無傳感器的直流無刷電機(jī)控制器ML4425及其應(yīng)用（2）

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摘要：介紹了ML4425脈寬調(diào)制電機(jī)控制器的功能及其應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：三相直流無刷電機(jī)；無傳感器；反電勢(shì)取樣器；鎖相環(huán)

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圖7VCO外部元件的連接與振蕩器波形

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(b)振蕩器波形

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(a)外部元件的連接

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3?6壓控振蕩器（VCO）

壓控振蕩器在VCO/TACH腳提供一個(gè)TTL兼容的時(shí)鐘輸出，它與SPEEDFB腳的VCO輸入電壓成比例。VCO頻率與電壓之間的比例常數(shù)KV，是由圖5中接RVCO腳的80.6kΩ電阻器和接CVCO腳的一只電容器來設(shè)定的。RVCO設(shè)置的電流與SPEEDFB端的VCO輸入電壓成比例。該電流用于在2.3V～4.3V范圍內(nèi)對(duì)CVCO充電和放電，如圖7所示。

在CVCO腳產(chǎn)生的三角波對(duì)應(yīng)于VCO上的時(shí)鐘脈沖。比例常數(shù)KV應(yīng)當(dāng)這樣設(shè)定，即當(dāng)VCO輸入等于或稍小于VREF時(shí)，VCO輸出頻率對(duì)應(yīng)于最大的換向頻率或最大電機(jī)速度。CVCO可用式（2）計(jì)算

CVCO=（2）

并選用等于或小于計(jì)算值的最接近標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的電容。

VCO腳上的最大頻率由式（3）求出

fMAX=0.05×N×RPMMAX(3)

VCO/TACH腳的電壓等于轉(zhuǎn)子的速度。SPEEDFB腳的電壓由反向電勢(shì)取樣器控制。

3?7反電勢(shì)取樣器

壓控振蕩器的輸入端是反電勢(shì)取樣器。輸入到反電勢(shì)取樣器的反電勢(shì)傳感腳FB?A、FB?B和FB?C，需要一個(gè)電機(jī)相位引線的信號(hào)，它低于ML4425的電源電壓VDD值。相位傳感的輸入阻抗是8kΩ。這就需要一只電阻RES1串聯(lián)在電機(jī)相位引線，見圖8，它可由式（4）求得

RES1=（670Ω/V）×(VMOTOR－10V)（4）

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無傳感器的直流無刷電機(jī)控制器ML4425及其應(yīng)用（2）

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圖8反電勢(shì)取樣器方框圖

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圖9反電勢(shì)換向鎖相環(huán)路方框圖

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反電勢(shì)取樣器把電機(jī)相電壓分壓降低為小于VDD（正常時(shí)為12V）的信號(hào)，并由式（5）來計(jì)算電機(jī)的中性點(diǎn)電位VNeutral=（5）

這就使ML4425能夠比較反電勢(shì)對(duì)電機(jī)中性點(diǎn)的信號(hào)而無須從Y形繞組的電機(jī)引出一根線。對(duì)于三角形繞組的電機(jī)不存在物理的中性點(diǎn)，所以該參考基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)能在任何情況下來計(jì)算。

反電勢(shì)取樣器測(cè)量電機(jī)的相位，是沒有驅(qū)動(dòng)時(shí)的相位。也就是說如果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)成高電平，而相位C則被取樣。已取樣的相位提供一個(gè)反電勢(shì)信號(hào)，它對(duì)照比較電機(jī)的中性點(diǎn)。

取樣器由換向狀態(tài)機(jī)器控制。已取樣的反電勢(shì)信號(hào)，經(jīng)一個(gè)誤差放大器與中性點(diǎn)相比較。誤差放大器的輸出端，則向SPEEDFB腳輸出充電電流或放電電流，使它向VCO提供控制電壓。

3?8反電勢(shì)傳感的鎖相環(huán)換向控制

由換相狀態(tài)機(jī)器、壓控振蕩器和反電勢(shì)取樣器三個(gè)單元組成一個(gè)鎖相環(huán)路，它跟蹤在反電勢(shì)信號(hào)上的換向時(shí)鐘脈沖。完整的鎖相環(huán)路方框見圖9。鎖相環(huán)路需要一個(gè)導(dǎo)引滯后濾波器，它由SPEEDFB腳外部元件來設(shè)置。這些元件可由式（6）、式（7）、式（8）計(jì)算CSPEEDFB1=0.25××（6）RSPEEDFB=2×M×ln×(7)

CSPEEDFB2=CSPEEDFB1×(M－1)（8）

3?9起動(dòng)時(shí)序

當(dāng)電源最先加到ML4425電動(dòng)機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，反電勢(shì)等于零。電機(jī)需要旋轉(zhuǎn)，使反電勢(shì)取樣器鎖定在轉(zhuǎn)子位置，并且使電動(dòng)機(jī)換向。ML4425采用開環(huán)起動(dòng)技術(shù)，使轉(zhuǎn)子從靜止到足夠快的速度，從而使能夠傳感反電勢(shì)。起動(dòng)由三個(gè)狀態(tài)組成：校準(zhǔn)狀態(tài)，斜升狀態(tài)和轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。

1）校準(zhǔn)狀態(tài)（復(fù)位）

在電機(jī)可以起動(dòng)之前，轉(zhuǎn)子必須處在已知位置。當(dāng)電源最先加到ML4425時(shí)，控制器被復(fù)位到校準(zhǔn)狀態(tài)。校準(zhǔn)狀態(tài)使輸出驅(qū)動(dòng)器LB、HA、HC導(dǎo)通，在第一個(gè)換向狀態(tài)進(jìn)入中心位置之前，把電機(jī)校準(zhǔn)到電氣30°位置上。這就是表2中換向狀態(tài)里的R狀態(tài)。校準(zhǔn)狀態(tài)必須有足夠長的持續(xù)時(shí)間，使電機(jī)及其負(fù)載穩(wěn)定在該位置上。

校準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)間是由接CAT腳的電容來設(shè)定的，見圖10。CAT由恒流750μA充電，使CAT腳電壓從0V升到1?5V，直到校準(zhǔn)比較器關(guān)閉結(jié)束校準(zhǔn)狀態(tài)。CAT的起始點(diǎn)數(shù)值按式（9）計(jì)算

CAT=（9）

如果校準(zhǔn)時(shí)間不夠長，無法滿足轉(zhuǎn)子可靠的起動(dòng)，那么應(yīng)增大CAT值，直到滿足希望的性能為止。

2）斜升狀態(tài)

當(dāng)校準(zhǔn)狀態(tài)結(jié)束時(shí)，控制器進(jìn)入斜升狀態(tài)。斜升狀態(tài)按表2所列從狀態(tài)A到F開始換向，從而在一個(gè)固定的時(shí)間段里使換向頻率以及電機(jī)的轉(zhuǎn)速呈直線上升。這就使電機(jī)達(dá)到一個(gè)足夠高的轉(zhuǎn)速，使反電勢(shì)取樣器跟蹤換向到電機(jī)的反電勢(shì)上。

ML4425停留在斜升狀態(tài)的時(shí)間，由接CRT腳的電容器來確定，見圖10。CRT由恒流750μA充電，使CRT腳電壓從0V升到1?5V，直到斜升比較器關(guān)閉結(jié)束斜升狀態(tài)。這就給出了一個(gè)固定的斜升時(shí)間。CRT由式（10）計(jì)算

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圖11速度控制環(huán)路的元件聯(lián)接

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圖10ML4425控制校準(zhǔn)時(shí)間和斜升時(shí)間的起動(dòng)電路

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ML4425斜升提高電機(jī)轉(zhuǎn)速的速率，是由SPEEDFB腳的500μA固定電流源來確定的。該電流源對(duì)PLL濾波器元件充電，使VCO頻率呈線性提高。在斜升狀態(tài)期間，反電勢(shì)取樣器失效，以便使斜升控制只由500μA電流源來調(diào)節(jié)。基于SPEEDFB濾波器的斜升狀態(tài)通常太快，以致不能保持電機(jī)提速，所以在CRR與SPEEDFB間接一只電容器，可減緩斜升的速率。最佳的斜升速率是根據(jù)電機(jī)和負(fù)載參數(shù)決定的，它可通過改變CRR數(shù)值來調(diào)節(jié)。

3）轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)（反電勢(shì)傳感）

當(dāng)斜升狀態(tài)結(jié)束時(shí)，控制器進(jìn)入轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。在轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)中，反電勢(shì)傳感有效，并且換向已處在鎖相環(huán)的控制下。電機(jī)的速度現(xiàn)由速度控制環(huán)調(diào)節(jié)。

3?10PWM速度控制

速度控制由SPEEDSET端設(shè)置的一個(gè)速度指令來完成，該腳輸入電壓為0～6.9V（VREF）。速度指令的精確度由外部元件RVCO和CVCO確定。有幾種方法可用于控制ML4425的速度指令。一種方法是用一只10kΩ電位器接于腳VREF和地端之間，其中心可調(diào)端則接SPEEDSET。如果SPEEDSET由微處理器控制，那么其數(shù)－模轉(zhuǎn)換器DAC可用VREF作為它的輸入?yún)⒖蓟鶞?zhǔn)，見圖11。

通過一個(gè)跨導(dǎo)誤差放大器，將速度指令與從SPEEDFB來的傳感速度作比較。速度誤差放大器的輸出是SPEEDCOMP。該SPEEDCOMP腳被箝位在兩個(gè)電壓之間：一是高于3?9V的一個(gè)二極管壓降（約4?6V）上，另一是低于1?7V的一個(gè)二極管壓降（約1?0V）上，以防止速度環(huán)路“卷緊（wind?up）”。速度環(huán)的補(bǔ)償元件接該腳，見圖11。速度環(huán)的補(bǔ)償元件由式（11）、式（12）計(jì)算

CSC=（11）

RSE=(12)

式中：fSB是速度環(huán)路的頻帶寬度（Hz）。

將SPEEDCOMP腳上的電壓與斜升振蕩器進(jìn)行比較，可產(chǎn)生一個(gè)PWM占空比。脈寬調(diào)制的斜升振蕩器產(chǎn)生一個(gè)1?7V～3?9V的鋸齒波函數(shù)，見圖11。在加電時(shí)一個(gè)低于1?7V的二極管壓降（約1?0V）作為負(fù)極性箝位起動(dòng)振蕩器。斜坡振蕩器的頻率由一只接地電容器CIOS設(shè)定，可用式(13)選用

CT=（13）

式中：fPWM是PWM的頻率（Hz）。

來自速度控制環(huán)的PWM占空比開啟電流限制一次起動(dòng)，以控制LA、LB和LC輸出驅(qū)動(dòng)器。

3?11交叉?zhèn)鲗?dǎo)比較器

當(dāng)ML4425從校準(zhǔn)狀態(tài)進(jìn)入斜升狀態(tài)時(shí)，在三相橋式功率級(jí)存在著交叉?zhèn)鲗?dǎo)的可能性。這種交叉?zhèn)鲗?dǎo)會(huì)發(fā)生在HC導(dǎo)通的校準(zhǔn)狀態(tài)，也就是表2中的R狀態(tài)，以及發(fā)生在控制器轉(zhuǎn)變到狀態(tài)A的斜升狀態(tài)，此時(shí)HC關(guān)斷而LC則導(dǎo)通。由于功率器件的導(dǎo)通時(shí)間和截止時(shí)間存在差異，也會(huì)引起交叉?zhèn)鲗?dǎo)。為了解決這個(gè)問題，LC輸出驅(qū)動(dòng)器被迫關(guān)斷，直到HC等于VDD－3V為止，如圖12所示。

3?12制動(dòng)剎車

當(dāng)腳BRAKE被拉低到小于1?4V時(shí)，低邊輸出驅(qū)動(dòng)器LA、LB、LC均導(dǎo)通，而高邊輸出驅(qū)動(dòng)器HA、

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無傳感器的直流無刷電機(jī)控制器ML4425及其應(yīng)用（2）

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圖12交叉?zhèn)鲗?dǎo)、制動(dòng)剎車和欠壓鎖定電路

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圖13ML4425與外部三路MOSFET互補(bǔ)管組成驅(qū)動(dòng)較低壓（12～80V）電機(jī)應(yīng)用電路

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HB、HC則均截止。制動(dòng)剎車功能使電機(jī)急劇減速，并使電流限制功能失效，因此使用腳BRAKE時(shí)應(yīng)小心注意。BRAKE內(nèi)設(shè)一只4kΩ拉高電阻器，見圖12，它可以用一個(gè)接地開關(guān)，或一個(gè)開路的集電極或漏極邏輯信號(hào)，或一個(gè)TTL邏輯信號(hào)來驅(qū)動(dòng)。

3?13欠壓鎖定

欠壓鎖定用于在低VDD條件下保護(hù)三相橋式功率級(jí)。當(dāng)VDD為9?5V或更低時(shí)，欠壓鎖定功能被觸發(fā)，并由腳UVFAULT上的TTL低輸出來指示。欠壓鎖定也會(huì)關(guān)斷所有的輸出驅(qū)動(dòng)器LA、LB、LC和HA、HB、HC。觸發(fā)欠壓鎖定的比較器有150mV滯后。

4設(shè)計(jì)依據(jù)三相橋式功率級(jí)的接口技術(shù)

ML4425輸出驅(qū)動(dòng)器可驅(qū)動(dòng)一個(gè)三相橋式功率級(jí)。為應(yīng)用在母線電壓12V～80V范圍，可采用電平位移電路來驅(qū)動(dòng)作為高邊開關(guān)的較高電壓的P溝道型MOSFET功率管，如圖13所示。

最靈活的電路結(jié)構(gòu)是用高邊驅(qū)動(dòng)器來控制N溝道型MOSFET或者IGBT，它允許應(yīng)用在從低于12V、一直升高到600V高壓，圖14給出了ML4425與

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IR2118高邊驅(qū)動(dòng)器之間的接口電路。該電路能驅(qū)動(dòng)母線電壓高達(dá)320V的電動(dòng)機(jī)。用一個(gè)RC電路可使制動(dòng)腳BRAKE在起動(dòng)之前受脈沖作用。這能對(duì)三路高邊驅(qū)動(dòng)器的自舉電容器C19、C20、C21進(jìn)行充電，讓復(fù)位相位正常地工作。

這些電容器的容量應(yīng)使之在校準(zhǔn)狀態(tài)期間有足夠的充電時(shí)間。

應(yīng)用電路圖13中外部互補(bǔ)管極限參數(shù)：P溝道IRFR9120反壓－100V、電流－3.6A；N溝道IRFR120反壓100V、電流5?8A（100℃）。應(yīng)用電路圖14中的MOSFET管IRF720：反向擊穿電壓400V、漏源電流2?6A（100℃）。