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

1、無(wú)傳感器的直流無(wú)刷電機(jī)控制器ML4435 及其應(yīng)用摘要：ML4435脈寬調(diào)制式電動(dòng)機(jī)控制器，為起動(dòng)和控制接或丫接繞組的直流無(wú)刷（LBDC）電機(jī)速度（無(wú)霍爾效應(yīng)傳感器）提供了所有必要的功能。 從電機(jī)繞組傳感的反電勢(shì)電壓，經(jīng)鎖相環(huán)可確定恰當(dāng)?shù)膿Q向相位時(shí)序。關(guān)鍵詞： 三相直流無(wú)刷電機(jī)；無(wú)傳感器；反電勢(shì)取樣器ML4435 是 2001 年 3 月最新推出的電機(jī)控制器專用 IC ， 屬于無(wú)傳感器型、 直流無(wú)刷（ BLDC）電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)， 它比 ML4425/ML4426 有新的改進(jìn)和簡(jiǎn)化， 外部引腳從 28 個(gè)減少到了 20 個(gè)， 同 樣集成了所有必要的自動(dòng)檢測(cè)和控制功能。圖 1是ML4435的外形引

2、腳圖，圖 2是它的內(nèi)部功能 方框。1ML4435 的主要特性及性能ML4435 的主要特性如下：專有的反電勢(shì)傳感換向技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)無(wú)霍爾效應(yīng)傳感器的電機(jī)通信；PWME個(gè)脈沖式電流限制，可保護(hù)電機(jī)和MOSFE工區(qū)動(dòng)器；可單臺(tái)工作；軟起動(dòng)功能可限制起動(dòng)電流；脈寬調(diào)制 PW城度控制可提高效率，并盡量減小MOSFEK寸；機(jī)載欠壓閉鎖和斷電檢測(cè)；電機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出傳感換向。ML4435 為三相直流無(wú)刷電機(jī)無(wú)傳感器型速度控制提供了所有的電路?？刂乒δ馨ǎ浩饎?dòng)電路、反電勢(shì)換向控制、脈寬調(diào)制PWM速度控制、逐個(gè)脈沖式電流限制、電機(jī)的慣性跟蹤、欠壓保護(hù)。1SKNSE ( lAtilf V| oii*RVC C)MK

3、AilL3RigirANDIMJTK：1網(wǎng)1 I RSl l HRI SUMMI H H flMPAKAHW2=0=- ri t M.4H -Kt L StRIJTRLNC eLJ,=JVRI J此前aajeoiaei) i- *ii r iH 2 V機(jī)推MJS Ml#i35叫皖學(xué)郴因f埠劉，未做除凈化*tJY；2ML443助能詳解2. 1ML4435的外部元件選擇外部元件的選擇需要根據(jù)電動(dòng)機(jī)的電氣參數(shù)和機(jī)械參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，下面列出計(jì)算所需的電機(jī)參數(shù)：最大直流電機(jī)電源電壓VMOTO RV); 最大工作電流 I max (A)；測(cè)量引線間的繞組電阻R1-1( Q); 磁極的數(shù)目N； 反電勢(shì)常數(shù) K

4、e(V s/rad)；電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)Kp (N m/A)；K。=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)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=(1210%) V,推薦在VCC卻與地之間接一 0. 1所 的旁路電容器，并盡量靠近VCC 端接地。在ML443吶部產(chǎn)生6V基準(zhǔn)電壓，它出現(xiàn)在RT腳，在該腳對(duì)地5只電阻可設(shè)定PWM5率。可用電位 器取代該電阻來(lái)設(shè)置速度指令(詳

5、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1M!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 o2.4三相橋式功率級(jí)的電流限制圖3中電流傳感電阻 Rens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Rens二端電壓超過19腳SOFTSTA

6、RT；置的電流限制門限電平，則電流調(diào)節(jié)是在PWM0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。Rense最大功耗見圖4。ft M31裝引膽功能1 符號(hào)1 電機(jī)電流傳感輸人端.帶人融過2 65 0. 55 的,它觸發(fā)逐個(gè)脈即式電施限制當(dāng)SPEED FH大干騙9TV時(shí),每個(gè)揍向同3 TACH 期時(shí)鐘蝙附6個(gè)沖.另外I虱川喻出任3資COMP速幽環(huán)料依冠件的接點(diǎn).4 ttvcn 設(shè)定UJ 率的外部電阻捶點(diǎn)5 WEED諛置電機(jī)速度的H流痛人瑞“T 外部電陰接詼卿到地，吃檸制比的15M6 HI特率ILAHHticLAI.HLt：FH XFH B電機(jī)“柑的高邊喻舟印加瑞信B 電機(jī)H機(jī)的高邊輸出曲幼翔

7、值號(hào) 電機(jī)C和的猛邊棉加非動(dòng)器信號(hào) 電源輸入端電機(jī)A相的低迫輸出物動(dòng)踞*號(hào) 電機(jī)B柑的處邊輸出噩動(dòng)器信號(hào) 也機(jī)C郴的低邊輸出驅(qū)動(dòng)器信號(hào) 電機(jī)A郴的反電將恃巧輸入甄 電機(jī)B福的反電售伍號(hào)哈人端16 nr I：電機(jī)（:程的運(yùn)電勢(shì)付丁輸入瑞17 c、n值號(hào)用電源的接地襦】帛SPEED *H反世勢(shì)佐憾補(bǔ)償元件的接點(diǎn)19 soT stAirr外郃軟起動(dòng)電容器的接.也，可改小起就電流諛置、co林率的外陸叱容器報(bào)點(diǎn)強(qiáng)迫曖20 CVCO 黨人端低于L51.也帙向停止.與使電機(jī) 跟蹤慣件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)11V電源電壓的內(nèi)部分壓器，見圖 5。

8、分壓器由兩只 225k Q電阻組成，它把電流限制門限電平設(shè)定在055V左右。可用外部分壓器或外部基準(zhǔn)來(lái)取代SOFTSTART勺設(shè)置，其電流大于內(nèi)部分壓器10倍?？稍?選擇斜升時(shí)間該腳對(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D 2ML4435的主要電氣參數(shù)(除另有說(shuō)明外.7a為工作溫及范用.Im = (1 10% ) 12 V, /?=50 1KT5.866.2VVCO偏低范闈時(shí) 偏高范BW0.2V6V較低門限電平2Vri“)較高門以電平 跟蹤*動(dòng)門限 電平3. 75V1.5V反電鑄消除門 限電f2.875V速度反饋輜出色06.7V最低相率電壓速度反饋電壓0.9V鞋出失效門限 電平T

9、ACII輸出二高0. 97反電勢(shì)取樣器電流速度眨用電壓 =3.3180反電勢(shì)傳感反饋輸人論用FB A. EBB ffl FBC 0乂 LVTACIITACH瑜出低 電平TACH輸出高入“二 1000.20.4V4.8也平/vH K 1 100從、4. 3V速度誤差放大器速度設(shè)定范困06V速度比較電流速度比較電壓 =5. 145g速收比較喻出 較低希位/ 2 t 45|i 2. 15V速度比較輸出8.2較高希0./二士 45pi 條件最小典型最大單位符號(hào) 參數(shù)Rense振蕩器1NY 糧串 XI. X2, X3172533klk占本比0100電流傳感技起動(dòng)電風(fēng)0.4ft 0. 5H 0. 6X%口

10、限電平0.5輸出低電* An* =。0,5iY喻出高電平,匐、0.5V 1-欠壓鎖定超向門來(lái)電平. 1 9. 29.7V.K%門限電平8.2 R.79電源八電源電漉15mA2.6RSens撥供與電機(jī)電流成比例的電壓，作電流限制。Rens端的失效閉鎖電壓是 0.6V ,它由SOFTSTART19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mQ級(jí)的電阻，應(yīng)盡力降低電感。其額定功率正比于功耗I max2RSENSEo2.7I SENSE濾波器I SENS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

11、限制的虛假觸發(fā)。此電路推薦的標(biāo)準(zhǔn)值R=1kQ, C=1000pF,可濾除窄于1 as的尖峰干擾。電容值不宜超過3300pF。濾波前后的波形見圖7圖4 R、.z的頻定功牽與電機(jī)電流的關(guān)系圖519腳的軟起動(dòng)功能2.8E軟盤動(dòng)尹H M網(wǎng)與致艇動(dòng)電客關(guān)系逐個(gè)脈沖式電流限制sense腳電壓超過SOFTSTARt，電壓時(shí)，電流限制電路被激活，它在PWN倜期的剩余階段關(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

12、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。用X 柒向狀態(tài)枇h神模向控制狀毒6腫 狀塞海出中動(dòng)案LAIBucHA麗阮A(yù)低低低1條K低限高| K ：*島C高(11低A假高高帳假備高f低E徵A1ftA高低F假g低, -高2.10壓控振蕩器VCO在TACH2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SPEEDFB（ 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RVCO4腳）地電阻和CVC。2

13、0 腳）接地電器來(lái)設(shè)定。RVCO設(shè)定的電流正比于 VC的入電壓SPEEDFBM去0.7V。該電流用于門限電壓在 23.75V之間對(duì)CVC電和放電，見圖 9。RVCO艮制在0.2V較低電壓。這導(dǎo)致 CVCO勺三角波形 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。 CVCOF口 RVCOM由首次計(jì)算的f max值來(lái)選擇：f max=0.05 X nmaxX NTACHI （2腳）輸出VCO1率，它6倍于換向頻率。當(dāng)電機(jī)在最低轉(zhuǎn)速時(shí)（即SPEEDF日氐于097V） , TACHW出還表示因TTL

14、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SPEEDFB18腳）受反電勢(shì)取樣器控制。反電勢(shì)傳感腳FBA FBR 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8.7k Q。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。Rb可從圖11曲線選擇或利用下式算出：RFB=8.7k Q （VMok/12 1）反電勢(shì)取樣器把電機(jī)各相電壓分壓為低于VC=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：VNeUTRA=（ VFba+ VBEB-p VzBC

15、）/3 o田Hi通電強(qiáng)氫作:H電毯履I I 格E。J相應(yīng)關(guān)系這就允許 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SPEEDFB18腳），它向VC巡供電壓。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)

16、、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)超前一滯后濾波器，它由 SPEEDFB18腳）外部元件來(lái)設(shè)置 。與12 P1.Im抽壞兩2.14 電機(jī)的起動(dòng)當(dāng)電源首先加到 ML4435時(shí)，電機(jī)處于靜止，故反電勢(shì)等于零。電機(jī)需要轉(zhuǎn)動(dòng)，以使反電勢(shì)取樣器自動(dòng)跟蹤電機(jī)位置，并使電機(jī)換向。ML4435用最低的VCO1率開始使電機(jī)換向。該低頻換向由RVCOh的0 2V箝位設(shè)定，這就提供一為fmax/30的換向頻率。2.15 轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)在反電勢(shì)傳感后，PLL自動(dòng)跟蹤電機(jī)位置，電機(jī)則按閉合環(huán)路控制轉(zhuǎn)動(dòng)。在這一點(diǎn)上,速度控制環(huán)應(yīng)迫使電機(jī)速度相應(yīng)于S

17、PEEDSE詫壓設(shè)置的速度。2.16PWM速度控制速度控制是由在 SPEEDSET5腳）設(shè)置的速度指令來(lái)完成的，該腳輸入電壓為0.26V。速度指令的精度由外部元件RVc環(huán)口 Gc抽定。控制ML4435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(dòng)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(zhǔn)。RT電壓應(yīng)經(jīng)緩沖器接外部電路。經(jīng)跨導(dǎo)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 SPEEDCOMP3腳），它被箝位在8.22.2V之間。8 2V信號(hào)與全 PWMfe空比相對(duì)應(yīng)，而 2.

18、2V則對(duì)應(yīng)0%占空比。速度環(huán)路補(bǔ)償元件接該腳，見圖13。可用下式來(lái)計(jì)算補(bǔ)償元件：1* 44 * * Ac X 1Mlim x Ktc.” * Lin式中：freq是速度環(huán)路的帶寬（HZ）圖13中3壓電壓與三角波振蕩器比較，產(chǎn)生一PWM占空比。PWMB蕩器產(chǎn)生一個(gè) 37V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(shè)定。Rt可由圖14曲線來(lái)選擇。來(lái)自速度控制環(huán)的 PWM占空比，選通逐個(gè)脈沖式電流限制電路，以控制輸出驅(qū)動(dòng)器LA、LB、LCo2.17 慣性跟蹤當(dāng)CVCO（20腳）被拉低到1 5V時(shí)，6路輸出驅(qū)動(dòng)器均關(guān)斷。慣性跟蹤C(jī)OAS也能切斷所有的電源使電機(jī)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(guān)或由圖 15中20腳的接地的開路集電極接地的開關(guān)管來(lái)驅(qū)動(dòng)。田I ft 。IE V * *叫相住左系比惶2.18 欠壓保護(hù)欠壓