摘要： 介紹了以高壓單片集成芯片ECN3067為核心的無刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)，著重介紹了其硬件的組成和實(shí)現(xiàn)。 關(guān)鍵詞： 無刷直流電機(jī); ECN3067; 控制 1 前言 　　無刷直流電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、工作效率高、調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)，已成為近來電機(jī)發(fā)展的熱點(diǎn)。由于取消了電刷，可實(shí)現(xiàn)無火花工作，大大提高了電機(jī)運(yùn)行的壽命及安全性。電子換向替代機(jī)械換向，在消除電機(jī)摩擦損耗的同時(shí)也改變了電機(jī)的結(jié)構(gòu)，減少了電機(jī)各方面的電損耗，使電機(jī)更加節(jié)能。在實(shí)際的應(yīng)用場合中，低壓無刷電機(jī)已經(jīng)比較成熟，但高壓無刷電機(jī)的應(yīng)用還比較少。本設(shè)計(jì)是高壓無刷電機(jī)的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例，并且已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中獲得了成功。 2 電機(jī)控制電路 　　無刷電機(jī)用電子換向器替代機(jī)械換向器，在比較多的應(yīng)用場合中使用功率MOS-FET或IGBT作為電子開關(guān)。在本應(yīng)用中電機(jī)通過市電直接整流供電，直流電壓在300V以上，控制三相六步無刷電機(jī)，共需六個(gè)IGBT。電子開關(guān)數(shù)量多，電壓高，在這種情況下采用分立元件設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路將相當(dāng)復(fù)雜，同時(shí)也不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在本應(yīng)用中采用日立公司的ECN3067代替六個(gè)IGBT，再使用已經(jīng)廣泛應(yīng)用在低壓無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的MC33035來控制ECN3067。 　　2.1 ECN3067的工作原理 　　ECN3067是日立公司生產(chǎn)的一種新型無刷直流電動(dòng)機(jī)控制專用高壓驅(qū)動(dòng)芯片，適用于由AC200～230V整流供電的三相無刷直流電機(jī),其內(nèi)部框圖見圖1。該IC最大的特點(diǎn)是內(nèi)部集成了6個(gè)IGBT，電機(jī)供電電源直接接入IC驅(qū)動(dòng)電機(jī)，只需用5V-COMS或LSTTL電平就可以通過ECN3067控制電機(jī)相應(yīng)相位的開啟與閉合。 　　ECN3067有6個(gè)輸入終端：三個(gè)上橋臂輸入（UT、VT、WT）和三個(gè)下橋臂輸入（UB、VB、WB），分別控制上橋臂和下橋臂的6個(gè)IGBT。當(dāng)輸入低電平時(shí)相應(yīng)的IGBT開啟，高電平時(shí)則關(guān)閉。結(jié)合由電機(jī)霍爾元件得到的電機(jī)的位置信號(hào)，當(dāng)這六個(gè)輸入終端按一定時(shí)序輸入高低電平時(shí)就可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。另外，將控制IGBT開的低電平信號(hào)改為PWM，就可以通過PWM的占空比控制IGBT的導(dǎo)通時(shí)間，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 　　ECN3067的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1。由圖1可知每相有兩個(gè)內(nèi)置的圖騰柱結(jié)構(gòu)的IGBT。為了使IGBT開通，門電壓應(yīng)高于閥值電壓（約5V）。對(duì)于下橋臂，IGBT的射極固定為地電位，因此，IGBT的門極可以由電源電壓Vcc驅(qū)動(dòng)。但對(duì)于上橋臂，IGBT的射極電位升至Vs，所以IGBT的門極驅(qū)動(dòng)電壓應(yīng)高于Vs的電壓。為了實(shí)現(xiàn)這一驅(qū)動(dòng)最簡單的辦法是在IGBT的射極與門極接一可控制的不接地電源，當(dāng)要開通IGBT時(shí)將不接地電源加在射極與門極上，當(dāng)要關(guān)閉IGBT時(shí)則把不接地電源斷開。這種設(shè)計(jì)雖然簡單，卻增加了成本。另外一種方法可以通過一自舉電容實(shí)現(xiàn)。具體電路如圖1，在IGBT的射極與門極的輸入之間接入電容Cb，當(dāng)下橋臂的IGBT開通時(shí)，Vcc通過Db對(duì)電容Cb充電，以得到高于Vs的電壓。 　　另外，ECN3067還具有過流保護(hù)功能。保護(hù)電流的大小可通過改變Rs的電阻值實(shí)現(xiàn)。ECN3067內(nèi)部設(shè)有一邏輯保護(hù)電路，當(dāng)RS端的輸入電壓超過一定值時(shí)（標(biāo)準(zhǔn)為0.5V），保護(hù)電路就關(guān)閉上下臂的六個(gè)IGBT。由圖1可知，流經(jīng)電機(jī)的電流都從電阻Rs流過，過電流保護(hù)電路設(shè)定電流值（Io）可由以下方程決定： 　　Io=Vref / Rs （Vref為RS端的過電流保護(hù)值，標(biāo)準(zhǔn)為0.5V） [align=center] 圖1 ECN3067的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　2.2用MC33035控制ECN3067 　　MC33035是一種已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的無刷直流電機(jī)控制器，一般都用于對(duì)低壓無刷電機(jī)的控制，不可以直接通過電子開關(guān)驅(qū)動(dòng)工作在AC200～230V整流供電的無刷直流電機(jī)，但通過高壓驅(qū)動(dòng)芯片ECN3067則可以做到這一點(diǎn)。在低壓無刷電機(jī)的控制上，MC33035具有相當(dāng)好的性能。最特出的特點(diǎn)是它可以直接對(duì)霍爾傳感器檢測出的位置信號(hào)進(jìn)行譯碼，并且系統(tǒng)組成的外圍電路也非常簡單。在驅(qū)動(dòng)低壓無刷電機(jī)的場合，較常用的做法是霍爾傳感器檢測出的位置信號(hào)輸入到MC33035進(jìn)行譯碼，由MC33035的上臂和下臂的驅(qū)動(dòng)輸出腳直接驅(qū)動(dòng)電子開關(guān)來控制無刷電機(jī)相應(yīng)相位的開通和關(guān)閉。在高壓的場合（AC200～230V整流供電的無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)）MC33035顯得無能為力，但利用MC33035對(duì)位置信號(hào)譯碼后得到的控制信號(hào)控制ECN3067來驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)則可以得到相當(dāng)好的控制效果。 　　實(shí)際上ECN3067也可以直接選用帶有PWM功能的單片機(jī)進(jìn)行控制，但是在三相六步無刷電機(jī)的控制中存在的最大的隱患就是：在意外情況下同一相位的上臂和下臂的電子開關(guān)錯(cuò)誤的同時(shí)開通。這一意外情況下電流不通過電機(jī)，電壓完全加在兩個(gè)開通的電子開關(guān)上，芯片就會(huì)因短路而燒毀。由于單片機(jī)在出現(xiàn)干擾的時(shí)候有可能會(huì)出現(xiàn)程序跑飛的情況，此時(shí)會(huì)有可能造成同一相位上臂和下臂的電子開關(guān)錯(cuò)誤的同時(shí)開通。由于MC33035內(nèi)部的邏輯電路具有糾錯(cuò)功能，可以防止上臂和下臂同時(shí)給出開通信號(hào)，因此使用MC33035對(duì)ECN3067給出控制信號(hào)可以防止這一故障的發(fā)生。 　　2.3 MC33035與ECN3067的連接 　　出于降低外圍電路成本的考慮，MC33035上橋臂輸出低電平使電子開關(guān)打開，高電平則關(guān)閉，下橋臂則相反，輸出高電平時(shí)電子開關(guān)開通，低電平時(shí)關(guān)閉。而對(duì)于ECN3067上下橋臂的輸入，均為低電平時(shí)觸發(fā)相應(yīng)的IGBT開通，高電平時(shí)關(guān)閉IGBT。因此MC33035下橋臂的輸出與ECN3067下橋臂所要求的輸入規(guī)則正好相反，需有一個(gè)邏輯“非”。 　　另一方面，ECN3067具有過流保護(hù)、欠壓保護(hù)和糾錯(cuò)功能，下列幾種情況： 　　1） 電機(jī)電流超出額定值 　　2） 芯片供電電壓不足 　　3） 輸入信號(hào)同時(shí)開通同一相的上下臂 　　4） 電荷泵電容欠壓 　　ECN3067會(huì)關(guān)閉所有的IGBT。所以在啟動(dòng)電機(jī)或出現(xiàn)以上故障后要重新啟動(dòng)電機(jī)時(shí)，必須先給ECN3067一個(gè)啟動(dòng)動(dòng)作，使上下橋臂六個(gè)輸入端均輸入高電平，并持續(xù)超過所要求的啟動(dòng)時(shí)間后才可以啟動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。考慮到MC33035沒有這一啟動(dòng)動(dòng)作（上下橋臂六個(gè)輸出腳同時(shí)輸出高電平），且MC33035下橋臂輸出需取“反”。根據(jù)邏輯關(guān)系，MC33035與ECN3067的連接，上橋臂加一邏輯“或”，下橋臂則加一邏輯“與非”。（見圖2）然后通過單片機(jī)控制兩個(gè)邏輯門啟動(dòng)電機(jī)：當(dāng)PA.1輸出“1”，PA.0輸入“0”時(shí)，ECN3067六個(gè)輸入端同時(shí)為“1”，滿足啟動(dòng)要求，再經(jīng)過一啟動(dòng)延時(shí)后，PA.1輸出“0”，PA.0輸出“1”，啟動(dòng)動(dòng)作結(jié)束。另外，MC33035的設(shè)計(jì)是使上下橋臂輸出可以直接驅(qū)動(dòng)電子開關(guān)的，因此下橋臂輸出為“1”時(shí)對(duì)地電壓較高，需通過電阻分壓才可以得到5V輸出電平（見圖2）。由于上下橋臂內(nèi)部電路不同，上橋臂輸出只需外加上拉電阻至5V電源即可。 [align=center] 圖2 MC33035與ECN3067的連接電路[/align] 3 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制 　　MC33035是通過改變下橋臂驅(qū)動(dòng)輸出腳輸出的PWM的占空比對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。改變MC33035第11腳的輸入電壓可改變PWM的占空比。因此可選用帶D/A的單片機(jī)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。另外考慮到電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)較慢，也可以采用帶PWM的單片機(jī)，經(jīng)阻容濾波得到模擬信號(hào)。出于低成本的考慮，本設(shè)計(jì)采用的是HOLTEK的46R47，它帶有PWM及A/D，滿足控制要求。 4 應(yīng)用 　　本設(shè)計(jì)的控制的電機(jī)用于中央空調(diào)的出風(fēng)口。對(duì)電機(jī)的控制要求使出風(fēng)量穩(wěn)定，風(fēng)速可調(diào)，且不隨電網(wǎng)電壓波動(dòng)而變化。市電電網(wǎng)電壓一般會(huì)有一定的波動(dòng)范圍，若給定值不變，電壓的變化會(huì)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因而改變了出風(fēng)量。所以通過檢測電網(wǎng)電壓來修正對(duì)電機(jī)的給定值，以達(dá)到風(fēng)量的恒定。 5 結(jié)語 　　用MC33035控制高壓驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓無刷電機(jī)的控制，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明不僅安全可靠，穩(wěn)定性好，而且控制方便，并具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。 參考文獻(xiàn) 　　[1] Hitachi ECN3067 application note, http://www.hitachi.com.jp/pse 　　[2] Hitachi ECN3067 data sheet, http://www.hitachi.com.jp/pse 　　[3] Motor MC33035 data sheet, http://onsemi.com