無傳感器的直流無刷電機控制器ML4435及其應用
2022-06-17
無傳感器的直流無刷電機控制器ML4435及其應用??
摘要：ML4435脈寬調(diào)制式電動機控制器，為起動和控制△接或Y接繞組的直流無刷（LBDC）電機速度（無霍爾效應傳感器）提供了所有必要的功能。從電機繞組傳感的反電勢電壓，經(jīng)鎖相環(huán)可確定恰當?shù)膿Q向相位時序。
關鍵詞：三相直流無刷電機；無傳感器；反電勢取樣器
Sensorless BLDC Motor Controller ML4435 and Its ApplicaTIons
LIU Sheng-li, LIU Ning-ning
Abstract:The ML4435 PWM motor controller provides all of the funcTIon necessary for starTIng and controlling the speed of delta or wye wound brushless DC motors without Hall Effect sensors.Back EMF voltage is sensed from motor windings to determin the proper commutaTIon phas sequence using a phase locked loop(PLL).
Keywords:Three-phase BLDC motors;Sensorless;Back EMF sampler?
??? ML4435是2001年3月最新推出的電機控制器專用IC，屬于無傳感器型、直流無刷（BLDC）電動機控制系統(tǒng)，它比ML4425/ML4426有新的改進和簡化，外部引腳從28個減少到了20個，同樣集成了所有必要的自動檢測和控制功能。圖1是ML4435的外形引腳圖，圖2是它的內(nèi)部功能方框。
圖1?? ML4435外 形 引 腳 圖
圖2?? 電 機 控 制 器ML4435內(nèi) 部 功 能 方 框 圖 （ 原 圖 ， 未 做 標 準 化 處 理 ）
1?? ML4435的主要特性及性能
??? ML4435的主要特性如下：
??? ——專有的反電勢傳感換向技術(shù)，以實現(xiàn)無霍爾效應傳感器的電機通信；
??? ——PWM逐個脈沖式電流限制，可保護電機和MOSFET驅(qū)動器；
??? ——可單臺工作；——軟起動功能可限制起動電流；
??? ——脈寬調(diào)制PWM速度控制可提高效率，并盡量減小MOSFET尺寸；
??? ——機載欠壓閉鎖和斷電檢測；
??? ——電機的轉(zhuǎn)速輸出傳感換向。
??? ML4435為三相直流無刷電機無傳感器型速度控制提供了所有的電路?？刂乒δ馨ǎ浩饎与娐?、反電勢換向控制、脈寬調(diào)制PWM速度控制、逐個脈沖式電流限制、電機的慣性跟蹤、欠壓保護。
??? 電機的起動是通過電機換向來完成的，它在低頻下產(chǎn)生低速運動。低速運動用以產(chǎn)生一個反電勢信號。反電勢取樣電路自動跟蹤電機的位置，并由一個鎖相環(huán)（PLL）控制換向時間。換向控制電路還輸出一個速度反饋信號，用于速度控制環(huán)。速度控制環(huán)由誤差放大器和PWM比較器組成，它產(chǎn)生一個PWM占空比作速度調(diào)節(jié)控制。
??? 電機的電流受限于逐個脈沖式PWM關閉比較器，它由外部電流傳感電阻器兩端的電壓來關閉。換向控制、PWM速度控制和電流限制綜合產(chǎn)生輸出驅(qū)動器信號。六路輸出驅(qū)動器用于提供柵極信號給外部三相橋功率級，以適應LBDC直流無刷電機的電壓和電流的要求。
??? 附加的功能包括：電機的慣性跟蹤功能與欠壓閉鎖輸出電路，一旦加到ML4435的電壓VCC過低時，可關閉輸出驅(qū)動器。ML4435的各引腳功能見表1，主要電氣參數(shù)見表2。
表2?? ML4435的主要電氣參數(shù)
〔除另有說明外，Ta為工作溫度范圍，VCC=（1±10％）12V，RT=50kΩ〕
符號
參數(shù)
條件
最小
典型
最大
單位
基準電壓
RT
5.8
6
6.2
V
VCO
RVCO
偏低范圍時
0.2
V
偏高范圍時
6
V
CVCO
較低門限電平
2
V
較高門限電平
3.75
V
跟蹤啟動門限電平
1.5
V
反電勢消隱門限電平
2.875
V
速度反饋
輸出范圍
0
6.7
V
最低頻率電壓
速度反饋電壓
0.9
V
輸出失效門限電平
TACH輸出=高
0.97
V
反電勢取樣器電流
速度反饋電壓=3.3V
±80
μA
反電勢傳感
反饋輸入范圍
FBA,FBB和FBC
0
VCC
V
TACH
TACH輸出低電平
ISINK=100μA
0.2
0.4
V
TACH輸出高電平
ISOURCE=100μA
4.3
4.8
V
速度誤差放大器
速度設定范圍
0
6
V
速度比較電流
速度比較電壓=5.1V
±45
μA
速度比較輸出較低箝位
I=±45μA
2.15
V
速度比較輸出較高箝位
I=±45μA
8.2
V
振蕩器
PWM頻率
N1,N2,N3
17
25
33
kHz
占空比
N1,N2,N3
0
100
％
電流傳感
軟起動電壓
0.48
0.58
0.68
V
ISENSE
門限電平
0.58
V
輸出（N1，N2，N3，P1，P2，P3）
輸出低電平
ISINK=20mA
0
0.5
1
V
輸出高電平(VCC－Vout)
ISOURCE=20mA
0
0.5
1
V
欠壓鎖定
起動門限電平
8.7
9.2
9.7
V
欠壓門限電平
8.2
8.7
9.2
V
電源
ICC
電源電流
15
mA
表1?? ML4435引腳功能
引腳
符號
功能
1
ISENSE
電機電流傳感輸入端，當Isense超過0?55V時，它觸發(fā)逐個脈沖式電流限制
2
TACH
當SPEEDFB大于0?97V時，每個換向周期時鐘輸出6個脈沖，另外TACH輸出在5V
3
SPEEDCOMP
速度環(huán)補償元件的接點
4
RVCO
設定VCO頻率的外部電阻接點
5
SPEEDSET
設置電機速度的直流輸入端
6
RT
外部電阻接該腳到地，以控制IC的PWM頻率
7
HA
電機A相的高邊輸出驅(qū)動器信號
8
HB
電機B相的高邊輸出驅(qū)動器信號
9
HC
電機C相的高邊輸出驅(qū)動器信號
10
VCC
電源輸入端
11
LA
電機A相的低邊輸出驅(qū)動器信號
12
LB
電機B相的低邊輸出驅(qū)動器信號
13
LC
電機C相的低邊輸出驅(qū)動器信號
14
FBA
電機A相的反電勢信號輸入端
15
FBB
電機B相的反電勢信號輸入端
16
FBC
電機C相的反電勢信號輸入端
17
GND
信號和電源的接地端
18
SPEEDFB
反電勢傳感補償元件的接點
19
SOFTSTART
外部軟起動電容器的接點，可減小起動電流
20
CVCO
設置VCO頻率的外部電容器接點。強迫該輸入端低于1?5V，使換向停止，并使電機跟蹤慣性
2?? ML4435功 能 詳 解
2. 1?? ML4435的 外 部 元 件 選 擇
??? 外 部 元 件 的 選 擇 需 要 根 據(jù) 電 動 機 的 電 氣 參 數(shù) 和 機 械 參 數(shù) 進 行 計 算 ， 下 面 列 出 計 算 所 需 的 電 機 參 數(shù) ：
??? — —最 大 直 流 電 機 電 源 電 壓VMOTOR（V） ；
??? — —最 大 工 作 電 流Imax（A） ；
??? — —測 量 引 線 間 的 繞 組 電 阻R1-1(Ω)；
??? — —磁 極 的 數(shù) 目N；
??? — —反 電 勢 常 數(shù)Ke(V·s/rad)；
??? — —電 機 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 和 其 負 載 的 轉(zhuǎn) 動 慣 量J（kg·m2） ；
??? — —電 機 和 其 負 載 的 粘 滯 阻 尼 因 數(shù) ξ 。
??? 若 上 述 數(shù) 值 有 幾 個 不 知 道 ， 仍 能 通 過 實 驗 來 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 用 的 起 點 。 可 選 用 最 靠 近 近 似 計 算 結(jié) 果 的 標 準 值 元 件 。
2. 2?? 電 源 和 芯 片 電 壓 基 準
??? 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 電 壓 ， 它 出 現(xiàn) 在RT腳 ， 在 該 腳 對 地 接 一 只 電 阻 可 設 定PWM頻 率 。 可 用 電 位 器 取 代 該 電 阻 來 設 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 算 放 大 器 作 該 腳 的 緩 沖 器 。
2. 3?? 輸 出 驅(qū) 動 器
??? 輸 出 驅(qū) 動 器LA、LB、LC和HA、HB、HC為 三 相 橋 功率級提供圖騰柱式輸出驅(qū)動信號。ML4435的全部控制功能都從這6個腳輸出。其中LA、LB、LC分別為三相功率極的A、B、C提供低邊驅(qū)動信號，其有效高電平信號為12V。而HA、 HB、 HC分別為三相功率級的A、B、C相提供高邊驅(qū)動信號，其有效低電平信號為12V。
2.4?? 三相橋式功率級的電流限制
??? 圖3中電流傳感電阻RSENSE安設在三相功率級，可調(diào)節(jié)功率級和直流無刷電機的最大電流。如RSENSE二端電壓超過19腳SOFTSTART設置的電流限制門限電平，則電流調(diào)節(jié)是在PWM周期的剩余段關斷輸出驅(qū)動器LA、LB、LC來實現(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 電 流 的 關 系
2.5?? 軟起動
??? SOFTSTART（19腳）上電壓設定電流限制門限電平。ML4435有一個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定在0?55V左右?？捎猛獠糠謮浩骰蛲獠炕鶞蕘砣〈鶶OFTSTART的設置，其電流大于內(nèi)部分壓器10倍?？稍谠撃_對地接一只電容器，作功率上升時電流限制的軟斜升?？捎脠D6選擇斜升時間。
圖5?? 19腳 的 軟 起 動 功 能
圖6?? 軟 起 動 斜 升 時 間 與 軟 起 動 電 容 關 系
2.6?? RSENSE
??? RSENSE提供與電機電流成比例的電壓，作電流限制。RSENSE端的失效閉鎖電壓是0.6V，它由SOFTSTART（19腳）設定。電流傳感電阻應是低電感的，例如碳膜電阻。用線繞mΩ級的電阻，應盡力降低電感。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RC低通濾波器，以消除電流傳感信號前沿的尖峰電壓，它由二極管反向恢復時的穿透電流引起。若無該濾波器會出現(xiàn)電流限制的虛假觸發(fā)。此電路推薦的標準值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?? 逐個脈沖式電流限制
??? 當ISENSE腳電壓超過SOFTSTART腳電壓時，電流限制電路被激活，它在PWM周期的剩余階段關閉驅(qū)動器LA、LB和LC。
2.9?? 換向控制
??? 一臺三相直流無刷電機需要電子換向，以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動。電子換向要求開通和關斷三相半橋式功率開關。為了讓轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)單一方向，由轉(zhuǎn)子的位置給出換向指令。要實現(xiàn)ML4435的電子換向，是通過適當時序來開通和關斷一相低輸出L和另一相高輸出H。總共存在六種L和H輸出組合（即六種開關狀態(tài)），如表3標出的狀態(tài)A～狀態(tài)F，它們構(gòu)成一個完整的換向循環(huán)周期。這一開關時序被編程在圖8所示的換向狀態(tài)機中，該換向狀態(tài)機的時鐘是由VCO的輸出提供。
表3?? 6種換向控制狀態(tài)
6種狀態(tài)
輸出驅(qū)動器
LA
LB
LC
HA
HB
HC
A
低
低
高
低
HIGH
高
B
低
低
高
高
低
高
C
高
低
低
高
低
高
D
高
低
低
高
高
低
E
低
高
低
高
高
低
F
低
高
低
低
高
高
圖8?? 換 向 狀 態(tài) 機
2. 10?? 壓 控 振 蕩 器
??? VCO在TACH（2腳 ） 輸 出 一TTL兼 容 的 時 鐘 脈表示驅(qū)動器導通沖 ， 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 設 定 。
圖9?? VCO控制
??? RVCO設定的電流正比于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CVCO充電和放電，見圖9。RVCO限制在0.2V較低電壓。這導致CVCO的三角波形對應于TACH腳時鐘，也見圖9。當VCO的輸入等于或稍小于6V時，KV被設定在VCO輸出頻率對應于最大換向頻率fmax，即對應于最大電機速度。CVCO和RVCO可由首次計算的fmax值來選擇：
fmax=0.05×nmax×N
2.11?? TACH
??? TACH（2腳）輸出VCO頻率，它6倍于換向頻率。當電機在最低轉(zhuǎn)速時（即SPEEDFB低于0?97V），TACH輸出還表示因TTL停留在高電平而使電機處于低轉(zhuǎn)速。
2.12?? 反電勢取樣器電路
??? 輸入到VCO的SPEEDFB（18腳）受反電勢取樣器控制。反電勢傳感腳FBA、FBB、FBC輸入到反電勢取樣器，需要來自電機各相引線的信號，該信號低于ML4435的VCC值。相位傳感的輸入阻抗是8.7kΩ。如果電機電壓大于ML4435的VCC值，則需要串接電阻RFB到電機各相引線，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 取 樣 器 電 路
圖11?? RFB與VMOTOR（max） 相 應 關 系
??? 反電勢取樣器把電機各相電壓分壓為低于VCC=12V（正常值）的信號電壓，并由下述方程式計算電機的中性點電壓：
??? VNEUTRAL=(VFBA＋VFBB＋VFBC)/3。
??? 這就允許ML4435能比較反電勢信號與電機中性點，而不需要從Y接繞組的電機中引出一信號線。對△接繞組的電機，因不存在物理中點，故必須計算該基準參考點。
??? 反電勢取樣器所獲電機相位，是未被驅(qū)動時的值：也就是如果LA和HB均導通，那么相位A被驅(qū)動為低電平，相位B被驅(qū)動為高電平，相位C則被取樣。被取樣相位提供一個反電勢信號，它對照電機的中性點作比較。取樣器受換向狀態(tài)機器控制。取樣的反電勢經(jīng)一個誤差放大器與中性點比較。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?? 反電勢傳感的鎖相環(huán)換向控制
??? 由換向狀態(tài)機、VCO、反電勢取樣器三者構(gòu)成一個鎖相環(huán)路，以使換向時鐘自動跟蹤反電勢信號。完整的鎖相環(huán)路見圖12。該鎖相環(huán)需要一個超前—滯 后 濾 波 器 ， 它 由SPEED FB（18腳 ） 外 部 元 件 來 設 置 。
圖12?? PLL鎖相環(huán)路
2.14?? 電機的起動
??? 當電源首先加到ML4435時，電機處于靜止，故反電勢等于零。電機需要轉(zhuǎn)動，以使反電勢取樣器自動跟蹤電機位置，并使電機換向。ML4435用最低的VCO頻率開始使電機換向。該低頻換向由RVCO上的0?2V箝位設定，這就提供一為fmax/30的換向頻率。
2.15?? 轉(zhuǎn)動狀態(tài)
??? 在反電勢傳感后，PLL自動跟蹤電機位置，電機則按閉合環(huán)路控制轉(zhuǎn)動。在這一點上，速度控制環(huán)應迫使電機速度相應于SPEEDSET電壓設置的速度。
2.16?? PWM速度控制
??? 速度控制是由在SPEEDSET（5腳）設置的速度指令來完成的，該腳輸入電壓為0.2～6V。速度指令的精度由外部元件RVCO和CVCO確定?？刂芃L4435的速度指令有幾種方法：其一是用一電位器接在RT與地之間，而將滑動觸頭接在SPEEDSET。若用微處理器控制5腳，則可用RT作數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）輸入基準。RT電壓應經(jīng)緩沖器接外部電路。經(jīng)跨導誤差放大器，速度指令與比SPEEDFB（18腳）低0?7V的傳感速度相比較。速度誤差放大器的輸出端是SPEEDCOMP（3腳），它被箝位在8.2～2.2V之間。8?2V信號與全PWM占空比相對應，而2?2V則對應0％占空比。速度環(huán)路補償元件接該腳，見圖13?？捎孟率絹碛嬎阊a償元件：
??? CSC2=
??? RSC=
??? CSC1=10×CSC2
式中：freq是速度環(huán)路的帶寬（Hz）。
圖13??? PWM振 蕩 器 電 路
??? 圖13中3腳電壓與三角波振蕩器比較，產(chǎn)生一PWM占空比。PWM振蕩器產(chǎn)生一個3～7V的三角波函數(shù)，而三角波振蕩器頻率由RT（6腳）的接地電阻設定。RT可由圖14曲線來選擇。來自速度控制環(huán)的PWM占空比，選通逐個脈沖式電流限制電路，以控制輸出驅(qū)動器LA、LB、LC。
圖 14??? RT與 PWM頻 率 的 相 應 關 系 曲 線
2.17?? 慣性跟蹤
??? 當CVCO（20腳）被拉低到1?5V時，6路輸出驅(qū)動器均關斷。慣性跟蹤COAST功能切斷所有的電源使電機隨慣性至停止。20腳的慣性跟蹤功能見圖15，它可由一只接地開關或由圖15中20腳的接地的開路集電極接地的開關管來驅(qū)動。
圖 15??? 慣 性 跟 蹤 控 制
2.18??? 欠壓保護
??? 欠壓保護用于保護低VCC狀況下的三相功率級。欠壓保護是在 VCC=9.2V或更低時被啟動。欠壓保護也關斷全部輸出驅(qū)動器LA、LB、LC和HA、HB、HC。啟動過電壓的比較器具有500mV的滯后。
2.19?? 輸出驅(qū)動器到三相橋功率級的接口電路
??? 大多數(shù)靈活的電路結(jié)構(gòu)，是采用高邊驅(qū)動器來控制N溝道MOSFET或IGBT，它允許的應用范圍是12～170V。
3?? 的典型應用電路
??? 圖16給出了典型應用中的ML4435及所有支持電路，圖17則給出了采用IR公司的IR2118作高邊驅(qū)動器的功率級電路和高壓MOSFET。
圖16?? ML4435的典型外圍應用電路（原圖，未做標準化處理）
圖17?? ML4435的外部功率級電路（原圖，未做標準化處理）
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