無傳感器的直流無刷電機(jī)控制器ML4425及其應(yīng)用（1）??

摘要：介紹了ML4425脈寬調(diào)制電機(jī)控制器的功能及其應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：三相直流無刷電機(jī)；無傳感器；反電勢(shì)取樣器；鎖相環(huán)

1? 引言

??? ML4425脈寬調(diào)制控制器具有為起動(dòng)和控制△接或Y接無刷直流（BLDC）電機(jī)速度所需要的全部功能，并且不用霍爾傳感器。從電機(jī)繞組傳感的反電勢(shì)電壓信號(hào)，利用鎖相環(huán)（PLL）即可確定正確的換向時(shí)序，這一獲專利的傳感技術(shù)可以在寬范圍內(nèi)使三相無刷電機(jī)換向，并且對(duì)PWM噪聲和電機(jī)緩沖電路的干擾不敏感。

??? ML4425利用恒定的停歇時(shí)間PWM控制環(huán)路，限制電機(jī)的工作電流。其速度環(huán)是由機(jī)載放大器控制。ML4425電路能保證沒有穿透電流干擾而直接驅(qū)動(dòng)外部功率MOSFET。起動(dòng)程序的定時(shí)由三個(gè)可供選擇的定時(shí)電容器來確定。這就使大范圍變化的電機(jī)和負(fù)載能夠處于最佳狀態(tài)。

??? ML4425的主要性能如下：

??? 1）可獨(dú)立工作；

??? 2）通過IC控制電機(jī)的起動(dòng)和停止；

??? 3）機(jī)載起動(dòng)時(shí)序?yàn)樾?zhǔn)→斜升→設(shè)定速度；

??? 4）獲專利的反電勢(shì)換向技術(shù)為最短的“自轉(zhuǎn)”時(shí)間提供了無抖動(dòng)轉(zhuǎn)矩；

??? 5）具有機(jī)載速度控制環(huán)；

??? 6）用于換向的鎖相環(huán)PLL可對(duì)PWM產(chǎn)生的尖峰脈沖噪聲的抗干擾創(chuàng)造條件，其作用與噪聲傳感過零技術(shù)相似；

??? 7）PWM控制可得到最高效率；

??? 8）MOSFET直接驅(qū)動(dòng)12V電機(jī)；驅(qū)動(dòng)高壓電機(jī)需要用IR、IXYS、Harris、PowerIntegration、Siliconix等公司生產(chǎn)的IC緩沖器。

2? ML4425的結(jié)構(gòu)與參數(shù)

2.1? ML4425的結(jié)構(gòu)

??? ML4425有二種封裝型式，其引腳排列如圖1所示。它們的內(nèi)部功能方框圖如圖2（以28引腳為例）所示。

(a)窄形28腳

(b)方形32腳

圖1? ML4425集成電路兩種封裝型式

圖2? ML4425電機(jī)控制器內(nèi)部功能框圖

??? ML4425各引腳功能如下（以28引腳為例，腳號(hào)后括號(hào)內(nèi)數(shù)字為32腳的腳號(hào)）。

??? 腳1（30）I_SENSE：電機(jī)的電流傳感輸入端。當(dāng)I_SENSE超過0.2×I_LIMIT時(shí)，三路輸出驅(qū)動(dòng)器LA、LB、LC均被關(guān)閉一個(gè)固定時(shí)間（由C_IOS電容量確定）。

??? 腳2（31）HA：A相高邊開關(guān)的有源低輸出驅(qū)動(dòng)器。

??? 腳3（32）HB：B相高邊開關(guān)的有源低輸出驅(qū)動(dòng)器。

??? 腳4(1)HC：C相高邊開關(guān)的有源低輸出驅(qū)動(dòng)器。

??? 腳5（3）SPEED COMP：是速度控制環(huán)的補(bǔ)償端，它由接在SPEED COMP腳與地端之間的串聯(lián)的電阻器和電容器來設(shè)置。

??? 腳6（4）C_T：一只電容器接C_T與地之間，可設(shè)定PWM振蕩器頻率。

??? 腳7（5）V_REF：6.9V基準(zhǔn)參考電壓輸出。

??? 腳8（6）SPEED SET：速度控制環(huán)輸入端，變化范圍從0（停機(jī)）到V_REF（最大速度）。

??? 腳9（7）LA：A相低邊開關(guān)的有源高輸出驅(qū)動(dòng)器。

??? 腳10（8）LB：B相低邊開關(guān)的有源高輸出驅(qū)動(dòng)器。

??? 腳11（9）LC：C相低邊開關(guān)的有源高輸出驅(qū)動(dòng)器。

??? 腳12（10）I_LIMIT：該腳電壓把I_SENSE的門限電壓設(shè)定在0.2×I_LIMIT，該腳空懸不接，自動(dòng)選IC內(nèi)部的置位門限電平。

??? 腳13（11）VCO/TACH：該腳的TTL輸出電平對(duì)應(yīng)于時(shí)鐘信號(hào)用在換向狀態(tài)機(jī)器。當(dāng)反電勢(shì)傳感電路跟蹤轉(zhuǎn)子位置時(shí)，其輸出頻率與電機(jī)速度成比例。

??? 腳14（12）V_DD：12V電源電壓輸入端。

??? 腳15（15）C_VCO：該腳對(duì)地接一只電容器，可設(shè)定壓控振蕩器（VCO）的壓－頻比率。

??? 腳16（16）R_VCO：該腳對(duì)地接一只電阻器，可設(shè)置一與VCO輸入電壓成比例的電流。

??? 腳17（17）C_AT：該腳對(duì)地接一只電容器，可設(shè)定控制器保持在校準(zhǔn)狀態(tài)的時(shí)間。

??? 腳18（18）UV FAULT：當(dāng)V_DD降低到UVLO欠壓鎖定門限電平時(shí)，該腳輸出電平變?yōu)樽畹停硎舅械妮敵鲵?qū)動(dòng)器均已失效。

??? 腳19（19）C_RT：該腳對(duì)地接一只電容器，可設(shè)定控制器保持在斜升狀態(tài)的時(shí)間。

??? 腳20（20）SPEED FB：反電勢(shì)取樣電路的輸出端和VCO的輸入端，一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)接在SPEED FB端，可設(shè)置對(duì)鎖相環(huán)路（PLL）的補(bǔ)償，該P(yáng)LL電路由反電勢(shì)取樣電路、VCO和換向狀態(tài)機(jī)器構(gòu)成。

??? 腳21（21）C_RR：當(dāng)控制器處于斜升狀態(tài)時(shí)，在C_RR與SPEED FB兩端之間接一只電容器，可設(shè)定電機(jī)的斜升速率（即加速度）。

??? 腳22（22）FB-A：通過在該腳上的傳感反電勢(shì)的電阻分壓器，監(jiān)視A相的電機(jī)反饋電壓。

??? 腳23（23）FB-B：通過在該腳上的傳感反電勢(shì)的電阻分壓器，監(jiān)視B相的電機(jī)反饋電壓。

??? 腳24（24）FB-C：通過在該腳上的傳感反電勢(shì)的電阻分壓器，監(jiān)視C相的電機(jī)反饋電壓。

??? 腳25（25）BRAKE：一個(gè)邏輯低電平輸入使電機(jī)制動(dòng)，它是通過關(guān)斷高邊輸出驅(qū)動(dòng)器和接通低邊輸出驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)的。

??? 腳26（26）C_IOS：該腳對(duì)地接一只電容器，可設(shè)置在I_SENSE超過它的門限電平之后，低邊輸出驅(qū)動(dòng)器仍然保持關(guān)斷的時(shí)間。

??? 腳27（27）R_REF：該腳對(duì)地接一只137kΩ的電阻器，可設(shè)置與V_REF成比例的電流，它用于為IC內(nèi)部設(shè)定所有的偏置電流（除VCO之外）。

??? 腳28（28）GND：信號(hào)地與功率地端。

2.2? ML4425的參數(shù)

2.2.1? ML4425極限值（絕對(duì)最大額定值）

??? 權(quán)限值是指器件的應(yīng)力額定值，一旦超過可能導(dǎo)致器件永久性損壞，它們并非器件的工作參數(shù)。

??? 電源電壓（腳14）V_DD：14V；

??? 邏輯輸入（SPEED FB，BRAKE）：（GND－0.3）～7V；

??? 所有其它輸入和輸出：（GND－0.3）～（V_DD＋0.3）；

??? 輸出電流（LA、LB、LC、HA、HB、HC）：±50mA；

??? 結(jié)溫：150℃；

??? 儲(chǔ)存溫度：－65℃～150℃；

??? 引腳焊接溫度：260℃（10s內(nèi)）。

2.2.2? ML4425的運(yùn)行條件

??? 溫度范圍? ML4425GX 0～70℃；

????????????? ML4425IX －40～85℃。

??? V_DD??????? 10.8～13.2V。

2.2.3? ML4425的電特性

??? ML4425的電氣參數(shù)如表1所列。

表1? ML4425電氣參數(shù)

除非另有說明，通常V_DD=12V±10％，R_SENSE=1Ω，C_VCO=10nF，C_IOS=100pF，R_REF=137kΩ，T_A=工作溫度（注1，注2）。

注1：限制的保證是作100％測(cè)量，取樣或在最壞測(cè)試條件下調(diào)節(jié)。

注2：關(guān)于狀態(tài)的解釋參見圖4和表2。

注3：腳BRAKE和腳UV FAULT在IC內(nèi)部均有一只4kΩ電阻器接到基準(zhǔn)電壓。

3? ML4425的功能原理

??? ML4425為無傳感器型速度控制的三相BLDC直流無刷電動(dòng)機(jī)提供了全部電路。控制器的功能包括：起動(dòng)電路、反電動(dòng)勢(shì)換向控制、脈寬調(diào)制PWM的速度控制、固定的停歇時(shí)間電流限制、制動(dòng)、欠壓保護(hù)。

??? 起動(dòng)電路把電機(jī)校準(zhǔn)在已知位置，隨后斜升電機(jī)速度產(chǎn)生一個(gè)反電勢(shì)信號(hào)。通過構(gòu)成的一個(gè)鎖相環(huán)路，反電勢(shì)取樣電路可控制換向時(shí)間。換向控制電路又輸出一個(gè)速度反饋（SPEEDFB）信號(hào)，用于速度控制回路。速度控制回路由一個(gè)誤差放大器和PWM比較器組成，它產(chǎn)生一個(gè)PWM占空比調(diào)節(jié)速度。電機(jī)電流由一個(gè)固定停歇時(shí)間PWM關(guān)閉比較器來限制，它受控于外部傳感電阻器。

??? 換向控制、PWM速度控制和電流限制共同結(jié)合，產(chǎn)生輸出驅(qū)動(dòng)器信號(hào)。六路輸出驅(qū)動(dòng)器用于提供選通信號(hào)給外部三相橋式功率級(jí)，按直流無刷電機(jī)的電壓和電流要求進(jìn)行測(cè)量。其它功能包括：制動(dòng)功能和欠壓保護(hù)電路。一旦ML4425供電V_DD變?yōu)榈蛪簳r(shí)，可關(guān)閉輸出驅(qū)動(dòng)器。

3.1? 元件的選擇

??? 選擇IC外部元件需要根據(jù)電機(jī)的電氣參數(shù)和機(jī)械參數(shù)作一些計(jì)算。下面列出這些計(jì)算需要的電機(jī)參數(shù)：

??? 直流電機(jī)電源電壓??? V_MOTOR（V）；

??? 最大工作電流??? I_MAX（A）；

??? 磁極的數(shù)目??? N；

??? 反電勢(shì)常數(shù)??? K_e（V_－S/R_ad）；

??? 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)??? K_t(N·m/A)(K_t=K_e，單位SI)；

??? 最大運(yùn)行速度??? RPM_MAX（r/min）；

??? 電機(jī)和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量??? J(kg·m²)；

??? 電機(jī)和負(fù)載的粘滯阻尼因數(shù)??? ξ。

??? 如果不知道上述一個(gè)值或幾個(gè)值，仍然可能得到合適的ML4425外部元件數(shù)值，但需要做一些實(shí)驗(yàn)來確定其最佳值。除非另有特殊說明，所有的數(shù)量單位都用SI。下面的公式應(yīng)考慮最佳起始點(diǎn)。所有計(jì)算的電容器和電阻器，都應(yīng)采用最接近標(biāo)準(zhǔn)值的第一個(gè)近似值作為選擇。

3.2? 電源和基準(zhǔn)參考電壓

??? 電源電壓V_DD通常為12V±10％。應(yīng)盡量靠近V_DD端對(duì)地接一只100nF旁路電容器。提供6.9V電壓基準(zhǔn)輸出V_REF，來設(shè)置ML4425的速度指令和電流限制。需要在R_REF端對(duì)地接一只137kΩ電阻器，為IC內(nèi)部功能建立一個(gè)基準(zhǔn)電流。

3.3? 輸出驅(qū)動(dòng)器

??? 輸出驅(qū)動(dòng)器LA、LB、LC和HA、HB、HC為三相橋式功率級(jí)提供圖騰柱式輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。ML4425中所有的控制功能，都傳送到這些引腳輸出。其中LA、LB、LC為三相功率級(jí)的A、B、C相提供低邊驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并以12V為有效高電平信號(hào)。而HA、HB、HC為A、B、C相提供高邊驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并以12V為有效低電平信號(hào)。

3.4? 功率級(jí)的電流限制

??? 電流傳感電阻器R_SENSE如圖3所示，它可調(diào)節(jié)功率級(jí)和直流無刷電機(jī)的最大電流。如果R_SENSE兩端的電壓超過電流限制門限電平，則可通過把輸出驅(qū)動(dòng)器LA、LB和LC關(guān)斷一定的時(shí)間，來實(shí)現(xiàn)電流的調(diào)節(jié)。

圖3? 在三相12V功率級(jí)中使用傳感電阻器R_SENSE

??? 1）I_LIMIT? 在I_LIMIT腳上的電壓設(shè)定了電流限制門限電平。

??? ML4425內(nèi)部有一個(gè)從V_REF接地的分壓器，它設(shè)定了一個(gè)2?3V的誤差電流限制門限電平，見圖4。以V_REF為基準(zhǔn)的外部分壓器，可用于拒絕錯(cuò)誤的I_LIMIT設(shè)置。外部分壓器的電流至少應(yīng)比內(nèi)部分壓器電流大10倍。

圖4? 電流傳感電路

??? 2）R_SENSE? R_SENSE的功能是提供一個(gè)與電機(jī)電流成正比的電壓，以設(shè)定電流限制跳閘斷開點(diǎn)。R_SENSE兩端錯(cuò)誤跳閘電壓是460mV，它由內(nèi)部I_LIMIT分壓比來設(shè)定。電流傳感電阻器應(yīng)是低電感量的電阻器，如碳膜成分組成。對(duì)毫歐姆范圍的電阻器，用導(dǎo)線卷繞的電阻應(yīng)具有低值電感。

??? 3）I_SENSE濾波器? 接I_SENSE腳的RC低通濾波器與電流傳感信號(hào)相串聯(lián)，見圖4。設(shè)置該濾波器是為去除二極管反向恢復(fù)時(shí)的穿透電流。該電流在電流傳感信號(hào)的前沿引起一個(gè)電壓尖峰，可能會(huì)誤觸發(fā)電流限制電路。在濾波器前、后的電流傳感電壓波形見圖5。該電路推薦的初值為R=1kΩ、C=300pF，這就給出了時(shí)間常數(shù)330ns，它將濾除更短持續(xù)時(shí)間里的輸出尖峰。也可增大電容器到C=2.2nF，但時(shí)間常數(shù)不應(yīng)超過幾個(gè)微秒。

(a)無濾波時(shí)??????? (b)經(jīng)濾波后

圖5? 電流傳感電阻器波形

??? 4）C_IOS?? 當(dāng)I_SENSE超過0.2×I_LIMIT時(shí)，電流限制一次性觸發(fā)功能起作用，它將在一個(gè)固定的時(shí)間（t_OFF）內(nèi)關(guān)斷LA、LB和LC。t_OFF由接到C_IOS腳的電容設(shè)定。通常C_IOS設(shè)置一個(gè)等于或小于脈寬調(diào)制周期的固定的停歇時(shí)間。當(dāng)PWM的頻率為25kHz時(shí)，PWM的周期為40μs，則t_OFF應(yīng)在20μs～40μs之間。對(duì)t_OFF的較低限制，是由功率級(jí)的最小導(dǎo)通時(shí)間決定的，故安全的近似值是5μs或更小些。求解C_IOS電容量的方程為：

????? C_IOS=(t_OFF×50μA)24V=100pF（1）

3.5? 換向控制

??? 三相直流無刷電機(jī)需要電子換向以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)式運(yùn)動(dòng)。電子換向則需要三相半橋式功率開關(guān)輪流導(dǎo)通和截止。為了實(shí)現(xiàn)在一個(gè)方向上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，換向是由轉(zhuǎn)子的位置決定的。ML4425中的電子換向是按恰當(dāng)?shù)臅r(shí)序，通過接通和關(guān)斷一相中的N輸出和另一相的P輸出來完成的。

??? N溝道管輸出和P溝道管輸出，共有6個(gè)組合（6種開關(guān)狀態(tài)），它們構(gòu)成了一個(gè)完整的換向循環(huán)周期。這6種組合在圖6和表2中予以說明，并用狀態(tài)A、B、C、D、E、F分別作標(biāo)記。該時(shí)序已編程在換向狀態(tài)機(jī)器中。換向狀態(tài)機(jī)器的時(shí)鐘脈沖是由VCO壓控振蕩器來提供的。

圖6? 輸出換向時(shí)序的定時(shí)波形

（循環(huán)周期1：完整的換向；循環(huán)周期2：按50％PWM占空比換向）

表2? ML4425的6種換向狀態(tài)功能

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