無傳感器的直流無刷電機控制器ML4435及其應(yīng)用

1、無傳感器的直流無刷電機控制器ML4435及其應(yīng)用摘 要：ML4435脈寬調(diào)制式電動機控制器，為起動和控制接或Y接繞組的直流無刷（LBDC）電機速度（無霍爾效應(yīng)傳感器）提供了所有必要的功能。從電機繞組傳感的反電勢電壓，經(jīng)鎖相環(huán)可確定恰當?shù)膿Q向相位時序。 關(guān)鍵詞：三相直流無刷電機；無傳感器；反電勢取樣器 ML4435是2001年3月最新推出的電機控制器專用IC，屬于無傳感器型、直流無刷（BLDC）電動機控制系統(tǒng)，它比ML4425/ML4426有新的改進和簡化，外部引腳從28個減少到了20個，同樣集成了所有必要的自動檢測和控制功能。圖1是ML4435的外形引腳圖，圖2是它的內(nèi)部功能方框。1 ML44

2、35的主要特性及性能 ML4435的主要特性如下： 專有的反電勢傳感換向技術(shù)，以實現(xiàn)無霍爾效應(yīng)傳感器的電機通信； PWM逐個脈沖式電流限制，可保護電機和MOSFET驅(qū)動器； 可單臺工作；軟起動功能可限制起動電流； 脈寬調(diào)制PWM速度控制可提高效率，并盡量減小MOSFET尺寸； 機載欠壓閉鎖和斷電檢測； 電機的轉(zhuǎn)速輸出傳感換向。 ML4435為三相直流無刷電機無傳感器型速度控制提供了所有的電路?？刂乒δ馨ǎ浩饎与娐贰⒎措妱輷Q向控制、脈寬調(diào)制PWM速度控制、逐個脈沖式電流限制、電機的慣性跟蹤、欠壓保護。 電機的起動是通過電機換向來完成的，它在低頻下產(chǎn)生低速運動。低速運動用以產(chǎn)生一個反電勢信號。反

3、電勢取樣電路自動跟蹤電機的位置，并由一個鎖相環(huán)（PLL）控制換向時間。換向控制電路還輸出一個速度反饋信號，用于速度控制環(huán)。速度控制環(huán)由誤差放大器和PWM比較器組成，它產(chǎn)生一個PWM占空比作速度調(diào)節(jié)控制。 電機的電流受限于逐個脈沖式PWM關(guān)閉比較器，它由外部電流傳感電阻器兩端的電壓來關(guān)閉。換向控制、PWM速度控制和電流限制綜合產(chǎn)生輸出驅(qū)動器信號。六路輸出驅(qū)動器用于提供柵極信號給外部三相橋功率級，以適應(yīng)LBDC直流無刷電機的電壓和電流的要求。 附加的功能包括：電機的慣性跟蹤功能與欠壓閉鎖輸出電路，一旦加到ML4435的電壓VCC過低時，可關(guān)閉輸出驅(qū)動器。ML4435的各引腳功能見表1，主要電氣參數(shù)

4、見表2。 2ML4435功能詳解2. 1 ML4435的外部元件選擇外部元件的選擇需要根據(jù)電動機的電氣參數(shù)和機械參數(shù)進行計算，下面列出計算所需的電機參數(shù) ： 最大直流電機電源電壓VMOTOR（V） ； 最大工作電流Imax（A） ； 測量引線間的繞組電阻R1-1()； 磁極的數(shù)目N； 反電勢常數(shù)Ke(Vs/rad)； 電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)K(Nm/A） ； K=Ke(SI單 位)； 最大轉(zhuǎn)速nmax（r/min） ； 電機和其負載的轉(zhuǎn)動慣量J（kgm2） ； 電機和其負載的粘滯阻尼因數(shù) 。 若上述數(shù)值有幾個不知道，仍能通過實驗來確定元件的最佳值。下述公式和元件選擇圖可作優(yōu)化應(yīng)用的起點?？蛇x用最靠近近

5、似計算結(jié)果的標準值元件。2. 2電源和芯片電壓基準 10腳電源電壓VCC=（1210）V，推薦在VCC腳與地之間接一0. 1F的旁路電容器，并盡量靠近VCC端接地。在ML4435內(nèi)部產(chǎn)生6V基準電壓，它出現(xiàn)在RT腳，在該腳對地接一只電阻可設(shè)定PWM頻率?？捎秒娢黄魅〈撾娮鑱碓O(shè)置速度指令（詳見2 .16）。注意：若要在6腳加外部電路，則要用一輸入阻抗至少1M的運算放大器作該腳的緩沖器 。2. 3輸出驅(qū)動器 輸 出 驅(qū) 動 器LA、LB、LC和HA、HB、HC為 三 相 橋 功率級提供圖騰柱式輸出驅(qū)動信號。ML4435的全部控制功能都從這6個腳輸出。其中LA、LB、LC分別為三相功率極的A、B、

6、C提供低邊驅(qū)動信號，其有效高電平信號為12V。而HA、 HB、 HC分別為三相功率級的A、B、C相提供高邊驅(qū)動信號，其有效低電平信號為12V。2.4 三相橋式功率級的電流限制 圖3中電流傳感電阻RSENSE安設(shè)在三相功率級，可調(diào)節(jié)功率級和直流無刷電機的最大電流。如RSENSE二端電壓超過19腳SOFTSTART設(shè)置的電流限制門限電平，則電流調(diào)節(jié)是在PWM周期的剩余段關(guān)斷輸出驅(qū)動器LA、LB、LC來實現(xiàn)的。RSENSE最大功耗見圖4。 2.5 軟起動 SOFTSTART（19腳）上電壓設(shè)定電流限制門限電平。ML4435有一個11V電源電壓的內(nèi)部分壓器，見圖5。分壓器由兩只225k電阻組成，它把電

7、流限制門限電平設(shè)定在055V左右?？捎猛獠糠謮浩骰蛲獠炕鶞蕘砣〈鶶OFTSTART的設(shè)置，其電流大于內(nèi)部分壓器10倍?？稍谠撃_對地接一只電容器，作功率上升時電流限制的軟斜升?？捎脠D6選擇斜升時間。 2.6 RSENSE RSENSE提供與電機電流成比例的電壓，作電流限制。RSENSE端的失效閉鎖電壓是0.6V，它由SOFTSTART（19腳）設(shè)定。電流傳感電阻應(yīng)是低電感的，例如碳膜電阻。用線繞m級的電阻，應(yīng)盡力降低電感。其額定功率正比于功耗Imax2RSENSE。2.7 ISENSE濾波器 ISENSE輸入端（1腳）需要接一個RC低通濾波器，以消除電流傳感信號前沿的尖峰電壓，它由二極管反向恢復(fù)

8、時的穿透電流引起。若無該濾波器會出現(xiàn)電流限制的虛假觸發(fā)。此電路推薦的標準值R=1k，C=1000pF，可濾除窄于1s的尖峰干擾。電容值不宜超過3300pF。濾波前后的波形見圖7。 2.8 逐個脈沖式電流限制 當ISENSE腳電壓超過SOFTSTART腳電壓時，電流限制電路被激活，它在PWM周期的剩余階段關(guān)閉驅(qū)動器LA、LB和LC。2.9 換向控制 一臺三相直流無刷電機需要電子換向，以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動。電子換向要求開通和關(guān)斷三相半橋式功率開關(guān)。為了讓轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)單一方向，由轉(zhuǎn)子的位置給出換向指令。要實現(xiàn)ML4435的電子換向，是通過適當時序來開通和關(guān)斷一相低輸出L和另一相高輸出H?？偣泊嬖诹NL和H輸出

9、組合（即六種開關(guān)狀態(tài)），如表3標出的狀態(tài)A狀態(tài)F，它們構(gòu)成一個完整的換向循環(huán)周期。這一開關(guān)時序被編程在圖8所示的換向狀態(tài)機中，該換向狀態(tài)機的時鐘是由VCO的輸出提供。 2. 10壓控振蕩器 VCO在TACH（2腳）輸出一TTL兼容的時鐘脈表示驅(qū)動器導(dǎo)通沖，它正比于SPEED FB（ 18腳）輸入電壓。頻率與電壓或與VCO常數(shù)KV的比例，由圖9中的RVCO（4腳）地電阻和CVCO（20腳）接地電器來設(shè)定。 RVCO設(shè)定的電流正比于VCO輸入電壓SPEEDFB減去0.7V。該電流用于門限電壓在23.75V之間對CVCO充電和放電，見圖9。RVCO限制在0.2V較低電壓。這導(dǎo)致CVCO的三角波形對應(yīng)

10、于TACH腳時鐘，也見圖9。當VCO的輸入等于或稍小于6V時，KV被設(shè)定在VCO輸出頻率對應(yīng)于最大換向頻率fmax，即對應(yīng)于最大電機速度。CVCO和RVCO可由首次計算的fmax值來選擇： fmax=0.05nmaxN2.11 TACH TACH（2腳）輸出VCO頻率，它6倍于換向頻率。當電機在最低轉(zhuǎn)速時（即SPEEDFB低于097V），TACH輸出還表示因TTL停留在高電平而使電機處于低轉(zhuǎn)速。2.12 反電勢取樣器電路 輸入到VCO的SPEEDFB（18腳）受反電勢取樣器控制。反電勢傳感腳FBA、FBB、FBC輸入到反電勢取樣器，需要來自電機各相引線的信號，該信號低于ML4435的VCC值。

11、相位傳感的輸入阻抗是8.7k。如果電機電壓大于ML4435的VCC值，則需要串接電阻RFB到電機各相引線，見圖10。RFB可從圖11曲線選擇或利用下式算出： RFB=8.7k(VMOTOR/121) 反電勢取樣器把電機各相電壓分壓為低于VCC=12V（正常值）的信號電壓，并由下述方程式計算電機的中性點電壓： VNEUTRAL=(VFBAVFBBVFBC)/3。 這就允許ML4435能比較反電勢信號與電機中性點，而不需要從Y接繞組的電機中引出一信號線。對接繞組的電機，因不存在物理中點，故必須計算該基準參考點。 反電勢取樣器所獲電機相位，是未被驅(qū)動時的值：也就是如果LA和HB均導(dǎo)通，那么相位A被驅(qū)

12、動為低電平，相位B被驅(qū)動為高電平，相位C則被取樣。被取樣相位提供一個反電勢信號，它對照電機的中性點作比較。取樣器受換向狀態(tài)機器控制。取樣的反電勢經(jīng)一個誤差放大器與中性點比較。誤差放大器的輸出端送出充電或放電電流到SPEEDFB（18腳），它向VCO提供電壓。2.13 反電勢傳感的鎖相環(huán)換向控制 由換向狀態(tài)機、VCO、反電勢取樣器三者構(gòu)成一個鎖相環(huán)路，以使換向時鐘自動跟蹤反電勢信號。完整的鎖相環(huán)路見圖12。該鎖相環(huán)需要一個超前滯后濾波器，它由SPEEDFB（18腳）外部元件來設(shè)置 。 2.14 電機的起動 當電源首先加到ML4435時，電機處于靜止，故反電勢等于零。電機需要轉(zhuǎn)動，以使反電勢取樣器

13、自動跟蹤電機位置，并使電機換向。ML4435用最低的VCO頻率開始使電機換向。該低頻換向由RVCO上的02V箝位設(shè)定，這就提供一為fmax/30的換向頻率。2.15 轉(zhuǎn)動狀態(tài) 在反電勢傳感后，PLL自動跟蹤電機位置，電機則按閉合環(huán)路控制轉(zhuǎn)動。在這一點上，速度控制環(huán)應(yīng)迫使電機速度相應(yīng)于SPEEDSET電壓設(shè)置的速度。2.16 PWM速度控制 速度控制是由在SPEEDSET（5腳）設(shè)置的速度指令來完成的，該腳輸入電壓為0.26V。速度指令的精度由外部元件RVCO和CVCO確定。控制ML4435的速度指令有幾種方法：其一是用一電位器接在RT與地之間，而將滑動觸頭接在SPEEDSET。若用微處理器控制

14、5腳，則可用RT作數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）輸入基準。RT電壓應(yīng)經(jīng)緩沖器接外部電路。經(jīng)跨導(dǎo)誤差放大器，速度指令與比SPEEDFB（18腳）低07V的傳感速度相比較。速度誤差放大器的輸出端是SPEEDCOMP（3腳），它被箝位在8.22.2V之間。82V信號與全PWM占空比相對應(yīng)，而2.2V則對應(yīng)0占空比。速度環(huán)路補償元件接該腳，見圖13?？捎孟率絹碛嬎阊a償元件：式中：freq是速度環(huán)路的帶寬（Hz）。 圖13中3腳電壓與三角波振蕩器比較，產(chǎn)生一PWM占空比。PWM振蕩器產(chǎn)生一個37V的三角波函數(shù)，而三角波振蕩器頻率由RT（6腳）的接地電阻設(shè)定。RT可由圖14曲線來選擇。來自速度控制環(huán)的PWM占空比，選通逐個脈沖式電流限制電路，以控制輸出驅(qū)動器LA、LB、LC。2.17 慣性跟蹤 當CVCO（20腳）被拉低到15V時，6路輸出驅(qū)動器均關(guān)斷。慣性跟蹤COAST功能切斷所有的電源使電機隨慣性至停止。20腳的慣性跟蹤功能見圖15，它可由一只接地開關(guān)或由圖15中20腳的接地的開路集電極接地的開關(guān)管來驅(qū)動。 2.18 欠壓保護 欠壓保護用于保護低VCC狀況下的三相功率級。