基于MC33035+MC33039的直流无刷电机速度闭环控制系统设计

应弋翔 何嘉冰 李沈崇 史亦飞 许宇翔

摘  要：文章详细介绍了Motorola公司的第二代直流无刷电机控制器专用芯片MC33035的基本原理，在分析了直流无刷电机的结构特点及应用现状后，设计了基于MC33035和MC33039及一些集成电路构成的小功率直流无刷电机的速度闭环控制系统，并进行了调试及试验，确认了其简单和优越的控制性能。在设计的过程中加入了电机的过温保护，使无刷电机在实际工作环境中无故障安全运行。

关键词：MC33035;MC33039;直流无刷电机;闭环控制

中图分类号：TM359.9 文献标识码：A 文章编号：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，我国中小型电机和特微电机行业迅速发展，其中直流无刷电机以其高效低噪等特点逐渐取代有刷电机，成为行业的一颗新星。但是有许多的直流无刷电动机不具有调速功能和故障保护功能。本文基于这个问题，设计出能对各种输入信号进行逻辑分析，为驱动电路提供各种控制信号;实现电机的调速，实现电路的短路、过载、欠电压等故障保护功能的直流无刷电机速度闭环控制系统。

直流无刷电机是由电子开关线路、永磁式同步电机以及位置传感器三部分组成的电机系统[1]。可以实现无级调速，具有体积小、重量轻、出力大、效率高、转矩特性优异的特点。

直流无刷电机由于其转速特性良好，动态响应时间特性优异的特点可应用于转速需要在某个范围内变化的场合，例如新能源汽车中的调速控制系统，家用电器当中的水泵等。直流无刷电机的应用能更好的提高电器的工作效率，提高产品的综合使用性能。

1 MC33035和MC33039的原理与电路设计

MC33035是Motorola公司第二代无刷直流电动机控制专用集成电路芯片，外接功率开关器件和电子测速器MC33039，可构成闭环调速控制系统来控制三相（全波或半波）、两相或四相直流无刷电机，具有电路连接简单、速度闭环控制性能良好等优点。

MC33039是Motorola公司配合MC33035专门设计的无刷电机闭环速度控制器，这是一个8脚的双列直插式集成电路块。MC33039对输入的霍尔传感器检测的转子位置信号进行相关的处理，产生与电机实际转速成正比的转速电压信号。MC33039的输出fout（引脚5）经控制电路中的低通滤波电路环节，引入MC33035的误差放大器的反相输入端，而转速信号经积分环节输入MC33035的误差放大器的同相输入端，从而构成系统的转速闭环控制。

1.1 MC33035和MC33039的功能说明

MC33035主要组成部分包括转子位置传感器译码器电路;带温度补偿的内部基准电源;频率可设定的锯齿波振荡器;误差放大器;脉宽调制（PWM）比较器;输出驱动电路;欠电压封锁保护、芯片过热保护等故障输出;限流电路。MC33035的典型控制功能包括PWM速度控制、使能控制（启动或停止）、正反转控制和能耗制动控制[2]。MC33035的电路设计如图1所示。

在MC33039与MC33035构成的电机速度控制系统中，MC33035需要一个和电机速度成正比的输入电压。本文设计的闭环控制回路通过MC33035的管脚8输出的电压给MC33039供电，使其产生需要的反馈电压。该输出电压不能作为整个电路回路中所有芯片的供电电压，虽然电压幅值达到要求，但由于该电压为芯片输出，在电流输出，功率传递上可能会存在不稳定的情况，影响电路运行。

MC33039的1、2、3脚接收霍尔效应传感器的转子位置信号。霍尔效应传感器接收到的信号每次进行正负极转换都会引起MC33039产生一个输出脉冲信号，这个脉冲信号通过外接的低通滤波电路平滑，接入到MC33035的误差信号放大器（引脚12），产生一个和电机速度成正比的直流电压。这个和电机速度成正比的电压对MC33035的PWM输入端（引脚13）进行设定，形成了反馈回路。（MC33039的引脚5、MC33035的引脚12、13，这三个引脚影响着电机的闭环控制，所以在闭环存在问题时，可以优先考虑这部分的电压变化是否符合逻辑关系）。

在直流无刷电机的速度控制回路中，通常使用PWM方式对电机的转速进行控制。在电機正反转控制回路中，通过翻转定子绕组电压来改变电机转向。采用电机内置的霍尔效应传感器检测转子的位置信号，接入到MC33035中。MC33035的三个传感器输入端（引脚4、5、6）接收到霍尔效应传感器位置信息后，对其进行译码，通过六个有效编码分辨出电机转子位置，使电机转动，对应的逻辑关系真值表见表1。

1.2 MC33035电路设计

搭建速度闭环反馈电路和模拟量调速电路，具体见图2和图3所示。

1.3 速度调节回路设计（图3）

1.4 过温保护回路设计

考虑到在环境温度较高的情况下，减少电机出现故障的可能性，设计了一个智能风扇调速控制器，通过温度传感器发出信号使风扇的转速加快从而实现智能降温，使电机工作环境温度下降;在环境温度下降后，传感器发出信号，带动风扇的扇叶转速减慢，从而实现温度控制的智能化。电路设计如图4所示。

2 实验环节

搭建基于MC33035和MC33039的实验平台，测试了不同转速下的电压信号。调节图3中的阻值10K的电位器实现直流无刷电机的速度调节，测量图2中的fout引脚电压和无刷电机的霍尔转速信号，绘制表2所示。输入电压TS1与输出电压fout及电机转速的关系见表2，由表2可知，输入电压与转速之间具有良好的线性关系，反馈信号fout与电位器信号的差值很小，即系统的稳态误差小。

3 结束语

基于MC33035和MC33039的直流无刷电机闭环控制系统具有电路简单，价格经济，可靠性强，输出稳定等优点，可实现直流无刷电机的正反转，无级调速与速度闭环控制。添加了故障保护功能，在环境温度过高的情况下，利用温度从传感器使风扇转速提高，以达到降温的作用，可适用于低功率、中等转矩的场合。

参考文献：

[1]张琛.直流无刷电动机原理及应用[M].机械工业出版社，1996.

[2]韦敏，季小尹.MC33035在直流无刷电机控制中的应用[J].电气应用，2004（11）：83-85.

[3]马宗毅，曾绍稳.基于STM32的无刷直流电机驱动器设计[J].科技创新与应用，2016（10）：28-29.