三相PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)器A3936及其應(yīng)用[圖]

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)以其具備交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具備直流電動(dòng)機(jī)的效率高、調(diào)速性能好等諸多特點(diǎn)，而在工業(yè)控制、儀器儀表、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。A3936就是Allegro公司推出的新一代三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)專(zhuān)用控制/驅(qū)動(dòng)器芯片。

1 A3936的特點(diǎn)功能

1.1主要特點(diǎn)

A3936是美國(guó)Allegro公司生產(chǎn)的新型DMOS三相PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它主要包括換相邏輯和功率驅(qū)動(dòng)電路，可通過(guò)給定控制電壓信號(hào)和方向控制邏輯信號(hào)來(lái)完成無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速和正反轉(zhuǎn)控制。另外，A3936還具有內(nèi)部欠壓鎖定、交叉電流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)等功能，因而使用非常方便。此外，A3936還具有±3A/50V的連續(xù)輸出；并具有可編程的四種續(xù)流工作模式。包括slow模式、fast模式和2種mixed模式；同時(shí)可低功耗同步整流控制。A3936的輸出電阻在拉電流時(shí)的典型值為0.55Ω；灌電流時(shí)的典型值為0.35Ω。A3936芯片內(nèi)部帶有欠壓鎖定、交叉電流保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)功能，并有睡眠及空閑模式，以及可制動(dòng)功能和死區(qū)設(shè)置。

1.2引腳介紹

A3936芯片采用44腳PLCC封裝型式，其引腳排列如圖l所示。各引腳的功能如下：

引腳1、2、11、12、13、22、23、24、33、34、35、44(GND)：接地端；
　　 引腳3、4、5、6、7、8(HA、HB、HC)：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)HALL元件信號(hào)輸入端；
　　 引腳9(VDD)：+5V電源；
　　 引腳10(REF)：參考電壓VREF輸入端，通過(guò)控制該電壓可控制PWM占空比；
　　 引腳14(BRAKE)：制動(dòng)控制端，當(dāng)該腳為高電平時(shí)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)內(nèi)的電流會(huì)瞬間釋放，電機(jī)突然停轉(zhuǎn)；而在正常使用時(shí)，該腳接低電平；
　　 引腳15(SENSE)：采樣電阻RS引腳，其數(shù)值一般取0.1Ω。該采樣電阻與VREF可決定電動(dòng)機(jī)的負(fù)載電流。
　　 引腳16(SR)：同步整流輸入，高電平有效；
　　 引腳17、2l、28(OUT)：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)A、B、C相驅(qū)動(dòng)輸出端；
　　 引腳18(HBIAS)：HALL元件的負(fù)極；
　　 引腳19、26(VBB)：負(fù)載電源；
　　 引腳20、25(LSS)：通過(guò)采樣電阻RS與負(fù)載電源地相連；
　　 引腳27(TACH)：速度輸出，一般懸空不用；
　　 引腳29(VCP)：充電電容連接端，應(yīng)通過(guò)0.22μF/50V電容與VBB相連；
　　 引腳30、3l(CPl、CP2)：電荷泵電容連接端，二者應(yīng)通過(guò)0.22μF/100V電容相連；
　　 引腳32(SLEEP)：睡眠模式邏輯控制輸入端，低電平輸入時(shí)，進(jìn)入睡眠模式；
　　 引腳36(OSC)：振蕩信號(hào)連接端，可通過(guò)51kΩ電阻與VDD相連；
　　 引腳37(VREG)：整流去耦端，應(yīng)外接0.22μF/50V去耦電容；
　　 引腳38(DIR)：方向控制邏輯輸入端，低電平為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，高電平為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；
　　 引腳39(ENABLE)：使能控制邏輯輸入端；
　　 引腳40(EXTMODE)：外接PWM控制模式邏輯輸入端。使用外接PWM控制模式時(shí)，若輸入高電平，為電流慢衰減模式；若輸入低電平，則為電流快衰減模式；
　　 引腳41(BLANK)：為死區(qū)邏輯控制輸入端；若輸入高電平，死區(qū)時(shí)間為12/fosc；若輸入低電平，死區(qū)時(shí)間為6/fosc；
　　 引腳42、43(PFD)：PFD邏輯控制輸入端，二者組合可用于決定采用哪一種續(xù)流控制模式。

2 A3936的工作原理

2.1通電控制規(guī)律

A3936內(nèi)部具有全橋驅(qū)動(dòng)的功率邏輯開(kāi)關(guān)單元和位置傳感器的信號(hào)處理單元，可用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)定子上各相繞組通電的順序和時(shí)間。全橋驅(qū)動(dòng)的功率邏輯開(kāi)關(guān)單元可將電源的功率以一定的邏輯關(guān)系分配給電動(dòng)機(jī)定子上的各相繞組，以使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。位置傳感器的信號(hào)處理單元可將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以便為功率邏輯開(kāi)關(guān)電路提供正確的換相信息，控制電動(dòng)機(jī)定子繞組換相。同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向還受到38腳方向控制邏輯的控制。三者之間的邏輯關(guān)系如表1所列。

表l中，在HALL傳感器部分： “+”表示高電平； “-”表示低電平；輸出部分：“+”表示正向通電：“-”表示反向通電。

2.2負(fù)載電流調(diào)節(jié)

負(fù)載電流可通過(guò)A3936內(nèi)部的固定低電平(使用4MHz晶振時(shí)，典型值為24μs)PWM電路進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)H橋正常工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)繞組電流上升，直到到達(dá)閾值為止，該閾值由下式?jīng)Q定：

達(dá)到閾值時(shí)，邏輯電路將關(guān)閉H橋，負(fù)載電流在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下進(jìn)行續(xù)流，其續(xù)流時(shí)的流通路徑由slow/mixed續(xù)流模式和同步整流模式?jīng)Q定。

2.3續(xù)流控制模式

A3936的輸入引腳PFD1和PFD2的電平信號(hào)決定了過(guò)流關(guān)斷或PWM斬波時(shí)負(fù)載電流的不同續(xù)流模式。根據(jù)PFDl和PFD2電平信號(hào)的不同，A3936共有四種續(xù)流控制模式：slow模式、fast模式和兩種mixed模式，不同的續(xù)流模式?jīng)Q定了不同的負(fù)載電流波形。PFD電平信號(hào)與續(xù)流模式之間的關(guān)系如表2所列。

2.4同步整流模式

當(dāng)A3936的SR引腳為高電平時(shí)，使能同步整流模式，此時(shí)負(fù)載電流按照控制邏輯選定續(xù)流模式進(jìn)行續(xù)流。在續(xù)流期間，同步整流控制電路開(kāi)通對(duì)應(yīng)MOSFET管，以使得負(fù)載電流同時(shí)可以通過(guò)MOSFET管續(xù)流，從而降低續(xù)流時(shí)的導(dǎo)通電壓，減小導(dǎo)通損耗。同時(shí)，該同步整流控制電路還考慮了死區(qū)保護(hù)，故可防止橋臂直通。

3 A3936的應(yīng)用電路

A3936無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電路由于其集成度高，外圍元件少，使用起來(lái)非常簡(jiǎn)便。其外圍電路連接圖如圖2所示。

電路連接后，便可設(shè)置續(xù)流控制模式和同步整流模式(也可不用)。之后，只需給出電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向(由38腳的控制邏輯決定)和旋轉(zhuǎn)的速度(由10腳REF 的電壓決定)，即可完成對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制。某型船載衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)控制需要對(duì)接收天線的水平、俯仰和橫滾三個(gè)方向進(jìn)行伺服驅(qū)動(dòng)控制，其控制核心采用PC104計(jì)算機(jī)，并利用其I/O口(25針并口)實(shí)現(xiàn)對(duì)A3936的控制。由于PC104的輸出為數(shù)字量且需控制三臺(tái)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，因此，本設(shè)計(jì)增加了4路8位D/A轉(zhuǎn)換電路MAX505和8位選通開(kāi)關(guān)CD4099。MAX505用于控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；CD4099則用于控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。其電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

PC104標(biāo)準(zhǔn)并口具有12個(gè)輸出位和5個(gè)輸入位，其中8位數(shù)據(jù)位DO～D7中的D0～D6是送給MAX505的數(shù)據(jù)，可經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后用于控制無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。A0、A1是MAX505的地址線，可由PC104并口的14、17引腳控制，用于決定DO～D6應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)換到VOUTA、VOUTB、 VOUTC中的哪個(gè)輸出端。WR為寫(xiě)控制端，由PC104并口的16引腳控制，但當(dāng)數(shù)據(jù)寫(xiě)操作完成后，必須將WR端置1。D7代表轉(zhuǎn)動(dòng)方向(D7為0代表順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；D7為1代表逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng))，D7通常連接到CD4099的引腳3上，可以使CD4099根據(jù)A0、A1的地址數(shù)據(jù)將此方向的信息送到相應(yīng)的輸出端，從而控制相應(yīng)A3936，并最終實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的方向控制。當(dāng)需要對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，只需對(duì)相應(yīng)的地址(0X378、0X37A)寫(xiě)入控制字，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速的控制。

4結(jié)束語(yǔ)

A3936獨(dú)特的續(xù)流控制模式，可使無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在不同負(fù)載時(shí)均可獲得不同的負(fù)載電流波形，從而保證較高的控制精度。同步整流模式則可降低續(xù)流時(shí)的導(dǎo)通電壓和功耗。由于A3936器件與計(jì)算機(jī)接口兼容，控制方式簡(jiǎn)單靈活，因而具有較高的應(yīng)用價(jià)值。