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采用ECN3067实现对无刷直流电机的控制 |
| 摘要： 介绍了以高压单片集成芯片ECN3067为核心的无刷直流电机控制器的设计，着重介绍了其硬件的组成和实现。 关键词： 无刷直流电机; ECN3067; 控制 1 前言 无刷直流电机以其结构简单、运行可靠、工作效率高、调速性能好等优点，已成为近来电机发展的热点。由于取消了电刷，可实现无火花工作，大大提高了电机运行的寿命及安全性。电子换向替代机械换向，在消除电机摩擦损耗的同时也改变了电机的结构，减少了电机各方面的电损耗，使电机更加节能。在实际的应用场合中，低压无刷电机已经比较成熟，但高压无刷电机的应用还比较少。本设计是高压无刷电机的一个应用实例，并且已经在实验中获得了成功。 2 电机控制电路 无刷电机用电子换向器替代机械换向器，在比较多的应用场合中使用功率MOS-FET或IGBT作为电子开关。在本应用中电机通过市电直接整流供电，直流电压在300V以上，控制三相六步无刷电机，共需六个IGBT。电子开关数量多，电压高，在这种情况下采用分立元件设计驱动电路将相当复杂，同时也不利于系统的稳定性。在本应用中采用日立公司的ECN3067代替六个IGBT，再使用已经广泛应用在低压无刷电机驱动的MC33035来控制ECN3067。 2.1 ECN3067的工作原理 ECN3067是日立公司生产的一种新型无刷直流电动机控制专用高压驱动芯片，适用于由AC200～230V整流供电的三相无刷直流电机,其内部框图见图1。该IC最大的特点是内部集成了6个IGBT，电机供电电源直接接入IC驱动电机，只需用5V-COMS或LSTTL电平就可以通过ECN3067控制电机相应相位的开启与闭合。 ECN3067有6个输入终端：三个上桥臂输入（UT、VT、WT）和三个下桥臂输入（UB、VB、WB），分别控制上桥臂和下桥臂的6个IGBT。当输入低电平时相应的IGBT开启，高电平时则关闭。结合由电机霍尔元件得到的电机的位置信号，当这六个输入终端按一定时序输入高低电平时就可以驱动电机运转。另外，将控制IGBT开的低电平信号改为PWM，就可以通过PWM的占空比控制IGBT的导通时间，从而控制电机的转速。 ECN3067的内部结构见图1。由图1可知每相有两个内置的图腾柱结构的IGBT。为了使IGBT开通，门电压应高于阀值电压（约5V）。对于下桥臂，IGBT的射极固定为地电位，因此，IGBT的门极可以由电源电压Vcc驱动。但对于上桥臂，IGBT的射极电位升至Vs，所以IGBT的门极驱动电压应高于Vs的电压。为了实现这一驱动最简单的办法是在IGBT的射极与门极接一可控制的不接地电源，当要开通IGBT时将不接地电源加在射极与门极上，当要关闭IGBT时则把不接地电源断开。这种设计虽然简单，却增加了成本。另外一种方法可以通过一自举电容实现。具体电路如图1，在IGBT的射极与门极的输入之间接入电容Cb，当下桥臂的IGBT开通时，Vcc通过Db对电容Cb充电，以得到高于Vs的电压。 另外，ECN3067还具有过流保护功能。保护电流的大小可通过改变Rs的电阻值实现。ECN3067内部设有一逻辑保护电路，当RS端的输入电压超过一定值时（标准为0.5V），保护电路就关闭上下臂的六个IGBT。由图1可知，流经电机的电流都从电阻Rs流过，过电流保护电路设定电流值（Io）可由以下方程决定： Io=Vref / Rs （Vref为RS端的过电流保护值，标准为0.5V）  图1 ECN3067的内部结构图 2.2用MC33035控制ECN3067 MC33035是一种已经得到广泛应用的无刷直流电机控制器，一般都用于对低压无刷电机的控制，不可以直接通过电子开关驱动工作在AC200～230V整流供电的无刷直流电机，但通过高压驱动芯片ECN3067则可以做到这一点。在低压无刷电机的控制上，MC33035具有相当好的性能。最特出的特点是它可以直接对霍尔传感器检测出的位置信号进行译码，并且系统组成的外围电路也非常简单。在驱动低压无刷电机的场合，较常用的做法是霍尔传感器检测出的位置信号输入到MC33035进行译码，由MC33035的上臂和下臂的驱动输出脚直接驱动电子开关来控制无刷电机相应相位的开通和关闭。在高压的场合（AC200～230V整流供电的无刷直流电机的驱动）MC33035显得无能为力，但利用MC33035对位置信号译码后得到的控制信号控制ECN3067来驱动无刷直流电机则可以得到相当好的控制效果。 实际上ECN3067也可以直接选用带有PWM功能的单片机进行控制，但是在三相六步无刷电机的控制中存在的最大的隐患就是：在意外情况下同一相位的上臂和下臂的电子开关错误的同时开通。这一意外情况下电流不通过电机，电压完全加在两个开通的电子开关上，芯片就会因短路而烧毁。由于单片机在出现干扰的时候有可能会出现程序跑飞的情况，此时会有可能造成同一相位上臂和下臂的电子开关错误的同时开通。由于MC33035内部的逻辑电路具有纠错功能，可以防止上臂和下臂同时给出开通信号，因此使用MC33035对ECN3067给出控制信号可以防止这一故障的发生。 2.3 MC33035与ECN3067的连接 出于降低外围电路成本的考虑，MC33035上桥臂输出低电平使电子开关打开，高电平则关闭，下桥臂则相反，输出高电平时电子开关开通，低电平时关闭。而对于ECN3067上下桥臂的输入，均为低电平时触发相应的IGBT开通，高电平时关闭IGBT。因此MC33035下桥臂的输出与ECN3067下桥臂所要求的输入规则正好相反，需有一个逻辑“非”。 另一方面，ECN3067具有过流保护、欠压保护和纠错功能，下列几种情况： 1） 电机电流超出额定值 2） 芯片供电电压不足 3） 输入信号同时开通同一相的上下臂 4） 电荷泵电容欠压 ECN3067会关闭所有的IGBT。所以在启动电机或出现以上故障后要重新启动电机时，必须先给ECN3067一个启动动作，使上下桥臂六个输入端均输入高电平，并持续超过所要求的启动时间后才可以启动电机运转。考虑到MC33035没有这一启动动作（上下桥臂六个输出脚同时输出高电平），且MC33035下桥臂输出需取“反”。根据逻辑关系，MC33035与ECN3067的连接，上桥臂加一逻辑“或”，下桥臂则加一逻辑“与非”。（见图2）然后通过单片机控制两个逻辑门启动电机：当PA.1输出“1”，PA.0输入“0”时，ECN3067六个输入端同时为“1”，满足启动要求，再经过一启动延时后，PA.1输出“0”，PA.0输出“1”，启动动作结束。另外，MC33035的设计是使上下桥臂输出可以直接驱动电子开关的，因此下桥臂输出为“1”时对地电压较高，需通过电阻分压才可以得到5V输出电平（见图2）。由于上下桥臂内部电路不同，上桥臂输出只需外加上拉电阻至5V电源即可。  图2 MC33035与ECN3067的连接电路 3 电机转速控制 MC33035是通过改变下桥臂驱动输出脚输出的PWM的占空比对电机进行调速。改变MC33035第11脚的输入电压可改变PWM的占空比。因此可选用带D/A的单片机控制电机的转速。另外考虑到电机转速响应较慢，也可以采用带PWM的单片机，经阻容滤波得到模拟信号。出于低成本的考虑，本设计采用的是HOLTEK的46R47，它带有PWM及A/D，满足控制要求。 4 应用 本设计的控制的电机用于中央空调的出风口。对电机的控制要求使出风量稳定，风速可调，且不随电网电压波动而变化。市电电网电压一般会有一定的波动范围，若给定值不变，电压的变化会改变电机的转速，因而改变了出风量。所以通过检测电网电压来修正对电机的给定值，以达到风量的恒定。 5 结语 用MC33035控制高压驱动芯片实现对高压无刷电机的控制，经实验证明不仅安全可靠，稳定性好，而且控制方便，并具有一定的推广应用价值。 |