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1、无传感器的直流无刷电机控制器ML4435 及其应用 摘要：ML4435脉宽调制式电动机控制器，为起动和控制接或Y 接绕组的直流无刷（LBDC ） 电机速度（无霍尔效应传感器）提供了所有必要的功能。从电机绕组传感的反电势电压，经锁相 环可确定恰当的换向相位时序。 关键词： 三相直流无刷电机；无传感器；反电势取样器 ML4435 是 2001 年 3 月最新推出的电机控制器专用IC， 属于无传感器型、 直流无刷（BLDC ） 电动机控制系统，它比 ML4425/ML4426 有新的改进和简化，外部引脚从28 个减少到了20 个，同 样集成了所有必要的自动检测和控制功能。图1 是 ML4435的外形
2、引脚图，图2 是它的内部功能 方框。 1 ML4435 的主要特性及性能 ML4435 的主要特性如下： 专有的反电势传感换向技术，以实现无霍尔效应传感器的电机通信； PWM 逐个脉冲式电流限制，可保护电机和MOSFET 驱动器； 可单台工作；软起动功能可限制起动电流； 脉宽调制PWM 速度控制可提高效率，并尽量减小MOSFET 尺寸； 机载欠压闭锁和断电检测； 电机的转速输出传感换向。 ML4435 为三相直流无刷电机无传感器型速度控制提供了所有的电路。控制功能包括：起 动电路、反电势换向控制、脉宽调制PWM 速度控制、逐个脉冲式电流限制、电机的惯性跟踪、欠 压保护。 电机的起动是通过电机换
3、向来完成的，它在低频下产生低速运动。低速运动用以产生一 个反电势信号。反电势取样电路自动跟踪电机的位置，并由一个锁相环（PLL）控制换向时间。 换向控制电路还输出一个速度反馈信号，用于速度控制环。速度控制环由误差放大器和PWM 比较 器组成，它产生一个PWM 占空比作速度调节控制。 电机的电流受限于逐个脉冲式PWM 关闭比较器，它由外部电流传感电阻器两端的电压来 关闭。换向控制、PWM 速度控制和电流限制综合产生输出驱动器信号。六路输出驱动器用于提供 栅极信号给外部三相桥功率级，以适应LBDC直流无刷电机的电压和电流的要求。 附加的功能包括：电机的惯性跟踪功能与欠压闭锁输出电路，一旦加到ML4
4、435的电压 VCC过低时，可关闭输出驱动器。ML4435的各引脚功能见表1，主要电气参数见表2。 2 ML4435 功能详解 2. 1 ML4435 的外部元件选择 外部元件的选择需要根据电动机的电气参数和机械参数进行计算，下面列出计算所需的电 机参数： 最大直流电机电源电压VMOTOR（V） ； 最大工作电流Imax（A） ； 测量引线间的绕组电阻R1-1( )； 磁极的数目N； 反电势常数Ke(Vs/rad) ； 电机的转矩常数K(Nm/A ）； K=Ke(SI 单 位 )； 最大转速nmax（r/min ） ； 电机和其负载的转动惯量J（kgm 2） ； 电机和其负载的粘滞阻尼因数 。
5、 若上述数值有几个不知道，仍能通过实验来确定元件的最佳值。下述公式和元件选择 图可作优化应用的起点。可选用最靠近近似计算结果的标准值元件。 2. 2 电源和芯片电压基准 10脚电源电压VCC= （1210 ）V，推荐在 VCC 脚与地之间接一 0. 1F的旁路电容器，并尽量靠近 VCC 端接地。在ML4435 内部产生 6V基准电压，它出现在 RT脚，在该脚对地接一只电阻可设定PWM 频率。可用电位 器取代该电阻来设置速度指令（详见 2 .16）。注意：若要在 6 脚加外部电路，则要用一输入阻抗至少 1M 的运 算放大器作该脚的缓冲器 。 2. 3 输出驱动器 输 出 驱 动 器 LA、LB、
6、LC 和 HA、HB 、HC为 三 相 桥 功率级提供图腾柱式输出驱动 信号。 ML4435的全部控制功能都从这6 个脚输出。其中LA、LB、LC 分别为三相功率极的A、 B、 C提供低边驱动信号，其有效高电平信号为12V。而 HA 、 HB、 HC 分别为三相功率级的A、B、C 相提供高边驱动信号，其有效低电平信号为12V。 2.4 三相桥式功率级的电流限制 图 3 中电流传感电阻RSENSE安设在三相功率级， 可调节功率级和直流无刷电机的最大电流。 如RSENSE二端电压超过19 脚 SOFTSTART 设置的电流限制门限电平，则电流调节是在PWM 周期的剩 余段关断输出驱动器LA、 LB
7、、LC来实现的。RSENSE最大功耗见图4。 2.5 软起动 SOFTSTART （19 脚）上电压设定电流限制门限电平。ML4435有一个 11V 电源电压的内 部分压器，见图5。分压器由两只225k 电阻组成，它把电流限制门限电平设定在055V 左 右。可用外部分压器或外部基准来取代SOFTSTART 的设置，其电流大于内部分压器10 倍。可在 该脚对地接一只电容器，作功率上升时电流限制的软斜升。可用图6 选择斜升时间。 2.6 RSENSE RSENSE提供与电机电流成比例的电压，作电流限制。RSENSE端的失效闭锁电压是0.6V ，它由 SOFTSTART（19 脚）设定。电流传感电阻
8、应是低电感的，例如碳膜电阻。用线绕m 级的电阻， 应尽力降低电感。其额定功率正比于功耗Imax 2R SENSE。 2.7 ISENSE滤波器 ISENSE输入端（ 1 脚）需要接一个RC低通滤波器，以消除电流传感信号前沿的尖峰电压， 它由二极管反向恢复时的穿透电流引起。若无该滤波器会出现电流限制的虚假触发。此电路推荐 的标准值R=1k，C=1000pF，可滤除窄于1s 的尖峰干扰。电容值不宜超过3300pF。滤波前后 的波形见图7。 2.8 逐个脉冲式电流限制 当ISENSE脚电压超过SOFTSTART 脚电压时，电流限制电路被激活，它在PWM 周期的剩余阶 段关闭驱动器LA、LB 和 LC
9、。 2.9 换向控制 一台三相直流无刷电机需要电子换向，以实现旋转运动。电子换向要求开通和关断三相 半桥式功率开关。为了让转矩实现单一方向，由转子的位置给出换向指令。要实现ML4435的电 子换向，是通过适当时序来开通和关断一相低输出L 和另一相高输出H。总共存在六种L 和 H 输 出组合（即六种开关状态），如表3 标出的状态A状态 F，它们构成一个完整的换向循环周期。 这一开关时序被编程在图8 所示的换向状态机中，该换向状态机的时钟是由VCO的输出提供。 2. 10 压控振荡器 VCO在 TACH （2 脚）输出一 TTL兼容的时钟脉表示驱动器导通冲，它正比于 SPEED FB （ 18 脚
10、）输入电压。 频率与电压或与VCO常数 KV的比例， 由图 9 中的 RVCO（4 脚）地电阻和 CVCO （ 20 脚）接地电器来设定。 RVCO设定的电流正比于VCO输入电压 SPEEDFB 减去 0.7V 。该电流用于门限电压在2 3.75V 之间对 CVCO 充电和放电，见图9。RVCO 限制在 0.2V 较低电压。这导致CVCO 的三角波形 对应于 TACH脚时钟，也见图9。当 VCO的输入等于或稍小于6V 时，KV被设定在 VCO输出频率对 应于最大换向频率fmax，即对应于最大电机速度。CVCO 和 RVCO 可由首次计算的fmax值来选择： f max=0.05nmaxN 2.
11、11 TACH TACH（2 脚）输出VCO频率，它6 倍于换向频率。当电机在最低转速时（即SPEEDFB 低 于 097V）， TACH输出还表示因TTL 停留在高电平而使电机处于低转速。 2.12 反电势取样器电路 输入到 VCO的 SPEEDFB （18 脚）受反电势取样器控制。反电势传感脚FBA 、FBB、FBC输 入到反电势取样器，需要来自电机各相引线的信号，该信号低于ML4435的VCC值。相位传感的输 入阻抗是8.7k 。如果电机电压大于ML4435的VCC值，则需要串接电阻RFB到电机各相引线，见 图 10。RFB可从图 11 曲线选择或利用下式算出： RFB=8.7k (VM
12、OTOR/12 1) 反电势取样器把电机各相电压分压为低于VCC=12V（正常值）的信号电压，并由下述方程 式计算电机的中性点电压： VNEUTRAL=(VFBAVFBBVFBC)/3 。 这就允许ML4435能比较反电势信号与电机中性点，而不需要从Y接绕组的电机中引出一 信号线。对接绕组的电机，因不存在物理中点，故必须计算该基准参考点。 反电势取样器所获电机相位，是未被驱动时的值：也就是如果LA和 HB均导通，那么相 位 A 被驱动为低电平，相位 B被驱动为高电平，相位 C则被取样。 被取样相位提供一个反电势信 号，它对照电机的中性点作比较。取样器受换向状态机器控制。取样的反电势经一个误差放
13、大器 与中性点比较。误差放大器的输出端送出充电或放电电流到SPEEDFB （18 脚），它向 VCO提供电 压。 2.13 反电势传感的锁相环换向控制 由换向状态机、VCO 、反电势取样器三者构成一个锁相环路，以使换向时钟自动跟踪反电 势信号。完整的锁相环路见图12。该锁相环需要一个超前滞后滤波器，它由SPEEDFB （18 脚） 外部元件来设置。 2.14 电机的起动 当电源首先加到ML4435时，电机处于静止，故反电势等于零。电机需要转动，以使反电 势取样器自动跟踪电机位置，并使电机换向。ML4435 用最低的 VCO频率开始使电机换向。该低 频换向由RVCO 上的 02V 箝位设定，这就
14、提供一为fmax/30 的换向频率。 2.15 转动状态 在反电势传感后，PLL 自动跟踪电机位置，电机则按闭合环路控制转动。在这一点上， 速度控制环应迫使电机速度相应于SPEEDSET 电压设置的速度。 2.16 PWM速度控制 速度控制是由在SPEEDSET（5 脚）设置的速度指令来完成的，该脚输入电压为0.2 6V。 速度指令的精度由外部元件RVCO和CVCO确定。控制ML4435的速度指令有几种方法：其一是用一电 位器接在RT与地之间，而将滑动触头接在SPEEDSET 。若用微处理器控制5 脚，则可用RT作数 模转换器（ DAC ）输入基准。RT电压应经缓冲器接外部电路。经跨导误差放大
15、器，速度指令与比 SPEEDFB（18 脚）低 07V 的传感速度相比较。速度误差放大器的输出端是SPEEDCOMP（3 脚）， 它被箝位在8.2 2.2V 之间。 82V信号与全PWM 占空比相对应，而2.2V 则对应 0占空比。 速度环路补偿元件接该脚，见图13。可用下式来计算补偿元件： 式中：freq是速度环路的带宽（Hz）。 图 13 中 3 脚电压与三角波振荡器比较，产生一PWM 占空比。 PWM 振荡器产生一个3 7V 的三角波函数，而三角波振荡器频率由RT（6 脚）的接地电阻设定。RT可由图 14 曲线来选择。 来自速度控制环的PWM 占空比，选通逐个脉冲式电流限制电路，以控制输
16、出驱动器LA、LB、LC。 2.17 惯性跟踪 当 CVCO （20 脚）被拉低到15V 时， 6 路输出驱动器均关断。惯性跟踪COAST 功能切 断所有的电源使电机随惯性至停止。20 脚的惯性跟踪功能见图15，它可由一只接地开关或由图 15 中 20 脚的接地的开路集电极接地的开关管来驱动。 2.18 欠压保护 欠压保护用于保护低VCC状况下的三相功率级。欠压保护是在VCC=9.2V 或更低时被启动。 欠压保护也关断全部输出驱动器LA、LB、LC 和 HA 、HB 、HC 。启动过电压的比较器具有500mV的 滞后。 2.19 输出驱动器到三相桥功率级的接口电路 大多数灵活的电路结构，是采用高边驱动器来控制N沟道 MOSFET 或 IGBT，它允许的应 用范围是12170V。 3 的典型应用电路 图 16 给出了典型应用中的ML4435及所有支持电路， 图 17 则给出了采用IR 公司的 IR2118 作高边驱动器的功率级电路和高压MOSFET 。