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控制器的設(shè)計，著重介紹了其硬件的組成和實現(xiàn)。 關(guān)鍵詞： 無刷直流電機; ECN3067; 控制 1 前言 　　無刷直流電機以其結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、工作效率高、調(diào)速性能好等優(yōu)點，已成為近來電機發(fā)展的熱點。由于取消了電刷，可實現(xiàn)無火花工作，大大提高了電機運行的壽命及安全性。電子換向替代機械換向，在消除電機摩擦損耗的同時也改變了電機的結(jié)構(gòu)，減少了電機各方面的電損耗，使電機更加節(jié)能。在實際的應(yīng)用場合中，低壓無刷電機已經(jīng)比較成熟，但高壓無刷電機的應(yīng)用還比較少。本設(shè)計是高壓無刷電機的一個應(yīng)用實例，并且已經(jīng)在實驗中獲得了成功。 2 電機控制電路 　　無刷電機用電子換向器替代機械換向器，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，共需六個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)計驅(qū)動電路將相當(dāng)復(fù)雜，同時也不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在本應(yīng)用中采用日立公司的ECN3067代替六個IGBT，再使用已經(jīng)廣泛應(yīng)用在低壓無刷電機驅(qū)動的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機控制專用高壓驅(qū)動芯片，適用于由AC200～230V整流供電的三相無刷直流電機,其內(nèi)部框圖見圖1。該IC最大的特點是內(nèi)部集成了6個IGBT，電機供電電源直接接入IC驅(qū)動電機，只需用5V-COMS或LSTTL電平就可以通過ECN3067控制電機相應(yīng)相位的開啟與閉合。 　　ECN3067有6個輸入終端：三個上橋臂輸入（UT、VT、WT）和三個下橋臂輸入（UB、VB、WB），分別控制上橋臂和下橋臂的6個IGBT。當(dāng)輸入低電平時相應(yīng)的IGBT開啟，高電平時則關(guān)閉。結(jié)合由電機霍爾元件得到的電機的位置信號，當(dāng)這六個輸入終端按一定時序輸入高低電平時就可以驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。另外，將控制IGBT開的低電平信號改為PWM，就可以通過PWM的占空比控制IGBT的導(dǎo)通時間，從而控制電機的轉(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。但對于上橋臂，IGBT的射極電位升至Vs，所以IGBT的門極驅(qū)動電壓應(yīng)高于Vs的電壓。為了實現(xiàn)這一驅(qū)動最簡單的辦法是在IGBT的射極與門極接一可控制的不接地電源，當(dāng)要開通IGBT時將不接地電源加在射極與門極上，當(dāng)要關(guān)閉IGBT時則把不接地電源斷開。這種設(shè)計雖然簡單，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，Vcc通過Db對電容Cb充電，以得到高于Vs的電壓。 　　另外，ECN3067還具有過流保護功能。保護電流的大小可通過改變Rs的電阻值實現(xiàn)。ECN3067內(nèi)部設(shè)有一邏輯保護電路，當(dāng)RS端的輸入電壓超過一定值時（標(biāo)準(zhǔn)為0.5V），保護電路就關(guān)閉上下臂的六個IGBT。由圖1可知，流經(jīng)電機的電流都從電阻Rs流過，過電流保護電路設(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)用的無刷直流電機控制器，一般都用于對低壓無刷電機的控制，不可以直接通過電子開關(guān)驅(qū)動工作在AC200～230V整流供電的無刷直流電機，但通過高壓驅(qū)動芯片ECN3067則可以做到這一點。在低壓無刷電機的控制上，MC33035具有相當(dāng)好的性能。最特出的特點是它可以直接對霍爾傳感器檢測出的位置信號進行譯碼，并且系統(tǒng)組成的外圍電路也非常簡單。在驅(qū)動低壓無刷電機的場合，較常用的做法是霍爾傳感器檢測出的位置信號輸入到MC33035進行譯碼，由MC33035的上臂和下臂的驅(qū)動輸出腳直接驅(qū)動電子開關(guān)來控制無刷電機相應(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的驅(qū)動）MC33035顯得無能為力，但利用MC33035對位置信號譯碼后得到的控制信號控制ECN3067來驅(qū)動無刷直流電機則可以得到相當(dāng)好的控制效果。 　　實際上ECN3067也可以直接選用帶有PWM功能的單片機進行控制，但是在三相六步無刷電機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)錯誤的同時開通。這一意外情況下電流不通過電機，電壓完全加在兩個開通的電子開關(guān)上，芯片就會因短路而燒毀。由于單片機在出現(xiàn)干擾的時候有可能會出現(xiàn)程序跑飛的情況，此時會有可能造成同一相位上臂和下臂的電子開關(guān)錯誤的同時開通。由于MC33035內(nèi)部的邏輯電路具有糾錯功能，可以防止上臂和下臂同時給出開通信號，因此使用MC33035對ECN3067給出控制信號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，輸出高電平時電子開關(guān)開通，低電平時關(guān)閉。而對于ECN3067上下橋臂的輸入，均為低電平時觸發(fā)相應(yīng)的IGBT開通，高電平時關(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，需有一個邏輯“非”。 　　另一方面，ECN3067具有過流保護、欠壓保護和糾錯功能，下列幾種情況： 　　1） 電機電流超出額定值 　　2） 芯片供電電壓不足 　　3） 輸入信號同時開通同一相的上下臂 　　4） 電荷泵電容欠壓 　　ECN3067會關(guān)閉所有的IGBT。所以在啟動電機或出現(xiàn)以上故障后要重新啟動電機時，必須先給ECN3067一個啟動動作，使上下橋臂六個輸入端均輸入高電平，并持續(xù)超過所要求的啟動時間后才可以啟動電機運轉(zhuǎn)。考慮到MC33035沒有這一啟動動作（上下橋臂六個輸出腳同時輸出高電平），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）然后通過單片機控制兩個邏輯門啟動電機：當(dāng)PA.1輸出“1”，PA.0輸入“0”時，ECN3067六個輸入端同時為“1”，滿足啟動要求，再經(jīng)過一啟動延時后，PA.1輸出“0”，PA.0輸出“1”，啟動動作結(jié)束。另外，MC33035的設(shè)計是使上下橋臂輸出可以直接驅(qū)動電子開關(guān)的，因此下橋臂輸出為“1”時對地電壓較高，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 電機轉(zhuǎn)速控制 　　MC33035是通過改變下橋臂驅(qū)動輸出腳輸出的PWM的占空比對電機進行調(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的單片機控制電機的轉(zhuǎn)速。另外考慮到電機轉(zhuǎn)速響應(yīng)較慢，也可以采用帶PWM的單片機，經(jīng)阻容濾波得到模擬信號。出于低成本的考慮，本設(shè)計采用的是HOLTEK的46R47，它帶有PWM及A/D，滿足控制要求。 4 應(yīng)用 　　本設(shè)計的控制的電機用于中央空調(diào)的出風(fēng)口。對電機的控制要求使出風(fēng)量穩(wěn)定，風(fēng)速可調(diào)，且不隨電網(wǎng)電壓波動而變化。市電電網(wǎng)電壓一般會有一定的波動范圍，若給定值不變，電壓的變化會改變電機的轉(zhuǎn)速，因而改變了出風(fēng)量。所以通過檢測電網(wǎng)電壓來修正對電機的給定值，以達到風(fēng)量的恒定。 5 結(jié)語 　　用MC33035控制高壓驅(qū)動芯片實現(xiàn)對高壓無刷電機的控制，經(jīng)實驗證明不僅安全可靠，穩(wěn)定性好，而且控制方便，并具有一定的推廣應(yīng)用價值。 參考文獻 　　[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