無(wú)傳感器的直流無(wú)刷電機(jī)控制器ML4435及其應(yīng)用

— —磁 極 的 數(shù) 目N；

— —反 電 勢(shì) 常 數(shù)Ke(V·s/rad)；

— —電 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 矩 常 數(shù)Kτ(N·m/A） ；

Kτ=Ke(SI單 位)；

— —最 大 轉(zhuǎn) 速nmax（r/min） ；

— —電 機(jī) 和 其 負(fù) 載 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量J（kg·m2） ；

— —電 機(jī) 和 其 負(fù) 載 的 粘 滯 阻 尼 因 數(shù) ξ 。

若 上 述 數(shù) 值 有 幾 個(gè) 不 知 道 ， 仍 能 通 過 實(shí) 驗(yàn) 來(lái) 確 定 元 件 的 最 佳 值 。 下 述 公 式 和 元 件 選 擇 圖 可 作 為 優(yōu) 化 應(yīng) 用 的 起 點(diǎn) 。 可 選 用 最 靠 近 近 似 計(jì) 算 結(jié) 果 的 標(biāo) 準(zhǔn) 值 元 件 。

2. 2 電 源 和 芯 片 電 壓 基 準(zhǔn)

10腳 電 源 電 壓VCC=（12±10％ ）V， 推 薦 在VCC腳 與 地 之 間 接 一0. 1μF的 旁 路 電 容 器 ， 并 盡 量 靠 近VCC端 接 地 。 在ML4435內(nèi) 部 產(chǎn) 生6 V基 準(zhǔn) 電 壓 ， 它 出 現(xiàn) 在RT腳 ， 在 該 腳 對(duì) 地 接 一 只 電 阻 可 設(shè) 定PWM頻 率 。 可 用 電 位 器 取 代 該 電 阻 來(lái) 設(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 為1 MΩ 的 運(yùn) 算 放 大 器 作 該 腳 的 緩 沖 器 。

2. 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 功率級(jí)提供圖騰柱式輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。ML4435的全部控制功能都從這6個(gè)腳輸出。其中LA、LB、LC分別為三相功率極的A、B、C提供低邊驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其有效高電平信號(hào)為12V。而HA、 HB、 HC分別為三相功率級(jí)的A、B、C相提供高邊驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其有效低電平信號(hào)為12V。

2.4 三相橋式功率級(jí)的電流限制

圖3中電流傳感電阻RSENSE安設(shè)在三相功率級(jí)，可調(diào)節(jié)功率級(jí)和直流無(wú)刷電機(jī)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(dòng)器LA、LB、LC來(lái)實(shí)現(xiàn)的。RSENSE最大功耗見圖4。

圖 3 用RSENSE作 電 流 限 制

圖 4 RSENSE的 額 定 功 率 與 電 機(jī) 電 流 的 關(guān) 系

2.5 軟起動(dòng)

SOFTSTART（19腳）上電壓設(shè)定電流限制門限電平。ML4435有一個(gè)1?1V電源電壓的內(nèi)部分壓器，見圖5。分壓器由兩只225kΩ電阻組成，它把電流限制門限電平設(shè)定在0?55V左右。可用外部分壓器或外部基準(zhǔn)來(lái)取代SOFTSTART的設(shè)置，其電流大于內(nèi)部分壓器10倍?？稍谠撃_對(duì)地接一只電容器，作功率上升時(shí)電流限制的軟斜升?？捎脠D6選擇斜升時(shí)間。

圖5 19腳 的 軟 起 動(dòng) 功 能

圖6 軟 起 動(dòng) 斜 升 時(shí) 間 與 軟 起 動(dòng) 電 容 關(guān) 系

2.6 RSENSE

RSENSE提供與電機(jī)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mΩ級(jí)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(gè)RC低通濾波器，以消除電流傳感信號(hào)前沿的尖峰電壓，它由二極管反向恢復(fù)時(shí)的穿透電流引起。若無(wú)該濾波器會(huì)出現(xiàn)電流限制的虛假觸發(fā)。此電路推薦的標(biāo)準(zhǔn)值R=1kΩ，C=1000pF，可濾除窄于1μs的尖峰干擾。電容值不宜超過3300pF。濾波前后的波形見圖7。

圖7 ISENSE濾 波 波 形

2.8 逐個(gè)脈沖式電流限制

當(dāng)ISENSE腳電壓超過SOFTSTART腳電壓時(shí)，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(dòng)器LA、LB和LC。

2.9 換向控制

一臺(tái)三相直流無(wú)刷電機(jī)需要電子換向，以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。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(shí)現(xiàn)單一方向，由轉(zhuǎn)子的位置給出換向指令。要實(shí)現(xiàn)ML4435的電子換向，是通過適當(dāng)時(shí)序來(lái)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輸出組合（即六種開關(guān)狀態(tài)），如表3標(biāo)出的狀態(tài)A～狀態(tài)F，它們構(gòu)成一個(gè)完整的換向循環(huán)周期。這一開關(guān)時(shí)序被編程在圖8所示的換向狀態(tài)機(jī)中，該換向狀態(tài)機(jī)的時(shí)鐘是由VCO的輸出提供。

表3 6種換向控制狀態(tài)

圖8 換 向 狀 態(tài) 機(jī)

2. 10 壓 控 振 蕩 器

VCO在TACH（2腳 ） 輸 出 一TTL兼 容 的 時(shí) 鐘 脈表示驅(qū)動(dòng)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 ） 接 地 電 阻 和 CVCO（ 20腳 ） 接 地 電 容 器 來(lái) 設(shè) 定 。

圖9 VCO控制

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2～3.75V之間對(duì)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(duì)應(yīng)于TACH腳時(shí)鐘，也見圖9。當(dāng)VCO的輸入等于或稍小于6V時(shí)，KV被設(shè)定在VCO輸出頻率對(duì)應(yīng)于最大換向頻率fmax，即對(duì)應(yīng)于最大電機(jī)速度。CVCO和RVCO可由首次計(jì)算的fmax值來(lái)選擇：

fmax=0.05×nmax×N

2.11 TACH

TACH（2腳）輸出VCO頻率，它6倍于換向頻率。當(dāng)電機(jī)在最低轉(zhuǎn)速時(shí)（即SPEEDFB低于0?97V），TACH輸出還表示因TTL停留在高電平而使電機(jī)處于低轉(zhuǎn)速。

2.12 反電勢(shì)取樣器電路

輸入到VCO的SPEEDFB（18腳）受反電勢(shì)取樣器控制。反電勢(shì)傳感腳FBA、FBB、FBC輸入到反電勢(shì)取樣器，需要來(lái)自電機(jī)各相引線的信號(hào)，該信號(hào)低于ML4435的VCC值。相位傳感的輸入阻抗是8.7kΩ。如果電機(jī)電壓大于ML4435的VCC值，則需要串接電阻RFB到電機(jī)各相引線，見圖10。RFB可從圖11曲線選擇或利用下式算出：

RFB=8.7kΩ(VMOTOR/12－1)

圖10 反 電 勢(shì) 取 樣 器 電 路

圖11 RFB與VMOTOR（max） 相 應(yīng) 關(guān) 系

反電勢(shì)取樣器把電機(jī)各相電壓分壓為低于VCC=12V（正常值）的信號(hào)電壓，并由下述方程式計(jì)算電機(jī)的中性點(diǎn)電壓：

VNEUTRAL=(VFBA＋VFBB＋VFBC)/3。

這就允許ML4435能比較反電勢(shì)信號(hào)與電機(jī)中性點(diǎn)，而不需要從Y接繞組的電機(jī)中引出一信號(hào)線。對(duì)△接繞組的電機(jī)，因不存在物理中點(diǎn)，故必須計(jì)算該基準(zhǔn)參考點(diǎn)。

反電勢(shì)取樣器所獲電機(jī)相位，是未被驅(qū)動(dòng)時(shí)的值：也就是如果LA和HB均導(dǎo)通，那么相位A被驅(qū)動(dòng)為低電平，相位B被驅(qū)動(dòng)為高電平，相位C則被取樣。被取樣相位提供一個(gè)反電勢(shì)信號(hào)，它對(duì)照電機(jī)的中性點(diǎn)作比較。取樣器受換向狀態(tài)機(jī)器控制。取樣的反電勢(shì)經(jīng)一個(gè)誤差放大器與中性點(diǎn)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(shì)傳感的鎖相環(huán)換向控制

由換向狀態(tài)機(jī)、VCO、反電勢(shì)取樣器三者構(gòu)成一個(gè)鎖相環(huán)路，以使換向時(shí)鐘自動(dòng)跟蹤反電勢(shì)信號(hào)。完整的鎖相環(huán)路見圖12。該鎖相環(huán)需要一個(gè)超前—滯 后 濾 波 器 ， 它 由SPEED FB（18腳 ） 外 部 元 件 來(lái) 設(shè) 置 。

圖12 PLL鎖相環(huán)路

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