無刷直流電機閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

1、 所需的三相方波電流。同時MC33039接收三相位置檢測信號,經(jīng)過F/V 轉(zhuǎn)換,得到一個頻率與電機轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號,經(jīng)過濾波電路后形成轉(zhuǎn)速反饋信號送給MC33035,這樣即可構(gòu)成無刷直流電機的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)1。其原理圖見圖1。2.1核心控制單元MC33035MC33035是美國MOTOROLA 公司研制的高性能無刷直流電機的專用控制器,它包含開環(huán)三相或四相電機控制所需的全部有效功能。MC33035內(nèi)含一個轉(zhuǎn)子位置譯碼器,以及可對傳感器溫度進行補償?shù)膮⒖茧娖?同時還具有一個頻率可編程的鋸齒波振蕩器、一個完全可訪問的誤差放大器、一個脈沖調(diào)制比較器、三個集電極開路的頂端驅(qū)動器和三個非常適用于驅(qū)

2、動大功率MOSFET 的大電流推挽式底部驅(qū)動器2,因而MC33035是一種功能齊全的電機控制器。下面結(jié)合電路原理圖分別介紹MC33035的各個引腳功能。1MC33035的第3腳是正向/反向輸入信號,當其邏輯狀態(tài)改變時,傳感器信號在譯碼器內(nèi)將原來的邏輯狀態(tài)改變成非,再經(jīng)譯碼后,得到反相序的換向輸出,使電機反向運轉(zhuǎn)。2第4,5,6腳接收電機的三相位置檢測信號,MC33035經(jīng)過內(nèi)部的芯片譯碼電路監(jiān)測這三個輸入信號,提供一個合適序無刷直流電機閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計馬健1、2黃文新11、南京航空航天大學(xué)2、天津航空機電有限公司1引言無刷直流電機既具有交流伺服電機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點,又具

3、備直流伺服電機那樣良好的調(diào)速特性,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種調(diào)速驅(qū)動場合。直流無刷電機在原理上可看成是一種采用電子功率開關(guān)換向的直流電機。這種電機的定子繞組與交流電機的定子繞組是類似的。轉(zhuǎn)子上安裝永磁勵磁磁極,通過電機內(nèi)部安裝的霍爾位置傳感器檢測其位置,并將其轉(zhuǎn)換成相位互差120°角的位置信號脈沖,根據(jù)位置信號通過電子功率開關(guān)對各相繞組交替通電,稱為電子換向,進而在電機內(nèi)部形成一個步進式的旋轉(zhuǎn)磁場,驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子同步運行。產(chǎn)生電子功率開關(guān)控制信號的途徑有多種,出現(xiàn)了多種無刷直流電機控制的專用芯片3。隨著專用控制芯片和功率MOSFET 的成本不斷降低,使得無刷直流電機的應(yīng)用更為廣泛和靈活。本文主

4、要介紹了由無刷直流電機的控制芯片MC33035、MC33039電子測速器和驅(qū)動模塊MPM3003組成的無刷直流電機的速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。2無刷直流電機的速度閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計由本文設(shè)計的無刷直流電機的速度閉環(huán)控制系統(tǒng),控制一臺三相四極電機。MC33035接收霍爾位置傳感器送來的三相位置檢測信號,經(jīng)芯片內(nèi)部譯碼電路并結(jié)合正反轉(zhuǎn)控制信號、啟?？刂菩盘?、制動信號,經(jīng)過運算后,產(chǎn)生6路控制信號送到6個功率開關(guān)器件,使其產(chǎn)生電機正常運行列的上橋和下橋的輸出信號。MC33035的輸入端4、5、6都設(shè)有上拉電阻,輸入電平與T T L 電平兼容,門檻電壓為2.2V 。MC33035適用于傳感器相位差為60

5、76;、120°、240°、300°四種情況的三相無刷電動機。由于3個輸入邏輯信號共有8種邏輯組合,其中6種正常狀態(tài)決定了電動機6個不同位置狀態(tài),其余2種組合對應(yīng)于位置傳感的不正常狀態(tài),即3個信號線開路或?qū)Φ囟搪窢顟B(tài),此時腳14將輸出故障信號(低電平。3MC33035的振蕩頻率由RT 和CT 來確定,本文選用P W M 頻率為24K H z ,R T 和C T 分別選擇5.1K 和0.01u ,接入MC33035的第8腳和第10腳。4設(shè)計利用MC33035芯片內(nèi)部的一個獨立運放構(gòu)成速度PI 調(diào)節(jié)器,實現(xiàn)速度閉環(huán)控制。速度輸入信號由MC33035的11腳輸入,輸入反

6、饋信號由MC33039得到,本文設(shè)計的放大器增益為10。5MC33035的第1,2,24腳是三個集電極開路的NPN晶體管,灌入電流能力為50mA,耐壓為40V,驅(qū)動上橋臂的功率管。引腳19,20,21是推挽輸出,電流驅(qū)動能力為100mA,直接驅(qū)動下橋臂功率管,底部驅(qū)動的電源來自引腳18,這種獨立于引腳17(VCC的電源設(shè)計為設(shè)計者在選擇驅(qū)動電壓時增加了靈活性。6引腳7是輸出使能端,高電平使電機運轉(zhuǎn),當腳7懸空時,內(nèi)部有電流源使驅(qū)動輸出電路正常工作。若引腳7接地,3個頂部驅(qū)動輸出開路(1狀態(tài),3個底部驅(qū)動輸出強制為低電平(0狀態(tài),使電動機失去激勵而停止,同時故障信號輸出為零。7引腳23是制動信號

7、。低電平時電機運轉(zhuǎn),高電平時電機進行制動操作,它使3個頂部驅(qū)動輸出開路,底部3個驅(qū)動輸出為高電平,外接逆變器底部3個功率開關(guān)導(dǎo)通,使電動機3個繞組端對地短接,實現(xiàn)能圖1閉環(huán)速度控制系統(tǒng)的原理圖 耗制動。2.2電子測速器MC33039MC33039是專門為控制無刷直流電機設(shè)計的速度閉環(huán)調(diào)控器。不需要專門的磁性或光學(xué)測速器就可實現(xiàn)精確的速度調(diào)控,在無刷直流電機的閉環(huán)速度控制系統(tǒng)中很多是和MC33035配合使用的。MC33039的1、2、3腳接受位置傳感器三個信號,經(jīng)F/V變換成正比于電機轉(zhuǎn)速的電壓信號,并將該信號反饋給控制器MC33035,即可形成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。3樣機實驗本實驗中,電機中用3個霍爾

8、集成電路作轉(zhuǎn)子位置傳感器。用MC33035的腳8參考電壓作為電源(6.24V?；魻柤呻娐返妮敵鲂盘査偷組C33039和MC33035.實驗中采用的電機為三相四極的,所以電機每轉(zhuǎn)一圈,MC33039的引腳5應(yīng)輸出的脈沖數(shù)是3X4=12個脈沖。按照電機最高轉(zhuǎn)速為5000r/min,相當于83r/s,這樣每秒輸出脈沖數(shù)為83X12=996個脈沖,即頻率約為1000Hz,因此定時元件選用R 為1M,C 為750pF。本實驗中速度給定是采用電位器給定的方式,它是速度環(huán)的一個組成部分。電位器可在0-10K 之間調(diào)節(jié),對應(yīng)輸出的模擬電壓幅值在0-6.25V 之間。該實驗中在引腳8和11之間加一個電位器是為

9、了控制速度的大小,兩管腳之間的電阻越小,速度圖2越快。實驗中,先給定一個速度,得到MC33035下橋臂的驅(qū)動信號,然后調(diào)節(jié)電位器使阻值減小,這時可觀察到如圖2中的下部波形。由圖可見,當速度減小時,M C 33035下橋臂的驅(qū)動信號輸出脈沖變窄,以使MOSFET 的導(dǎo)通時間減少,這樣,電機繞組的平均電壓將降低,電機的轉(zhuǎn)速下降。4結(jié)論通過實驗證明,本文所設(shè)計的基于MC33035的無刷直流電機控制系統(tǒng)具有電路簡單,易于調(diào)試,價格經(jīng)濟,抗干擾性強,可靠性高,穩(wěn)定性好等優(yōu)點。可滿足無刷直流電機一般應(yīng)用場合的驅(qū)動要求。物仍有一部分以網(wǎng)狀形式出現(xiàn)。因此,終軋溫度在800左右時為宜。2.2珠光體片層間距影響因

10、素分析熱模擬試驗中以不同冷卻速度冷卻時得到的試驗鋼珠光體SEM 形貌如圖2所示。由圖可見:當冷卻速度小于15/s 時,隨著冷卻速度的增加,珠光體片層變薄。主要原因是:隨著冷卻速度的增加,奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的溫度逐漸降低,轉(zhuǎn)變時的過冷度不斷增大,相變的速度非?？?碳原子不能進行長程擴散,因而導(dǎo)致了珠光體片層變薄;當冷卻速度等于15/s 時,珠光體片層變得肥厚松散,有些文獻稱之為類珠光體組織,它是由奧氏體片和M23C6碳化物片組成的一種片層相間的組織5。工業(yè)試驗鋼的珠光體SEM 形貌如圖3所示。由圖可以看出:a 和b 試驗鋼的珠光體片較細小,c 和d試驗鋼的珠光體片較粗大。其原因為:在較高溫度下終

11、軋或者在較高溫度下吐絲,將有利于發(fā)生更大程度的動態(tài)回復(fù)與動態(tài)再結(jié)晶或者靜態(tài)回復(fù)與靜態(tài)再結(jié)晶,使奧氏體的畸變程度減小,即奧氏體向滲碳體/珠光體的相變驅(qū)動力減小,由奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變在較低的溫度下發(fā)生,從而使珠光體片層間距減小6,7。同時由圖2可知,對珠光體片層間距影響最大的是冷卻速度,因此珠光體片層間距應(yīng)主要由冷卻速度控制,同時為了減少網(wǎng)狀碳化物的析出,吐絲溫度應(yīng)控制在750左右。2.3工藝優(yōu)化及組織性能檢測根據(jù)熱模擬試驗冷卻速度與組織關(guān)系的分析結(jié)果以及工業(yè)試驗終軋溫度和吐絲溫度對組織的影響規(guī)律可知:800左右終軋+750左右吐絲+合適的冷卻速度可以得到網(wǎng)狀碳化物少的細片狀珠光體組織。因此結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備的實際能力,在寶鋼特圖3試驗鋼在不同吐絲溫度下的SEM 顯微組織表3試驗鋼組織性能檢驗結(jié)果鋼分公司進行了控軋控冷工藝試驗,軋制規(guī)格為12mm 的盤條。并對優(yōu)化工藝的試驗鋼進行顯微組織及力學(xué)性能檢測,結(jié)果如表3所示。由表3可見,在優(yōu)化控軋控冷工藝條件下生產(chǎn)的產(chǎn)品的組織及力學(xué)性能均滿足GB/T182542002