無傳感器的直流無刷電機(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Y接繞組的直流無刷（LBDC）電機(jī)速度（無霍爾效應(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：三相直流無刷電機(jī)；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(jī)控制器專用IC，屬于無傳感器型、直流無刷（BLDC）電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，它比ML4425/ML4426有新的改進(jìn)和簡化，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(jī) 控 制 器ML4435內(nèi) 部 功 能 方 框 圖 （ 原 圖 ， 未 做 標(biāo) 準(zhǔn) 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(shí)現(xiàn)無霍爾效應(yīng)傳感器的電機(jī)通信；

??? ——PWM逐個(gè)脈沖式電流限制，可保護(hù)電機(jī)和MOSFET驅(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PWM速度控制可提高效率，并盡量減小MOSFET尺寸；

??? ——機(jī)載欠壓閉鎖和斷電檢測；

??? ——電機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出傳感換向。

??? ML4435為三相直流無刷電機(jī)無傳感器型速度控制提供了所有的電路。控制功能包括：起動(dòng)電路、反電勢換向控制、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)。

??? 電機(jī)的起動(dòng)是通過電機(jī)換向來完成的，它在低頻下產(chǎn)生低速運(yùn)動(dòng)。低速運(yùn)動(dòng)用以產(chǎn)生一個(gè)反電勢信號。反電勢取樣電路自動(dòng)跟蹤電機(jī)的位置，并由一個(gè)鎖相環(huán)（PLL）控制換向時(shí)間。換向控制電路還輸出一個(gè)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(gè)PWM占空比作速度調(diào)節(jié)控制。

??? 電機(jī)的電流受限于逐個(gè)脈沖式PWM關(guān)閉比較器，它由外部電流傳感電阻器兩端的電壓來關(guān)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(dòng)器信號。六路輸出驅(qū)動(dòng)器用于提供柵極信號給外部三相橋功率級，以適應(yīng)LBDC直流無刷電機(jī)的電壓和電流的要求。

??? 附加的功能包括：電機(jī)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(shí)，可關(guān)閉輸出驅(qū)動(dòng)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〕

表1?? ML4435引腳功能

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(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(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 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 地 接 一 只 電 阻 可 設(shè) 定PWM頻 率 。 可 用 電 位 器 取 代 該 電 阻 來 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 功率級提供圖騰柱式輸出驅(qū)動(dòng)信號。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，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(dòng)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(shè)在三相功率級，可調(diào)節(jié)功率級和直流無刷電機(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)來取代SOFTSTART的設(shè)置，其電流大于內(nèi)部分壓器10倍。可在該腳對地接一只電容器，作功率上升時(shí)電流限制的軟斜升。可用圖6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)序來開通和關(guān)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(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 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輸出頻率對應(yīng)于最大換向頻率fmax，即對應(yīng)于最大電機(jī)速度。CVCO和RVCO可由首次計(jì)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(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(jī)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(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 取 樣 器 電 路

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

??? 反電勢取樣器把電機(jī)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(jì)算電機(jī)的中性點(diǎn)電壓：

??? VNEUTRAL=(VFBA＋VFBB＋VFBC)/3。

??? 這就允許ML4435能比較反電勢信號與電機(jī)中性點(diǎn)，而不需要從Y接繞組的電機(jī)中引出一信號線。對△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)反電勢信號，它對照電機(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?? 反電勢傳感的鎖相環(huán)換向控制

??? 由換向狀態(tài)機(jī)、VCO、反電勢取樣器三者構(gòu)成一個(gè)鎖相環(huán)路，以使換向時(shí)鐘自動(dòng)跟蹤反電勢信號。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 設(shè) 置 。

圖12?? PLL鎖相環(huán)路

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，故反電勢等于零。電機(jī)需要轉(zhuǎn)動(dòng)，以使反電勢取樣器自動(dòng)跟蹤電機(jī)位置，并使電機(jī)換向。ML4435用最低的VCO頻率開始使電機(jī)換向。該低頻換向由RVCO上的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SPEEDSET電壓設(shè)置的速度。

2.16?? PWM速度控制

??? 速度控制是由在SPEEDSET（5腳）設(shè)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。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(yīng)，而2?2V則對應(yīng)0％占空比。速度環(huán)路補(bǔ)償元件接該腳，見圖13。可用下式來計(jì)算補(bǔ)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(gè)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(shè)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(gè)脈沖式電流限制電路，以控制輸出驅(qū)動(dòng)器LA、LB、LC。

圖 14??? RT與 PWM頻 率 的 相 應(yīng) 關(guān) 系 曲 線

2.17?? 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)OAST功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)管來驅(qū)動(dòng)。

圖 15??? 慣 性 跟 蹤 控 制

2.18??? 欠壓保護(hù)

??? 欠壓保護(hù)用于保護(hù)低VCC狀況下的三相功率級。欠壓保護(hù)是在 VCC=9.2V或更低時(shí)被啟動(dòng)。欠壓保護(hù)也關(guān)斷全部輸出驅(qū)動(dòng)器LA、LB、LC和HA、HB、HC。啟動(dòng)過電壓的比較器具有500mV的滯后。

2.19?? 輸出驅(qū)動(dòng)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(dòng)器來控制N溝道MOSFET或IGBT，它允許的應(yīng)用范圍是12～170V。

3?? 的典型應(yīng)用電路

??? 圖16給出了典型應(yīng)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(dòng)器的功率級電路和高壓MOSFET。

圖16?? ML4435的典型外圍應(yīng)用電路（原圖，未做標(biāo)準(zhǔn)化處理）

圖17?? ML4435的外部功率級電路（原圖，未做標(biāo)準(zhǔn)化處理）