無傳感器的直流無刷電機控制器ML4425及其應用(1)-電子發燒友網

無傳感器的直流無刷電機控制器ML4425及其應用（1）  

摘要：介紹了ML4425脈寬調製電機控制器的功能及其應用。

關鍵詞：三相直流無刷電機；無傳感器；反電勢取樣器；鎖相環

　

1  引言

    ML4425脈寬調製控制器具有為起動和控制△接或Y接無刷直流（BLDC）電機速度所需要的全部功能，並且不用霍爾傳感器。從電機繞組傳感的反電勢電壓信號，利用鎖相環（PLL）即可確定正確的換向時序，這一獲專利的傳感技術可以在寬範圍內使三相無刷電機換向，並且對PWM噪聲和電機緩衝電路的幹擾不敏感。

    ML4425利用恆定的停歇時間PWM控制環路，限制電機的工作電流。其速度環是由機載放大器控制。ML4425電路能保證沒有穿透電流幹擾而直接驅動外部功率MOSFET。起動程序的定時由三個可供選擇的定時電容器來確定。這就使大範圍變化的電機和負載能夠處於最佳狀態。

    ML4425的主要性能如下：

    1）可獨立工作；

    2）通過IC控制電機的起動和停止；

    3）機載起動時序為校準→斜升→設定速度；

    4）獲專利的反電勢換向技術為最短的「自轉」時間提供了無抖動轉矩；

    5）具有機載速度控制環；

    6）用於換向的鎖相環PLL可對PWM產生的尖峰脈衝噪聲的抗幹擾創造條件，其作用與噪聲傳感過零技術相似；

    7）PWM控制可得到最高效率；

    8）MOSFET直接驅動12V電機；驅動高壓電機需要用IR、IXYS、Harris、PowerIntegration、Siliconix等公司生產的IC緩衝器。

2  ML4425的結構與參數

2.1  ML4425的結構

    ML4425有二種封裝型式，其引腳排列如圖1所示。它們的內部功能方框圖如圖2（以28引腳為例）所示。

(a)窄形28腳

(b)方形32腳

圖1  ML4425集成電路兩種封裝型式

圖2  ML4425電機控制器內部功能框圖

    ML4425各引腳功能如下（以28引腳為例，腳號後括號內數字為32腳的腳號）。

    腳1（30）I_SENSE：電機的電流傳感輸入端。當I_SENSE超過0.2×I_LIMIT時，三路輸出驅動器LA、LB、LC均被關閉一個固定時間（由C_IOS電容量確定）。

    腳2（31）HA：A相高邊開關的有源低輸出驅動器。

    腳3（32）HB：B相高邊開關的有源低輸出驅動器。

    腳4(1)HC：C相高邊開關的有源低輸出驅動器。

    腳5（3）SPEED COMP：是速度控制環的補償端，它由接在SPEED COMP腳與地端之間的串聯的電阻器和電容器來設置。

    腳6（4）C_T：一隻電容器接C_T與地之間，可設定PWM振蕩器頻率。

    腳7（5）V_REF：6.9V基準參考電壓輸出。

    腳8（6）SPEED SET：速度控制環輸入端，變化範圍從0（停機）到V_REF（最大速度）。

    腳9（7）LA：A相低邊開關的有源高輸出驅動器。

    腳10（8）LB：B相低邊開關的有源高輸出驅動器。

    腳11（9）LC：C相低邊開關的有源高輸出驅動器。

    腳12（10）I_LIMIT：該腳電壓把I_SENSE的門限電壓設定在0.2×I_LIMIT，該腳空懸不接，自動選IC內部的置位門限電平。

    腳13（11）VCO/TACH：該腳的TTL輸出電平對應於時鐘信號用在換向狀態機器。當反電勢傳感電路跟蹤轉子位置時，其輸出頻率與電機速度成比例。

    腳14（12）V_DD：12V電源電壓輸入端。

    腳15（15）C_VCO：該腳對地接一隻電容器，可設定壓控振蕩器（VCO）的壓－頻比率。

    腳16（16）R_VCO：該腳對地接一隻電阻器，可設置一與VCO輸入電壓成比例的電流。

    腳17（17）C_AT：該腳對地接一隻電容器，可設定控制器保持在校準狀態的時間。

    腳18（18）UV FAULT：當V_DD降低到UVLO欠壓鎖定門限電平時，該腳輸出電平變為最低，表示所有的輸出驅動器均已失效。

    腳19（19）C_RT：該腳對地接一隻電容器，可設定控制器保持在斜升狀態的時間。

    腳20（20）SPEED FB：反電勢取樣電路的輸出端和VCO的輸入端，一個RC網絡接在SPEED FB端，可設置對鎖相環路（PLL）的補償，該PLL電路由反電勢取樣電路、VCO和換向狀態機器構成。

    腳21（21）C_RR：當控制器處於斜升狀態時，在C_RR與SPEED FB兩端之間接一隻電容器，可設定電機的斜升速率（即加速度）。

    腳22（22）FB-A：通過在該腳上的傳感反電勢的電阻分壓器，監視A相的電機反饋電壓。

    腳23（23）FB-B：通過在該腳上的傳感反電勢的電阻分壓器，監視B相的電機反饋電壓。

    腳24（24）FB-C：通過在該腳上的傳感反電勢的電阻分壓器，監視C相的電機反饋電壓。

    腳25（25）BRAKE：一個邏輯低電平輸入使電機制動，它是通過關斷高邊輸出驅動器和接通低邊輸出驅動器來實現的。

    腳26（26）C_IOS：該腳對地接一隻電容器，可設置在I_SENSE超過它的門限電平之後，低邊輸出驅動器仍然保持關斷的時間。

    腳27（27）R_REF：該腳對地接一隻137kΩ的電阻器，可設置與V_REF成比例的電流，它用於為IC內部設定所有的偏置電流（除VCO之外）。

    腳28（28）GND：信號地與功率地端。

2.2  ML4425的參數

2.2.1  ML4425極限值（絕對最大額定值）

    權限值是指器件的應力額定值，一旦超過可能導致器件永久性損壞，它們並非器件的工作參數。

    電源電壓（腳14）V_DD：14V；

    邏輯輸入（SPEED FB，BRAKE）：（GND－0.3）～7V；

    所有其它輸入和輸出：（GND－0.3）～（V_DD＋0.3）；

    輸出電流（LA、LB、LC、HA、HB、HC）：±50mA；

    結溫：150℃；

    儲存溫度：－65℃～150℃；

    引腳焊接溫度：260℃（10s內）。

2.2.2  ML4425的運行條件

    溫度範圍  ML4425GX 0～70℃；

              ML4425IX －40～85℃。

    V_DD        10.8～13.2V。

2.2.3  ML4425的電特性

    ML4425的電氣參數如表1所列。

表1  ML4425電氣參數

除非另有說明，通常V_DD=12V±10％，R_SENSE=1Ω，C_VCO=10nF，C_IOS=100pF，R_REF=137kΩ，T_A=工作溫度（注1，注2）。

注1：限制的保證是作100％測量，取樣或在最壞測試條件下調節。

注2：關於狀態的解釋參見圖4和表2。

注3：腳BRAKE和腳UV FAULT在IC內部均有一隻4kΩ電阻器接到基準電壓。

3  ML4425的功能原理

    ML4425為無傳感器型速度控制的三相BLDC直流無刷電動機提供了全部電路。控制器的功能包括：起動電路、反電動勢換向控制、脈寬調製PWM的速度控制、固定的停歇時間電流限制、制動、欠壓保護。

    起動電路把電機校準在已知位置，隨後斜升電機速度產生一個反電勢信號。通過構成的一個鎖相環路，反電勢取樣電路可控制換向時間。換向控制電路又輸出一個速度反饋（SPEEDFB）信號，用於速度控制迴路。速度控制迴路由一個誤差放大器和PWM比較器組成，它產生一個PWM佔空比調節速度。電機電流由一個固定停歇時間PWM關閉比較器來限制，它受控於外部傳感電阻器。

    換向控制、PWM速度控制和電流限制共同結合，產生輸出驅動器信號。六路輸出驅動器用於提供選通信號給外部三相橋式功率級，按直流無刷電機的電壓和電流要求進行測量。其它功能包括：制動功能和欠壓保護電路。一旦ML4425供電V_DD變為低壓時，可關閉輸出驅動器。

3.1  元件的選擇

    選擇IC外部元件需要根據電機的電氣參數和機械參數作一些計算。下面列出這些計算需要的電機參數：

    直流電機電源電壓    V_MOTOR（V）；

    最大工作電流    I_MAX（A）；

    磁極的數目    N；

    反電勢常數    K_e（V_－S/R_ad）；

    電機的轉矩常數    K_t(N·m/A)(K_t=K_e，單位SI)；

    最大運行速度    RPM_MAX（r/min）；

    電機和負載的轉動慣量    J(kg·m²)；

    電機和負載的粘滯阻尼因數    ξ。

    如果不知道上述一個值或幾個值，仍然可能得到合適的ML4425外部元件數值，但需要做一些實驗來確定其最佳值。除非另有特殊說明，所有的數量單位都用SI。下面的公式應考慮最佳起始點。所有計算的電容器和電阻器，都應採用最接近標準值的第一個近似值作為選擇。

3.2  電源和基準參考電壓

    電源電壓V_DD通常為12V±10％。應儘量靠近V_DD端對地接一隻100nF旁路電容器。提供6.9V電壓基準輸出V_REF，來設置ML4425的速度指令和電流限制。需要在R_REF端對地接一隻137kΩ電阻器，為IC內部功能建立一個基準電流。

3.3  輸出驅動器

    輸出驅動器LA、LB、LC和HA、HB、HC為三相橋式功率級提供圖騰柱式輸出驅動信號。ML4425中所有的控制功能，都傳送到這些引腳輸出。其中LA、LB、LC為三相功率級的A、B、C相提供低邊驅動信號，並以12V為有效高電平信號。而HA、HB、HC為A、B、C相提供高邊驅動信號，並以12V為有效低電平信號。

3.4  功率級的電流限制

    電流傳感電阻器R_SENSE如圖3所示，它可調節功率級和直流無刷電機的最大電流。如果R_SENSE兩端的電壓超過電流限制門限電平，則可通過把輸出驅動器LA、LB和LC關斷一定的時間，來實現電流的調節。

圖3  在三相12V功率級中使用傳感電阻器R_SENSE

    1）I_LIMIT  在I_LIMIT腳上的電壓設定了電流限制門限電平。

    ML4425內部有一個從V_REF接地的分壓器，它設定了一個2?3V的誤差電流限制門限電平，見圖4。以V_REF為基準的外部分壓器，可用於拒絕錯誤的I_LIMIT設置。外部分壓器的電流至少應比內部分壓器電流大10倍。

圖4  電流傳感電路

    2）R_SENSE  R_SENSE的功能是提供一個與電機電流成正比的電壓，以設定電流限制跳閘斷開點。R_SENSE兩端錯誤跳閘電壓是460mV，它由內部I_LIMIT分壓比來設定。電流傳感電阻器應是低電感量的電阻器，如碳膜成分組成。對毫歐姆範圍的電阻器，用導線卷繞的電阻應具有低值電感。

    3）I_SENSE濾波器  接I_SENSE腳的RC低通濾波器與電流傳感信號相串聯，見圖4。設置該濾波器是為去除二極體反向恢復時的穿透電流。該電流在電流傳感信號的前沿引起一個電壓尖峰，可能會誤觸發電流限制電路。在濾波器前、後的電流傳感電壓波形見圖5。該電路推薦的初值為R=1kΩ、C=300pF，這就給出了時間常數330ns，它將濾除更短持續時間裡的輸出尖峰。也可增大電容器到C=2.2nF，但時間常數不應超過幾個微秒。

(a)無濾波時        (b)經濾波後

圖5  電流傳感電阻器波形

    4）C_IOS   當I_SENSE超過0.2×I_LIMIT時，電流限制一次性觸發功能起作用，它將在一個固定的時間（t_OFF）內關斷LA、LB和LC。t_OFF由接到C_IOS腳的電容設定。通常C_IOS設置一個等於或小於脈寬調製周期的固定的停歇時間。當PWM的頻率為25kHz時，PWM的周期為40μs，則t_OFF應在20μs～40μs之間。對t_OFF的較低限制，是由功率級的最小導通時間決定的，故安全的近似值是5μs或更小些。求解C_IOS電容量的方程為：

      C_IOS=(t_OFF×50μA)24V=100pF（1）

3.5  換向控制

    三相直流無刷電機需要電子換向以實現旋轉式運動。電子換向則需要三相半橋式功率開關輪流導通和截止。為了實現在一個方向上產生轉矩，換向是由轉子的位置決定的。ML4425中的電子換向是按恰當的時序，通過接通和關斷一相中的N輸出和另一相的P輸出來完成的。

    N溝道管輸出和P溝道管輸出，共有6個組合（6種開關狀態），它們構成了一個完整的換向循環周期。這6種組合在圖6和表2中予以說明，並用狀態A、B、C、D、E、F分別作標記。該時序已編程在換向狀態機器中。換向狀態機器的時鐘脈衝是由VCO壓控振蕩器來提供的。

圖6  輸出換向時序的定時波形

（循環周期1：完整的換向；循環周期2：按50％PWM佔空比換向）

表2  ML4425的6種換向狀態功能

狀態	輸出						輸入取樣
	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