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无传感器的直流无刷电机控制器ML4425及其应用

日期:2019-01-15 15:28

  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

  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。

  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;

  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。

  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)。

  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。

  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。

  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

  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。

  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:

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  2)RSENSERSENSE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。

  4)CIOS当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:

  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。

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