MC33035的原理及应用

摘要：MC33035是美国安森美公司开发的高性能第二代单元无刷直流电机控制器，它包含开环三相或四相电机控制所需的全部有效功能。该器件由具有良好整流序列的转子位置译码器、可提供传感器功率的温度补偿参考、频率可编程的锯齿波振荡器、完全可访问的误差放大器以及三个非常适用于驱动大功率MOSFET的大电流推挽底部驱动器组成，因而是一种功能齐全的电机控制器。文中介绍了MC33035的特点功能和工作原理，给出了由它组成的三相六步全波电机控制和H型电机有刷控制等两种电机控制电路。 关键词：无刷 直流电机 控制 MC33035 1 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 表1 MC33035的管脚功能定义定 表2 三相六步换向器真值表 MC33035的管脚排列如图1所示，各引脚功能定义见表1。 3 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。 图3 三相六步全波电机控制电路 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型，下部的功率开关三极管为N沟道功率MOSFET。由于每个器件均含有一个寄生箝位二极管，因而可以将定子电感能量返回的电源。其输出能驱动三角型连接或星型连接的定子，如果使用分离电源，也能驱动中线接地的Y型连接。 在任意给定的转子位置，图3所示的电路中都仅有一个顶部和底部功率开关（属于不同的图腾柱）有效。因此，通过合理配置可使定子绕组的两端从电源切换到地，并可使电流为双向或全波。由于前沿尖峰通常在电流波形中出现，并会导致限流错误。因此，可通过在电流检测输入处串联一个RC滤波器来抑制类峰。同时,Rs采用低感型电阻也有助于减小尖峰。 4.2 有刷电机控制电路 虽然MC33035是专为控制无刷直流电机而设计的，但它也可以用来控制直流有刷型电机。图4所示就是一个使用MC33035来控制直流有刷型电机的典型应用电路实例。 图4中，MC33035通过驱动一个H型电四桥可用最少的器件来控制一个有刷电机。该控制的关键在于：要将输入传感器编码为100，同时，在控制器正向/反向管脚为逻辑电平1时，还应产生一个顶部到左Q1和底部到右Q3的驱动信号，而当正向/反向管脚的逻辑电平为时，则应产生顶部到右Q4和底部到左Q2的驱动。该编码可以保证H型驱动同时满足方向和速度控制的要求。该控制器可在大约25kHz的脉宽调制频率下正常工作。电机速度的控制可通过调节误差放大器同相输入端的电压来输入。而电机电流的逐周限流则可由检测H型电桥电机电流并通过电阻Rs到地之间所产生的电压（100mV门限）来实现。 由于利用过流检测电路可改变电机转向，因此，在工作时，使用正常的正向/反向切换不需要在变向前完全停止。 图4 H型电机有刷型控制器电路 4.3 布线注意事项 在布线时，不要在绕接或插入式样机板上构建任何电机控制电路，采用高频印制电路布线对防止脉冲抖动极为重要。通常由于在电流检测传感器或误差信号放大器输入端有过量噪声。因此，印制电路布局应该具有一个小电流信号和高驱动输出缓冲地的接地面，并应通过分开的通路返回到电源输入滤波器电容上。在VCC、Vref和误差放大器同向输入端，是否需要在靠近集成电路的地方接一个瓷介电容（0.01μF），可视电路布局而定。但所有的大电流回路都应尽可能短，并应尽量使用粗铜线走线以降低EMI辐射。