交流伺服电机驱动控制器单元电路的设计分析

总第145期 交流伺服电机驱动控制器单元电路的设计分析 高菊玲 （江苏农林职业技术学院机电系） 摘 要：介绍了以专用控制芯片M C33035为核心构成交流伺服电机驱动控制器的设计过程和特 点，并详细介绍了该系统控制电路、保护电路、驱动电路的工作原理和电路设计及元器件选择情况。 关键词：交流伺服；驱动；控制器 Abstract：ThispaperinvestigatesthedesignoftheAC servomotor-drivencontrollerwhichismadeofspe- cial-purposecontrolchipMC33035includingtheconstructionofmaincontrolcircuits,thedrivingofpower semiconductor.Thissystem actuation electric currentisbig,can the pro and con revolution,open stops freely.And thissystem hasthecharacteristicwhich arethestructuresimply,theperformancefine,thead- justmentconvenient,thepowersourcesolesimpleand soon,comparesin thepriceand thesameperfor- manceexchangeandthedirectcurrentmachinealsowantstobecheapmore.Thispaperdetailsthesystem controlcircuitprotectioncircuit,drivingcircuitandtheworkingprincipleofcircuitdesignsituation. Key word:AC Servo；drive；controller 近年来，随着人类生活水平不断提高，环境保护 越来越引起人们重视，加上能源日趋紧张，没有污染 的绿色环保型交流伺服电机驱动的各种电动车或电 动驱动机械，已被人们越来越广泛地应用，在农业机 械设计中也大量应用交流伺服电机驱动。如今，一个 驱动电源就可驱动三相6个开关管，从而大大简化 了外围电路尤其是驱动电路的设计，驱动控制器电 路的设计过程如下。 1 控制电路 1.1 电路图 控制电路的电路图如图1所示。 1.2 工作原理 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MC33035，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）控制信号用于完成电机的换向控制，三相下 桥臂（低端）控制信号为PW M 脉冲，通过脉宽调制实 现调速功能。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，增加系统稳定性。 图1 控制电路 MC33035交流伺服电机控制器正向/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，使电机改变旋转方向。 电机通/断控制可由输出使能来控制，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 Agricultural Equipment &Technology 农业装备技术第34卷第3期 2008年6月 Vol.34№.3 Jun. 2008 57 总第145期 动输出将关闭，并将底部驱动强制为低，从而使电动 机停转。 1.3 控制芯片的选择 直流电机集成控制芯片选择MC33035，MC33035 是ONSemiconductor（安森美半导体）公司的高性能 第二代单片无刷直流电动机控制器，包含实现一个 全性能三相或四相电动机开环控制系统所需的全部 功能。MC33035设计用于传感器电气相位为 60° /300°或120°/240°的无刷直流电动机运行，也可 有效地控制有刷直流电动机，工作电压为10～30V， 它有2种封装方式：SOIC-24（MC33035DW），PDIP-24 （MC33035P）。该集成电路的典型控制功能包括 PWM开环速度控制，使能控制（起动或停止），正反转 控制和能耗制动控制，适当加上一些外围元件，可实现 软起动。MC33035的管脚连接图如图2所示。 图2 MC33035管脚连接图 2 保护电路 2.1 电路图 保护电路的电路图如图3所示。 2.2 工作原理 当LM358的3脚接通36V电源时，经内部电 压比较器比较，在1脚输出高电平使二极管D10截 止，这样MC33035的7脚悬空，MC33035内部有上 拉的电流源使该端内部悬高，输出驱动电路正常工 作。当LM358的3脚断开电源时，经内部电压比较 器比较，在1脚输出低电平，使二极管D10导通， MC33035的7脚相当于接地，3个高端驱动输出被 切断，3个低端驱动输出强制为低电平状态，此时电 动机因失去激励而停车。这样如果电源发生故障时， 通过此保护电路系统就可以控制电动机的启停，从 而起到保护芯片的作用。 同时因为LM358为双运算放大器，其5脚的输 入电压由电机集成控制芯片MC33035的8脚输出 的基准电压提供，只要芯片正常工作，其7脚始终输 出高电平，二极管D9也一直处于截止状态，使电机 驱动电路正常工作。一旦芯片的8脚输出电压出现 故障，则D9导通，电机停车，保护芯片。 图3 保护电路 2.3 元器件的选择 运算放大器选用LM358，LM358内部包括2个 独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适 合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双 电源工作模式，在推荐工作条件下，电源电流与电源 电压无关。LM358的封装形式有塑封8引线双列直 插式和贴片式，其引脚图如图4所示。 图4 LM358管脚连接图 3 驱动电路 3.1 电路图 驱动电路图如图5所示。 3.2 工作原理 驱动电路由功率半导体驱动专用芯片IR2103、 功率开关器件IRF2807、晶体管8050、8550等组成。 可靠支持15A的驱动电流和最大35VDC的驱动电 压，即系统能够可靠驱动功率小于450W的直流电 机。由于设计驱动的为三相电机，因此需三片 农业装备技术AET 2008.3 58 总第145期 IR2103来驱动电机的每一相，又由于电机所需的驱 动电流较大，因此需两片IR2807并联来满足电机电 流需求。 由控制电路输出的控制信号经过IR2103处理 后，产生的输出信号用来驱动功率开关器件，使之导 通或截止，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆 向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能 使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到霍尔传 感器感应出另一组信号的位置时，通过控制电路输 出的信号，经处理后又再开启下一组功率晶体管，如 此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制系 统决定要电机转子停止则关闭功率晶体管 (或只开 下臂功率晶体管)；要电机转子反向则功率晶体管开 启顺序相反。 由8055与8050组成的互补功率放大电路，是 用来输出连续的驱动信号。 此驱动电路中的D1起保护作用，用来保护芯片 IR2103不会产生的负电压而受到损坏，同时也起到 隔离Vcc、VB两脚电位的作用。C1起到了滤波去耦 的作用。 图5 驱动电路 3.3 元器件的选择 功率半导体驱动专用集成芯片选用 IR2103， IR2103是高压高速功率MOSFET和IGBT驱动器， 有独立的高边和低边输出通道，逻辑输入与 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 CMOS或LSTTL输出兼容。输出驱动器是一个高脉冲 电流缓冲级，用于最小驱动器交叉导通。用浮动通道 驱动一个N沟功率MOSFET或IGBT，在高边结构中 工作电压可达600V。IR2103的引脚图如图6所示。 本设计选用的功率开关器件是由美国TransferA- gentandRegsitrar公司所生产的PowerMOSFET，型号 为IRF2807。其耐电压值为75V，耐电流值为82A（室 温25℃），其中续流二极管分别寄生在这些功率场效应 管里，用来作续流用，完全符合实验系统的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 。 图6 IR2103管脚连接图 4 结 语 本文大体上完成了对电机驱动控制器的整体设 计，以MC33035芯片为核心，其控制功能强，工作稳 定，抗干扰能力强，当然弊端也很多，个别电路芯片 的保护措施不太完善，希望将来能够得到圆满的解 决。随着节电环境意识的不断增强，此款电机将赢得 更为广阔的发展空间和获得广泛的应用，这款驱动 器必将具有更为广阔的价值和发展空间。同时，随着 电子技术、控制技术的发展，位置检测可以通过芯片 配合适当的算法来实现。采用DSP实现无位置传感 器控制成为研究的重点，低成本DSP无位置传感器 交流伺服电机，将成为交流伺服电动机的发展方向。 参考文献： [1]庞青山.论大学学科组织及其特色[J].高等理科教育， 2005，63（5）：1-3. [2]谭建成.电机控制专用集成电路[M].北京：机械工业出版 社，1997，21-62. [3]张琛.直流无刷电动机原理及应用[M].北京：机械工业出 版社，1996，1-123. [4]陈隆昌.控制电机[M].西安：西安电子科技大学出版社， 2005，58-62. [5]何希才.电动机控制电路应用实例[M].北京：中国电力出 版社，2005，70-73. [6]黄继昌.电子元器应用手册[M].北京：人民邮电出版社， 2004，1-500. [7]方大千.实用电源及其保护电路[M].北京：人民邮电出版 社，2003，122-125. [8]沈精虎.电路设计与制版-Protel99高级应用[M].北京：人 民邮电出版社，2002，1-600. 高菊玲：交流伺服电机驱动控制器单元电路的设计分析 AET2008.3 59