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图4.6 霍尔元件原理图 图4.7 霍尔元件元件图
4.2,2 霍尔传感器反馈
在本控制器中，在转子位置信号的位置反馈上选用霍尔集成电路传感器，霍尔集成电路传感器分为两大种，开关性霍尔传感器和线性性霍尔传感器。根据控制器的需要，我们选用开关性霍尔传感器，在开关性霍尔传感器中，又细分为“锁存性”开关霍尔传感器和“开关性”开关传感器，其动作特性分别见图5.6，图5.7。
图4.8 “锁存性”开关霍尔元件动作特性 图4.9 “开关型”开关霍尔元件动作特性
“开关型”开关霍尔元件释放点是S极消失的时候，“开关型”没有锁存功能，也就是说，当S极由远到近接近霍尔元件时，霍尔元件附近的场强(B)越来越大，当B高于Bop时，“开关型”的OC门输出开始导通。当S极远离霍尔元件时，霍尔元件附近的磁感应强度(B)越来越小，当B低于释放值Brp时，OC门开始由导通变为截止。在“锁存型”霍尔元件中，它的导通动作和“开关型”的导通动作是一样的，但它的截至动作是不一样，当S极到来霍尔元件导通后，在S极离开以后，霍尔元件的导通并不改变，而是继续保持，就相当于把开关状态锁存起来。据其两特性，本系统选择“开关型”开关霍尔元件。
4.2.3 霍尔传感器在电机中的应用与安装
如图5.10所示，在电机定子的适当位置放置三个霍尔传感器件，每个按60°/120°的角度间隔放置，要在垂直转轴的同一平面上，其位置传感器转子放在该平面的转子上，霍尔传感器件的输出与相应的定子绕组的供电电路相连（此处为芯片MC33039的三个位置信号输入端）。当转子经过霍尔器件附近时，永磁转子的磁场令已通电的霍尔器件输出一个电压使定子绕组供电电路相通，给相应的定子绕组供电，产生和转子磁场相同的磁场，
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推斥转子继续转动。到下一位置，前一位置的霍尔器件停止工作，下位的霍尔器件导通，使下一绕组通电，转子继续转动。如此循环，维持电机的工作。
在这里霍尔器件起传感器的作用，检测转子的磁极位置，它的输出使定子绕组供电电路通断，又起开关作用。另外，利用霍尔效应的表达式：Uh=KhIB,当被测圆盘装上N只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化N次。每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电逝通过放大，整形和记数电路（MC33039）就可以测量被测物体的转速。
根据多极电机中霍尔元件传感器空间位置按照电角度来放置的原则，本系统（8极）三个霍尔元件传感器隔120°电角度放置，如4极电机空间相隔的角度为60°的机械角度。
图4.10 霍尔传感器的安装
4.3 功率器件IR2103
此驱动电路采用三相六步全桥驱动, 功率元件采用N沟道MOSFET , 而驱动元件采用美国IR公司栅极驱动专用电路IR2103, 其独有的HVIC（High- Voltage Integrated Circuit）技术使得它可以用来驱动工作在母线电压高达600 V的电路中的器件。如5.11图所示,VCC(1脚)为芯片的工作电源, 它为低压侧和逻辑固定电源,VB（8脚）通过上面所设计的开关电源为高压侧提供悬浮电压,HIN（2脚）和LIN（3脚）分别为驱动上下桥臂的逻辑输入信号,HO（7脚）和LO（5脚）分别输出高压侧和低压侧MOS器件的驱动信号, 逻辑输入信号与CMOS电平兼容, 输出栅极驱动电压的范围为10～20V , 开关时间的典型值为Ton=680ns, Toff=150ns, 死区时间的典型值为520ns, 死区时间是用来防止由于器件关断延时造成的直臂导通现象。
图5.12中的功率驱动电路为本系统三相全桥驱动电路中的一相, 其余两相的驱动电路与此相相同。
图4.11 IR2103的引脚图
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图4.12 IR2103的功率功率驱动电路
(1)MOSFET具有工作频率高(几十千赫至几百千赫，低压管可达兆赫)，开关损耗很小，安全工作区宽，几乎不存在二次击穿问题，漏极电流为负温度特性(易并联)，输入阻抗大，是电压控制自关断的器件，但由于其导通电阻与U2.5成正比，随着电压的增加，开关管上的压降会成2.5次方上升，损耗的功率就会非常大，这就限制了MOSFET管在高频大功率中的应用。
(2)IGBT具有MOS和双极型器件的突出优点，可以实现高压、大电流的应用，一般情况下其最大工作频率为20kHz左右，价格较贵。
(3)IPM是在IGBT的基础上加上保护信号，因此称为智能功率模块，价格最贵。 由于本系统设定的额定电压个额定转速都不高，从成本角度出发，选用MOSFET中的IRF3205低阻场效应管作为逆变器件
4.4 无刷直流电机闭环速控系统设计
4.4.1 系统原理
MC33035和MC33039这两种集成芯片也可以方便地完成无刷直流电动机的正反转、运转起动以及动态制动、过流保护、三相驱动信号的产生、电动机转速的简易闭环控制等。利用专用集成芯片构成的无刷直流电机控制系统，具有集成度高、速度快及完善的保护功能等特点。驱动电路结构简单，因而整个线路外围元件少、走线简单，可大大减小逆变器体积。
该闭环速度控制系统用三个霍尔集成电路作为转子位置传感器。用MC33035的8脚参考电压（6.24V）作为它们的电源，霍尔集成电路输出信号送至MC33035和MC33039。系统控制结构框图如图5.13所示，MC33039的输出经低通滤波器平滑，引入MC33035的误差放大器的反相输入端，而转速给定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。
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图4.13系统控制原理图
4.4.2 控制电路设计
采用上述专用控制芯片设计的无刷电机控制系统的硬件电路如图5.13所示。（其最高转速设置为3000r/min，即50r/s）
图4.13 无刷电机控制系统电路原理图 电路说明：
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电容：C1=C2=C3=C5=C7=0.1μF,C4=750Pf,C6=10MF,C8=0.01μF
电阻：R1=R4=1MΩ, R2=5.1kΩ, R5=10kΩ, R3=100kΩ, R6=R13=1kΩ, R7=400Ω,
R8=R9=20Ω, R10=100Ω, R11=33Ω, R12=0.05Ω/1W,
4.4.2 系统信号驱动原理
该系统的无刷直流电机内置有3个霍尔效应传感器用来检测转子位置,一旦决定电机的换相,并可以根据该信号来计算电机的转速。传感器的输出端直接接MC33035的4、5、6管脚。当电机正常运行时,通过霍尔传感器可得到3个脉宽为180度电角度的互相重叠的信号,这样就得到6个强制换相点,MC33035对3个霍尔信号进行译码,使得电机正确换相。 从电机转子位置检测器送来的三相位置检测信号（SA、SB、SC）一方面送入MC33035，经芯片内部译码电路结合正反转控制端、起停控制端、制动控制端、电流检测端等控制逻辑信号状态，经过运算后，产生逆变器三相上、下桥臂开关器件的六路原始控制信号，其中，三相下桥开关信号还要按无刷直流电机调速机理进行脉宽调制处理。处理后的三相下桥PWM控制信号（AB、BB、CB）及三相上桥控制信号（AT、BT、CT）经过驱动放大后，施加到逆变器的六个开关管上，使其产生出供电机正常运行所需的三相方波交流电流。另一方面，转子位置检测信号还送入MC33039，经F/V转换，得到一个频率与电机转速成正比的脉冲信号FOUT，其通过简单的阻容网络滤波后形成转速反馈信号，利用MC33035中的误差放大器即可构成一个简单的P调节器，实现电机转速的闭环控制。
MC33039由MC33035的6.25V参考电平(引脚8)供电。而被MC33035用作转子位置译码的霍尔传感器的输出信号，也同样可以被MC33039使用。在任何一个传感器上，每一个霍尔传感器信号的正或负的跳变，都可以使MC33039产生一个有一定幅度和持续时间脉冲，其参数由外部电阻R5和电容C2确定。MC33039的引脚5的输出脉冲串波被MC33035的误差放大器 (预置为积分器)积分，便可以产生一个直流电平，该电平与电机转速成正比。这种与速度成正比的电压可在MC33035电机控制器的引脚13处建立一个PWM参考电平，并将其闭合成反馈环路。MC33035的输出用于驱动功率管。
3个功率管的下桥三路驱动信号可直接驱动N沟通功率MOSFET的IRF3205(下侧功率MOSFET由高电平驱动)，上桥三路驱动信号可直接驱动P沟通功率MOSFET的IRF3205。MC33035的1、2、24脚的信号经过IR2103放大，19、20、21脚的信号经过IRF3205得到的信号驱动无刷直流电动机转动。U、V、W分别与无刷直流电动机三相绕组成星形接法。每次各有一个上侧功率MOSFET和一个下侧功率MOSFET导通且受MC33035的控制。正常工作时，上下两个导MOSFET应不在同一桥臂上。
4.4.2 以MC33035为核心的控制单元
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
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