无传感器的直流无刷电机控制器ML4425及其应用(

2011-05-23 11:57:28来源: 互联网

摘要:介绍了ML4425脉宽调制电机控制器的功能及其应用

关键词:三相直流无刷电机;无传感器;反电势取样器;锁相环

 

1  引言

    ML4425脉宽调制控制器具有为起动和控制△接或Y接无刷直流(BLDC)电机速度所需要的全部功能,并且不用霍尔传感器。从电机绕组传感的反电势电压信号,利用锁相环(PLL)即可确定正确的换向时序,这一获专利的传感技术可以在宽范围内使三相无刷电机换向,并且对PWM噪声和电机缓冲电路的干扰不敏感。

    ML4425利用恒定的停歇时间PWM控制环路,限制电机的工作电流。其速度环是由机载放大器控制。ML4425电路能保证没有穿透电流干扰而直接驱动外部功率MOSFET。起动程序的定时由三个可供选择的定时电容器来确定。这就使大范围变化的电机和负载能够处于最佳状态。

    ML4425的主要性能如下:

    1)可独立工作;

    2)通过IC控制电机的起动和停止;

    3)机载起动时序为校准→斜升→设定速度;

    4)获专利的反电势换向技术为最短的“自转”时间提供了无抖动转矩;

    5)具有机载速度控制环;

    6)用于换向的锁相环PLL可对PWM产生的尖峰脉冲噪声的抗干扰创造条件,其作用与噪声传感过零技术相似;

    7)PWM控制可得到最高效率;

    8)MOSFET直接驱动12V电机;驱动高压电机需要用IR、IXYS、Harris、PowerIntegration、Siliconix等公司生产的IC缓冲器。

2  ML4425的结构与参数

2.1  ML4425的结构

    ML4425有二种封装型式,其引脚排列如图1所示。它们的内部功能方框图如图2(以28引脚为例)所示。

(a)窄形28脚

(b)方形32脚

图1  ML4425集成电路两种封装型式

图2  ML4425电机控制器内部功能框图

    ML4425各引脚功能如下(以28引脚为例,脚号后括号内数字为32脚的脚号)。

    脚1(30)ISENSE:电机的电流传感输入端。当ISENSE超过0.2×ILIMIT时,三路输出驱动器LA、LB、LC均被关闭一个固定时间(由CIOS电容量确定)。

    脚2(31)HA:A相高边开关的有源低输出驱动器。

    脚3(32)HB:B相高边开关的有源低输出驱动器。

    脚4(1)HC:C相高边开关的有源低输出驱动器。

    脚5(3)SPEED COMP:是速度控制环的补偿端,它由接在SPEED COMP脚与地端之间的串联的电阻器和电容器来设置。

    脚6(4)CT:一只电容器接CT与地之间,可设定PWM振荡器频率。

    脚7(5)VREF:6.9V基准参考电压输出。

    脚8(6)SPEED SET:速度控制环输入端,变化范围从0(停机)到VREF(最大速度)。

    脚9(7)LA:A相低边开关的有源高输出驱动器。

    脚10(8)LB:B相低边开关的有源高输出驱动器。

    脚11(9)LC:C相低边开关的有源高输出驱动器。

    脚12(10)ILIMIT:该脚电压把ISENSE的门限电压设定在0.2×ILIMIT,该脚空悬不接,自动选IC内部的置位门限电平。

    脚13(11)VCO/TACH:该脚的TTL输出电平对应于时钟信号用在换向状态机器。当反电势传感电路跟踪转子位置时,其输出频率与电机速度成比例。

    脚14(12)VDD:12V电源电压输入端。

    脚15(15)CVCO:该脚对地接一只电容器,可设定压控振荡器(VCO)的压-频比率。

    脚16(16)RVCO:该脚对地接一只电阻器,可设置一与VCO输入电压成比例的电流。

    脚17(17)CAT:该脚对地接一只电容器,可设定控制器保持在校准状态的时间。

    脚18(18)UV FAULT:当VDD降低到UVLO欠压锁定门限电平时,该脚输出电平变为最低,表示所有的输出驱动器均已失效。

    脚19(19)CRT:该脚对地接一只电容器,可设定控制器保持在斜升状态的时间。

    脚20(20)SPEED FB:反电势取样电路的输出端和VCO的输入端,一个RC网络接在SPEED FB端,可设置对锁相环路(PLL)的补偿,该PLL电路由反电势取样电路、VCO和换向状态机器构成。

    脚21(21)CRR:当控制器处于斜升状态时,在CRR与SPEED FB两端之间接一只电容器,可设定电机的斜升速率(即加速度)。

    脚22(22)FB-A:通过在该脚上的传感反电势的电阻分压器,监视A相的电机反馈电压。

    脚23(23)FB-B:通过在该脚上的传感反电势的电阻分压器,监视B相的电机反馈电压。

    脚24(24)FB-C:通过在该脚上的传感反电势的电阻分压器,监视C相的电机反馈电压。

    脚25(25)BRAKE:一个逻辑低电平输入使电机制动,它是通过关断高边输出驱动器和接通低边输出驱动器来实现的。

    脚26(26)CIOS:该脚对地接一只电容器,可设置在ISENSE超过它的门限电平之后,低边输出驱动器仍然保持关断的时间。

    脚27(27)RREF:该脚对地接一只137kΩ的电阻器,可设置与VREF成比例的电流,它用于为IC内部设定所有的偏置电流(除VCO之外)。

    脚28(28)GND:信号地与功率地端。

2.2  ML4425的参数

2.2.1  ML4425极限值(绝对最大额定值)

    权限值是指器件的应力额定值,一旦超过可能导致器件永久性损坏,它们并非器件的工作参数。

    电源电压(脚14)VDD:14V;

    逻辑输入(SPEED FB,BRAKE):(GND-0.3)~7V;

    所有其它输入和输出:(GND-0.3)~(VDD+0.3);

    输出电流(LA、LB、LC、HA、HB、HC):±50mA;

    结温:150℃;

    储存温度:-65℃~150℃;

    引脚焊接温度:260℃(10s内)。

2.2.2  ML4425的运行条件

    温度范围  ML4425GX 0~70℃;

              ML4425IX -40~85℃。

    VDD        10.8~13.2V。

2.2.3  ML4425的电特性

    ML4425的电气参数如表1所列。

表1  ML4425电气参数

除非另有说明,通常VDD=12V±10%,RSENSE=1Ω,CVCO=10nF,CIOS=100pF,RREF=137kΩ,TA=工作温度(注1,注2)。

注1:限制的保证是作100%测量,取样或在最坏测试条件下调节。

注2:关于状态的解释参见图4和表2。

注3:脚BRAKE和脚UV FAULT在IC内部均有一只4kΩ电阻器接到基准电压。

3  ML4425的功能原理

    ML4425为无传感器型速度控制的三相BLDC直流无刷电动机提供了全部电路。控制器的功能包括:起动电路、反电动势换向控制、脉宽调制PWM的速度控制、固定的停歇时间电流限制、制动、欠压保护。

    起动电路把电机校准在已知位置,随后斜升电机速度产生一个反电势信号。通过构成的一个锁相环路,反电势取样电路可控制换向时间。换向控制电路又输出一个速度反馈(SPEEDFB)信号,用于速度控制回路。速度控制回路由一个误差放大器和PWM比较器组成,它产生一个PWM占空比调节速度。电机电流由一个固定停歇时间PWM关闭比较器来限制,它受控于外部传感电阻器。

    换向控制、PWM速度控制和电流限制共同结合,产生输出驱动器信号。六路输出驱动器用于提供选通信号给外部三相桥式功率级,按直流无刷电机的电压和电流要求进行测量。其它功能包括:制动功能和欠压保护电路。一旦ML4425供电VDD变为低压时,可关闭输出驱动器。

3.1  元件的选择

    选择IC外部元件需要根据电机的电气参数和机械参数作一些计算。下面列出这些计算需要的电机参数:

    直流电机电源电压    VMOTOR(V);

    最大工作电流    IMAX(A);

    磁极的数目    N

    反电势常数    KeV-S/Rad);

    电机的转矩常数    Kt(N·m/A)(Kt=Ke,单位SI);

    最大运行速度    RPMMAX(r/min);

    电机和负载的转动惯量    J(kg·m2);

    电机和负载的粘滞阻尼因数    ξ

    如果不知道上述一个值或几个值,仍然可能得到合适的ML4425外部元件数值,但需要做一些实验来确定其最佳值。除非另有特殊说明,所有的数量单位都用SI。下面的公式应考虑最佳起始点。所有计算的电容器和电阻器,都应采用最接近标准值的第一个近似值作为选择。

3.2  电源和基准参考电压

    电源电压VDD通常为12V±10%。应尽量靠近VDD端对地接一只100nF旁路电容器。提供6.9V电压基准输出VREF,来设置ML4425的速度指令和电流限制。需要在RREF端对地接一只137kΩ电阻器,为IC内部功能建立一个基准电流。

3.3  输出驱动器

    输出驱动器LA、LB、LC和HA、HB、HC为三相桥式功率级提供图腾柱式输出驱动信号。ML4425中所有的控制功能,都传送到这些引脚输出。其中LA、LB、LC为三相功率级的A、B、C相提供低边驱动信号,并以12V为有效高电平信号。而HA、HB、HC为A、B、C相提供高边驱动信号,并以12V为有效低电平信号。

3.4  功率级的电流限制

    电流传感电阻器RSENSE如图3所示,它可调节功率级和直流无刷电机的最大电流。如果RSENSE两端的电压超过电流限制门限电平,则可通过把输出驱动器LA、LB和LC关断一定的时间,来实现电流的调节。

图3  在三相12V功率级中使用传感电阻器RSENSE

    1)ILIMIT  在ILIMIT脚上的电压设定了电流限制门限电平。

    ML4425内部有一个从VREF接地的分压器,它设定了一个2?3V的误差电流限制门限电平,见图4。以VREF为基准的外部分压器,可用于拒绝错误的ILIMIT设置。外部分压器的电流至少应比内部分压器电流大10倍。

图4  电流传感电路

    2)RSENSE  RSENSE的功能是提供一个与电机电流成正比的电压,以设定电流限制跳闸断开点。RSENSE两端错误跳闸电压是460mV,它由内部ILIMIT分压比来设定。电流传感电阻器应是低电感量的电阻器,如碳膜成分组成。对毫欧姆范围的电阻器,用导线卷绕的电阻应具有低值电感。

    3)ISENSE滤波器  接ISENSE脚的RC低通滤波器与电流传感信号相串联,见图4。设置该滤波器是为去除二极管反向恢复时的穿透电流。该电流在电流传感信号的前沿引起一个电压尖峰,可能会误触发电流限制电路。在滤波器前、后的电流传感电压波形见图5。该电路推荐的初值为R=1kΩ、C=300pF,这就给出了时间常数330ns,它将滤除更短持续时间里的输出尖峰。也可增大电容器到C=2.2nF,但时间常数不应超过几个微秒。

(a)无滤波时        (b)经滤波后

图5  电流传感电阻器波形

    4)CIOS   ISENSE超过0.2×ILIMIT时,电流限制一次性触发功能起作用,它将在一个固定的时间(tOFF)内关断LA、LB和LC。tOFF由接到CIOS脚的电容设定。通常CIOS设置一个等于或小于脉宽调制周期的固定的停歇时间。当PWM的频率为25kHz时,PWM的周期为40μs,则tOFF应在20μs~40μs之间。对tOFF的较低限制,是由功率级的最小导通时间决定的,故安全的近似值是5μs或更小些。求解CIOS电容量的方程为:

      CIOS=(tOFF×50μA)24V=100pF(1)

3.5  换向控制

    三相直流无刷电机需要电子换向以实现旋转式运动。电子换向则需要三相半桥式功率开关轮流导通和截止。为了实现在一个方向上产生转矩,换向是由转子的位置决定的。ML4425中的电子换向是按恰当的时序,通过接通和关断一相中的N输出和另一相的P输出来完成的。

    N沟道管输出和P沟道管输出,共有6个组合(6种开关状态),它们构成了一个完整的换向循环周期。这6种组合在图6和表2中予以说明,并用状态A、B、C、D、E、F分别作标记。该时序已编程在换向状态机器中。换向状态机器的时钟脉冲是由VCO压控振荡器来提供的。

图6  输出换向时序的定时波形

(循环周期1:完整的换向;循环周期2:按50%PWM占空比换向)

表2  ML4425的6种换向状态功能

状态 输出 输入取样
LA LB LC HA HB HC
R OFF ON OFF ON OFF ON N/A
A OFF OFF ON ON OFF OFF FBB
B OFF OFF ON OFF ON OFF FBA
C ON OFF OFF OFF ON OFF FBC
D ON OFF OFF OFF OFF ON FBB
E OFF ON OFF OFF OFF ON FBA
F OFF ON OFF ON OFF OFF FBC

关键字:电机控制器  应用

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0523/article_8991.html
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