航晶微電子HJ4314三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊特性與典型應(yīng)用

三相無(wú)刷電機(jī)相對(duì)傳統(tǒng)的有刷電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)而言，它擁有高的轉(zhuǎn)速/扭矩比、好動(dòng)態(tài)特性、高效率、長(zhǎng)壽命、低噪聲、寬轉(zhuǎn)速范圍和制造容易等等優(yōu)良特性。使其在工業(yè)控制領(lǐng)域、汽車(chē)工業(yè)、航空航天等等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。

針對(duì)此航晶微早期推出了多款電機(jī)驅(qū)動(dòng)相關(guān)產(chǎn)品，其中HJ4312伺服電機(jī)閉環(huán)控制器與其搭配的HJG4306三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊這兩款厚膜集成電路在航空28V電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案應(yīng)用最為廣泛。為滿足市場(chǎng)需求產(chǎn)品小型化的問(wèn)題，航晶微結(jié)合自身在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路方面的積累的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)不斷學(xué)習(xí)，現(xiàn)推出一款全新一體化的三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊HJ4314，只需簡(jiǎn)單的外圍電路，便可獨(dú)立完成對(duì)三相無(wú)刷電機(jī)的控制。

一

概 述

HJ4314是一款完全國(guó)產(chǎn)化三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊。內(nèi)部由三相霍爾解碼器、速度反饋環(huán)、單穩(wěn)多諧振蕩器、PWM控制器，電流門(mén)限比較器、高精度電壓基準(zhǔn)等部分組成。

原理是三相無(wú)刷電機(jī)霍爾信號(hào)固定脈寬后給PWM控制器中的誤差放大器完成轉(zhuǎn)速反饋，內(nèi)置固定衰減周期的整流電路，電流門(mén)限比較器反轉(zhuǎn)后會(huì)將輸出的上橋臂關(guān)斷，電流衰減一個(gè)固定的時(shí)間周期，根據(jù)三相無(wú)刷電機(jī)被控制可能的轉(zhuǎn)速變化范圍和扭距變化范圍，外部調(diào)節(jié)PID參數(shù)，來(lái)完成在給定轉(zhuǎn)速設(shè)置時(shí)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速目標(biāo)。

同時(shí)具有使能控制、方向控制、霍爾信號(hào)脈沖整形、電源接反保護(hù)、輸入/輸出浪涌保護(hù)的功能。封裝采用DZS2826外殼(28*26*7mm)。HJ4314三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊適用于40V以下的伺服系統(tǒng)。

主要特點(diǎn)

1) 全硬件結(jié)構(gòu)，避免了用DSP+CPLD模式實(shí)現(xiàn)時(shí)，上電建立時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)；

2)模擬PID環(huán)路沒(méi)有了DSP數(shù)字PID環(huán)路的量化噪聲，超調(diào)量更容易設(shè)置；

3)內(nèi)置高精度基準(zhǔn)，有利于外部進(jìn)行模擬高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速設(shè)定；

4)依靠三相無(wú)刷電機(jī)的三相霍爾信號(hào)就能給定完成轉(zhuǎn)速反饋，無(wú)需外加轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置；

5)老煉篩選依據(jù)GJB548條件進(jìn)行；

6)低功率及多重保護(hù)有利于提高器件的使用壽命/可靠性；

7)方向（DIR）、剎車(chē)（BRAKE）與主回路可以不公地。

二

電原理圖

三

封裝形式及引出端

3.1 外形尺寸

采用DZS2826塑料外殼，封裝尺寸如下所示。

3.2 引出端功能

四

絕對(duì)額定最大值

電源電壓VCC ：+15V~+38V

電源接反 ：不限制

工作溫度：-55~+105℃

貯存溫度：-55~+105℃

引線耐焊接溫度（10s）：+300℃

五

電特性

除非另有規(guī)定外，VCC=28V,-55℃≤TA≤+105℃。

注）*表示設(shè)計(jì)保證

六

邏輯時(shí)序圖及真值表

七

典型應(yīng)用及注意事項(xiàng)

圖4典型應(yīng)用

7.1轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)脈沖寬度

如果期望最大電機(jī)速度為3000RPM，并且所使用的電機(jī)轉(zhuǎn)子上的永磁體具有一對(duì)磁極，則電機(jī)每次機(jī)械旋轉(zhuǎn)一周將會(huì)使每個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器傳遞一個(gè)脈沖周期,三個(gè)傳感器將產(chǎn)生三個(gè)獨(dú)立的脈沖周期，同時(shí)轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)VF端將產(chǎn)生一個(gè)脈沖周期數(shù)為3的脈沖信號(hào)，每個(gè)脈沖分別對(duì)應(yīng)傳感器脈沖的上升沿和下降沿。電機(jī)每秒轉(zhuǎn)速50轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)將每秒產(chǎn)生150脈沖或具有150赫茲的頻率(轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)頻率為霍爾信號(hào)頻率的3倍)。因此，轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)脈沖周期為6.66毫秒，轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)脈沖寬度可設(shè)定為反饋信號(hào)脈沖周期的70%~80%，計(jì)算公式如下：

τ=0.96×Rx×Cx

注：0.96為單穩(wěn)態(tài)震蕩電路的時(shí)間常數(shù)。Rx為轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)脈寬設(shè)定電阻，Cx為轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)脈寬設(shè)定電容值為22nF。

系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，在轉(zhuǎn)速固定的情況下，Rx和Cx使用同樣的參數(shù)匹配不同的三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊模塊，所設(shè)定的脈沖寬度因雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器而存在細(xì)微的差異，因此需對(duì)Rx和Cx進(jìn)行微調(diào)，使其設(shè)定的脈沖寬度為定值，可有效避免雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器帶來(lái)誤差。

7.2 轉(zhuǎn)速給定及PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

圖5 轉(zhuǎn)速給定及PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

R1、C1的取值主要取決于轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)VF的最低頻率，即三相無(wú)刷電機(jī)最低的轉(zhuǎn)速；

R2、R3、C2、C3、C4共同構(gòu)成PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)調(diào)節(jié)PID補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)使電機(jī)在給定條件下，適應(yīng)扭矩變化要求；可根據(jù)具體使用工況自行設(shè)計(jì)PID拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以達(dá)到對(duì)三相無(wú)刷電機(jī)更好的控制效果。

EA+轉(zhuǎn)速給定即可模擬給定也可以通過(guò)DSP的DAC直接給定。

7.3 電流整流

圖6 電流整流

芯片內(nèi)置固定衰減周期的整流電路，當(dāng)輸出開(kāi)啟時(shí)，電流上升直到整流點(diǎn)Itrip：

Itrip=200mV/Rsense

此時(shí)電流比較器反轉(zhuǎn)，輸出的上臂橋關(guān)斷，電流衰減一個(gè)固定的時(shí)間周期；

7.4 電平兼容設(shè)計(jì)

方向控制、剎車(chē)控制可利用模塊內(nèi)部的光耦進(jìn)行隔離，利用上位機(jī)來(lái)控制方向和剎車(chē)，如下圖所示：

圖7 方向控制、剎車(chē)控制

其中，R1、R2的取值要求IR≥8mA.

7.5 剎車(chē)模式

當(dāng)BRAKE為低時(shí)進(jìn)入剎車(chē)模式，為高時(shí)驅(qū)動(dòng)正常工作。剎車(chē)模式下三個(gè)半橋的全部下臂橋MOS都會(huì)打開(kāi)，用以短路電機(jī)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)。BRAKE會(huì)屏蔽PWM信號(hào)輸入功能與自動(dòng)堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能。

需要重點(diǎn)指出的是，當(dāng)剎車(chē)態(tài)時(shí)，由于電流不流經(jīng)Rsense電阻，內(nèi)部的PWM電流限制此時(shí)不起作用，此時(shí)的最大電流等于反向電動(dòng)勢(shì)除以負(fù)載電阻。

7.6注意事項(xiàng)

1）在使用DIR進(jìn)行正反轉(zhuǎn)切換時(shí)屬于無(wú)延時(shí)硬換向、以及高速剎車(chē)會(huì)有很大的沖擊，所以不建議在高電壓全速運(yùn)行時(shí)操作此兩項(xiàng)功能，強(qiáng)行操作有可能損壞功率管和芯片。

2）三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊功率較小(最大100W內(nèi))過(guò)載能力弱，使用時(shí)留有余量，不可直接大功率電機(jī)工作或試機(jī)，強(qiáng)行工作有沖擊損壞功率管的風(fēng)險(xiǎn)，建議使用在28V/56W以內(nèi)，如需超過(guò)56W功率，建議在U、V、W三相驅(qū)動(dòng)輸出端和電機(jī)之間串入10~33uH的大功率電感，用來(lái)扼制對(duì)功率管造成的沖擊。

3）三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊功用于霍爾電角度為120的直流無(wú)刷三相有霍爾的電機(jī)，電機(jī)需有霍爾且接對(duì)線序系統(tǒng)才能正常工作。

4) 帶載啟動(dòng)波形

圖8所示波形為24V供電，0.5A的負(fù)載下帶載啟動(dòng)的電源電壓和電流波形：

圖8 帶載啟動(dòng)波形

（藍(lán)色為系統(tǒng)電源電壓，紫色為系統(tǒng)電源電流）

系統(tǒng)內(nèi)部自帶軟啟動(dòng)電路，由圖8可知，從上電到建立大約需要13ms,在此期間，系統(tǒng)的過(guò)沖電流從最大開(kāi)始逐周期進(jìn)行遞減，到最后趨于穩(wěn)定值。

5) 電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)切換方向瞬間波形

圖9所示波形為24V供電，0.5A的負(fù)載下正常工作時(shí)使用DIR功能進(jìn)行強(qiáng)換向的電源電壓和電流波形：

圖9電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)切換方向瞬間波形

（藍(lán)色為系統(tǒng)電源電壓，紫色為系統(tǒng)電源電流）

電機(jī)在高速工作時(shí)使用DIR功能進(jìn)行強(qiáng)換向，瞬間會(huì)對(duì)電源造成很大的沖擊，對(duì)系統(tǒng)電源的能力要求比較高；長(zhǎng)此以往會(huì)大大降低該模塊的可靠性。嚴(yán)禁在正電源端串入續(xù)流二極管來(lái)使用DIR功能進(jìn)行強(qiáng)換向，此舉在較高轉(zhuǎn)速下會(huì)瞬間燒毀模塊內(nèi)部控制電路。