无传感器的直流无刷电机控制器ML4435及其应用要点.docx
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无传感器的直流无刷电机控制器ML4435及其应用要点
无传感器的直流无刷电机控制器ML4435及其应用
摘 要:
ML4435脉宽调制式电动机控制器,为起动和控制△接或Y接绕组的直流无刷(LBDC)电机速度(无霍尔效应传感器)提供了所有必要的功能。
从电机绕组传感的反电势电压,经锁相环可确定恰当的换向相位时序。
关键词:
三相直流无刷电机;无传感器;反电势取样器
ML4435是2001年3月最新推出的电机控制器专用IC,属于无传感器型、直流无刷(BLDC)电动机控制系统,它比ML4425/ML4426有新的改进和简化,外部引脚从28个减少到了20个,同样集成了所有必要的自动检测和控制功能。
图1是ML4435的外形引脚图,图2是它的内部功能方框。
1 ML4435的主要特性及性能
ML4435的主要特性如下:
——专有的反电势传感换向技术,以实现无霍尔效应传感器的电机通信;
——PWM逐个脉冲式电流限制,可保护电机和MOSFET驱动器;
——可单台工作;——软起动功能可限制起动电流;
——脉宽调制PWM速度控制可提高效率,并尽量减小MOSFET尺寸;
——机载欠压闭锁和断电检测;
——电机的转速输出传感换向。
ML4435为三相直流无刷电机无传感器型速度控制提供了所有的电路。
控制功能包括:
起动电路、反电势换向控制、脉宽调制PWM速度控制、逐个脉冲式电流限制、电机的惯性跟踪、欠压保护。
电机的起动是通过电机换向来完成的,它在低频下产生低速运动。
低速运动用以产生一个反电势信号。
反电势取样电路自动跟踪电机的位置,并由一个锁相环(PLL)控制换向时间。
换向控制电路还输出一个速度反馈信号,用于速度控制环。
速度控制环由误差放大器和PWM比较器组成,它产生一个PWM占空比作速度调节控制。
电机的电流受限于逐个脉冲式PWM关闭比较器,它由外部电流传感电阻器两端的电压来关闭。
换向控制、PWM速度控制和电流限制综合产生输出驱动器信号。
六路输出驱动器用于提供栅极信号给外部三相桥功率级,以适应LBDC直流无刷电机的电压和电流的要求。
附加的功能包括:
电机的惯性跟踪功能与欠压闭锁输出电路,一旦加到ML4435的电压VCC过低时,可关闭输出驱动器。
ML4435的各引脚功能见表1,主要电气参数见表2。
2 ML4435功能详解
2.1 ML4435的外部元件选择
外部元件的选择需要根据电动机的电气参数和机械参数进行计算,下面列出计算所需的电机参数:
——最大直流电机电源电压VMOTOR(V);
——最大工作电流Imax(A);
——测量引线间的绕组电阻R1-1(Ω);
——磁极的数目N;
——反电势常数Ke(V·s/rad);
——电机的转矩常数Kτ(N·m/A);
Kτ=Ke(SI单位);
——最大转速nmax(r/min);
——电机和其负载的转动惯量J(kg·m2);
——电机和其负载的粘滞阻尼因数ξ。
若上述数值有几个不知道,仍能通过实验来确定元件的最佳值。
下述公式和元件选择图可作优化应用的起点。
可选用最靠近近似计算结果的标准值元件。
2.2 电源和芯片电压基准
10脚电源电压VCC=(12±10%)V,推荐在VCC脚与地之间接一0.1μF的旁路电容器,并尽量靠近VCC端接地。
在ML4435内部产生6V基准电压,它出现在RT脚,在该脚对地接一只电阻可设定PWM频率。
可用电位器取代该电阻来设置速度指令(详见2.16)。
注意:
若要在6脚加外部电路,则要用一输入阻抗至少1MΩ的运算放大器作该脚的缓冲器。
2.3 输出驱动器
输出驱动器LA、LB、LC和HA、HB、HC为三相桥功率级提供图腾柱式输出驱动信号。
ML4435的全部控制功能都从这6个脚输出。
其中LA、LB、LC分别为三相功率极的A、B、C提供低边驱动信号,其有效高电平信号为12V。
而HA、HB、HC分别为三相功率级的A、B、C相提供高边驱动信号,其有效低电平信号为12V。
2.4 三相桥式功率级的电流限制
图3中电流传感电阻RSENSE安设在三相功率级,可调节功率级和直流无刷电机的最大电流。
如RSENSE二端电压超过19脚SOFTSTART设置的电流限制门限电平,则电流调节是在PWM周期的剩余段关断输出驱动器LA、LB、LC来实现的。
RSENSE最大功耗见图4。
2.5 软起动
SOFTSTART(19脚)上电压设定电流限制门限电平。
ML4435有一个11V电源电压的内部分压器,见图5。
分压器由两只225kΩ电阻组成,它把电流限制门限电平设定在055V左右。
可用外部分压器或外部基准来取代SOFTSTART的设置,其电流大于内部分压器10倍。
可在该脚对地接一只电容器,作功率上升时电流限制的软斜升。
可用图6选择斜升时间。
2.6 RSENSE
RSENSE提供与电机电流成比例的电压,作电流限制。
RSENSE端的失效闭锁电压是0.6V,它由SOFTSTART(19脚)设定。
电流传感电阻应是低电感的,例如碳膜电阻。
用线绕mΩ级的电阻,应尽力降低电感。
其额定功率正比于功耗Imax2RSENSE。
2.7 ISENSE滤波器
ISENSE输入端(1脚)需要接一个RC低通滤波器,以消除电流传感信号前沿的尖峰电压,它由二极管反向恢复时的穿透电流引起。
若无该滤波器会出现电流限制的虚假触发。
此电路推荐的标准值R=1kΩ,C=1000pF,可滤除窄于1μs的尖峰干扰。
电容值不宜超过3300pF。
滤波前后的波形见图7。
2.8 逐个脉冲式电流限制
当ISENSE脚电压超过SOFTSTART脚电压时,电流限制电路被激活,它在PWM周期的剩余阶段关闭驱动器LA、LB和LC。
2.9 换向控制
一台三相直流无刷电机需要电子换向,以实现旋转运动。
电子换向要求开通和关断三相半桥式功率开关。
为了让转矩实现单一方向,由转子的位置给出换向指令。
要实现ML4435的电子换向,是通过适当时序来开通和关断一相低输出L和另一相高输出H。
总共存在六种L和H输出组合(即六种开关状态),如表3标出的状态A~状态F,它们构成一个完整的换向循环周期。
这一开关时序被编程在图8所示的换向状态机中,该换向状态机的时钟是由VCO的输出提供。
2.10 压控振荡器
VCO在TACH(2脚)输出一TTL兼容的时钟脉表示驱动器导通冲,它正比于SPEEDFB(18脚)输入电压。
频率与电压或与VCO常数KV的比例,由图9中的RVCO(4脚)地电阻和CVCO(20脚)接地电器来设定。
RVCO设定的电流正比于VCO输入电压SPEEDFB减去0.7V。
该电流用于门限电压在2~3.75V之间对CVCO充电和放电,见图9。
RVCO限制在0.2V较低电压。
这导致CVCO的三角波形对应于TACH脚时钟,也见图9。
当VCO的输入等于或稍小于6V时,KV被设定在VCO输出频率对应于最大换向频率fmax,即对应于最大电机速度。
CVCO和RVCO可由首次计算的fmax值来选择:
fmax=0.05×nmax×N
2.11 TACH
TACH(2脚)输出VCO频率,它6倍于换向频率。
当电机在最低转速时(即SPEEDFB低于097V),TACH输出还表示因TTL停留在高电平而使电机处于低转速。
2.12 反电势取样器电路
输入到VCO的SPEEDFB(18脚)受反电势取样器控制。
反电势传感脚FBA、FBB、FBC输入到反电势取样器,需要来自电机各相引线的信号,该信号低于ML4435的VCC值。
相位传感的输入阻抗是8.7kΩ。
如果电机电压大于ML4435的VCC值,则需要串接电阻RFB到电机各相引线,见图10。
RFB可从图11曲线选择或利用下式算出:
RFB=8.7kΩ(VMOTOR/12-1)
反电势取样器把电机各相电压分压为低于VCC=12V(正常值)的信号电压,并由下述方程式计算电机的中性点电压:
VNEUTRAL=(VFBA+VFBB+VFBC)/3。
这就允许ML4435能比较反电势信号与电机中性点,而不需要从Y接绕组的电机中引出一信号线。
对△接绕组的电机,因不存在物理中点,故必须计算该基准参考点。
反电势取样器所获电机相位,是未被驱动时的值:
也就是如果LA和HB均导通,那么相位A被驱动为低电平,相位B被驱动为高电平,相位C则被取样。
被取样相位提供一个反电势信号,它对照电机的中性点作比较。
取样器受换向状态机器控制。
取样的反电势经一个误差放大器与中性点比较。
误差放大器的输出端送出充电或放电电流到SPEEDFB(18脚),它向VCO提供电压。
2.13 反电势传感的锁相环换向控制
由换向状态机、VCO、反电势取样器三者构成一个锁相环路,以使换向时钟自动跟踪反电势信号。
完整的锁相环路见图12。
该锁相环需要一个超前—滞后滤波器,它由SPEEDFB(18脚)外部元件来设置。
2.14 电机的起动
当电源首先加到ML4435时,电机处于静止,故反电势等于零。
电机需要转动,以使反电势取样器自动跟踪电机位置,并使电机换向。
ML4435用最低的VCO频率开始使电机换向。
该低频换向由RVCO上的02V箝位设定,这就提供一为fmax/30的换向频率。
2.15 转动状态
在反电势传感后,PLL自动跟踪电机位置,电机则按闭合环路控制转动。
在这一点上,速度控制环应迫使电机速度相应于SPEEDSET电压设置的速度。
2.16 PWM速度控制
速度控制是由在SPEEDSET(5脚)设置的速度指令来完成的,该脚输入电压为0.2~6V。
速度指令的精度由外部元件RVCO和CVCO确定。
控制ML4435的速度指令有几种方法:
其一是用一电位器接在RT与地之间,而将滑动触头接在SPEEDSET。
若用微处理器控制5脚,则可用RT作数模转换器(DAC)输入基准。
RT电压应经缓冲器接外部电路。
经跨导误差放大器,速度指令与比SPEEDFB(18脚)低07V的传感速度相比较。
速度误差放大器的输出端是SPEEDCOMP(3脚),它被箝位在8.2~2.2V之间。
82V信号与全PWM占空比相对应,而2.2V则对应0%占空比。
速度环路补偿元件接该脚,见图13。
可用下式来计算补偿元件:
式中:
freq是速度环路的带宽(Hz)。
图13中3脚电压与三角波振荡器比较,产生一PWM占空比。
PWM振荡器产生一个3~7V的三角波函数,而三角波振荡器频率由RT(6脚)的接地电阻设定。
RT可由图14曲线来选择。
来自速度控制环的PWM占空比,选通逐个脉冲式电流限制电路,以控制输出驱动器LA、LB、LC。
2.17 惯性跟踪
当CVCO(20脚)被拉低到15V时,6路输出驱动器均关断。
惯性跟踪COAST功能切断所有的电源使电机随惯性至停止。
20脚的惯性跟踪功能见图15,它可由一只接地开关或由图15中20脚的接地的开路集电极接地的开关管来驱动。
2.18 欠压保护
欠压保护用于保护低VCC状况下的三相功率级。
欠压保护是在VCC=9.2V或更低时被启动。
欠压保护也关断全部输出驱动器LA、LB、LC和HA、HB、HC。
启动过电压的比较器具有500mV的滞后。
2.19 输出驱动器到三相桥功率级的接口电路
大多数灵活的电路结构,是采用高边驱动器来控制N沟道MOSFET或IGBT,它允许的应用范围是12~170V。
3 的典型应用电路
图16给出了典型应用中的ML4435及所有支持电路,图17则给出了采用IR公司的IR2118作高边驱动器的功率级电路和高压MOSFET。
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