无传感器的直流无刷电机控制器ML4425及其应用（2）

无传感器的直流无刷电机控制器ML4425及其应用（2）   摘要：介绍了ML4425脉宽调制电机控制器的功能及其应用。 关键词：三相直流无刷电机；无传感器；反电势取样器；锁相环   图7VCO外部元件的连接与振荡器波形     (b)振荡器波形     (a)外部元件的连接     3?6压控振荡器（VCO） 压控振荡器在VCO/TACH脚提供一个TTL兼容的时钟输出，它与SPEEDFB脚的VCO输入电压成比例。VCO频率与电压之间的比例常数KV，是由图5中接RVCO脚的80.6kΩ电阻器和接CVCO脚的一只电容器来设定的。RVCO设置的电流与SPEEDFB端的VCO输入电压成比例。该电流用于在2.3V～4.3V范围内对CVCO充电和放电，如图7所示。 在CVCO脚产生的三角波对应于VCO上的时钟脉冲。比例常数KV应当这样设定，即当VCO输入等于或稍小于VREF时，VCO输出频率对应于最大的换向频率或最大电机速度。CVCO可用式（2）计算 CVCO=（2） 并选用等于或小于计算值的最接近标准参数的电容。 VCO脚上的最大频率由式（3）求出 fMAX=0.05×N×RPMMAX(3) VCO/TACH脚的电压等于转子的速度。SPEEDFB脚的电压由反向电势取样器控制。 3?7反电势取样器 压控振荡器的输入端是反电势取样器。输入到反电势取样器的反电势传感脚FB?A、FB?B和FB?C，需要一个电机相位引线的信号，它低于ML4425的电源电压VDD值。相位传感的输入阻抗是8kΩ。这就需要一只电阻RES1串联在电机相位引线，见图8，它可由式（4）求得 RES1=（670Ω/V）×(VMOTOR－10V)（4）     ()           无传感器的直流无刷电机控制器ML4425及其应用（2）     图8反电势取样器方框图     图9反电势换向锁相环路方框图     反电势取样器把电机相电压分压降低为小于VDD（正常时为12V）的信号，并由式（5）来计算电机的中性点电位VNeutral=（5） 这就使ML4425能够比较反电势对电机中性点的信号而无须从Y形绕组的电机引出一根线。对于三角形绕组的电机不存在物理的中性点，所以该参考基准点应能在任何情况下来计算。 反电势取样器测量电机的相位，是没有驱动时的相位。也就是说如果LA和HB均导通，那么相位A被驱动为低电平，相位B被驱动成高电平，而相位C则被取样。已取样的相位提供一个反电势信号，它对照比较电机的中性点。 取样器由换向状态机器控制。已取样的反电势信号，经一个误差放大器与中性点相比较。误差放大器的输出端，则向SPEEDFB脚输出充电电流或放电电流，使它向VCO提供控制电压。 3?8反电势传感的锁相环换向控制 由换相状态机器、压控振荡器和反电势取样器三个单元组成一个锁相环路，它跟踪在反电势信号上的换向时钟脉冲。完整的锁相环路方框见图9。锁相环路需要一个导引滞后滤波器，它由SPEEDFB脚外部元件来设置。这些元件可由式（6）、式（7）、式（8）计算CSPEEDFB1=0.25××（6）RSPEEDFB=2×M×ln×(7) CSPEEDFB2=CSPEEDFB1×(M－1)（8） 3?9起动时序 当电源最先加到ML4425电动机处于静止状态时，反电势等于零。电机需要旋转，使反电势取样器锁定在转子位置，并且使电动机换向。ML4425采用开环起动技术，使转子从静止到足够快的速度，从而使能够传感反电势。起动由三个状态组成：校准状态，斜升状态和转动状态。 1）校准状态（复位） 在电机可以起动之前，转子必须处在已知位置。当电源最先加到ML4425时，控制器被复位到校准状态。校准状态使输出驱动器LB、HA、HC导通，在第一个换向状态进入中心位置之前，把电机校准到电气30°位置上。这就是表2中换向状态里的R状态。校准状态必须有足够长的持续时间，使电机及其负载稳定在该位置上。 校准状态时间是由接CAT脚的电容来设定的，见图10。CAT由恒流750μA充电，使CAT脚电压从0V升到1?5V，直到校准比较器关闭结束校准状态。CAT的起始点数值按式（9）计算 CAT=（9） 如果校准时间不够长，无法满足转子可靠的起动，那么应增大CAT值，直到满足希望的性能为止。 2）斜升状态 当校准状态结束时，控制器进入斜升状态。斜升状态按表2所列从状态A到F开始换向，从而在一个固定的时间段里使换向频率以及电机的转速呈直线上升。这就使电机达到一个足够高的转速，使反电势取样器跟踪换向到电机的反电势上。 ML4425停留在斜升状态的时间，由接CRT脚的电容器来确定，见图10。CRT由恒流750μA充电，使CRT脚电压从0V升到1?5V，直到斜升比较器关闭结束斜升状态。这就给出了一个固定的斜升时间。CRT由式（10）计算     图11速度控制环路的元件联接     图10ML4425控制校准时间和斜升时间的起动电路     ML4425斜升提高电机转速的速率，是由SPEEDFB脚的500μA固定电流源来确定的。该电流源对PLL滤波器元件充电，使VCO频率呈线性提高。在斜升状态期间，反电势取样器失效，以便使斜升控制只由500μA电流源来调节。基于SPEEDFB滤波器的斜升状态通常太快，以致不能保持电机提速，所以在CRR与SPEEDFB间接一只电容器，可减缓斜升的速率。最佳的斜升速率是根据电机和负载参数决定的，它可通过改变CRR数值来调节。 3）转动状态（反电势传感） 当斜升状态结束时，控制器进入转动状态。在转动状态中，反电势传感有效，并且换向已处在锁相环的控制下。电机的速度现由速度控制环调节。 3?10PWM速度控制 速度控制由SPEEDSET端设置的一个速度指令来完成，该脚输入电压为0～6.9V（VREF）。速度指令的精确度由外部元件RVCO和CVCO确定。有几种方法可用于控制ML4425的速度指令。一种方法是用一只10kΩ电位器接于脚VREF和地端之间，其中心可调端则接SPEEDSET。如果SPEEDSET由微处理器控制，那么其数－模转换器DAC可用VREF作为它的输入参考基准，见图11。 通过一个跨导误差放大器，将速度指令与从SPEEDFB来的传感速度作比较。速度误差放大器的输出是SPEEDCOMP。该SPEEDCOMP脚被箝位在两个电压之间：一是高于3?9V的一个二极管压降（约4?6V）上，另一是低于1?7V的一个二极管压降（约1?0V）上，以防止速度环路“卷紧（wind?up）”。速度环的补偿元件接该脚，见图11。速度环的补偿元件由式（11）、式（12）计算 CSC=（11） RSE=(12) 式中：fSB是速度环路的频带宽度（Hz）。 将SPEEDCOMP脚上的电压与斜升振荡器进行比较，可产生一个PWM占空比。脉宽调制的斜升振荡器产生一个1?7V～3?9V的锯齿波函数，见图11。在加电时一个低于1?7V的二极管压降（约1?0V）作为负极性箝位起动振荡器。斜坡振荡器的频率由一只接地电容器CIOS设定，可用式(13)选用 CT=（13） 式中：fPWM是PWM的频率（Hz）。 来自速度控制环的PWM占空比开启电流限制一次起动，以控制LA、LB和LC输出驱动器。 3?11交叉传导比较器 当ML4425从校准状态进入斜升状态时，在三相桥式功率级存在着交叉传导的可能性。这种交叉传导会发生在HC导通的校准状态，也就是表2中的R状态，以及发生在控制器转变到状态A的斜升状态，此时HC关断而LC则导通。由于功率器件的导通时间和截止时间存在差异，也会引起交叉传导。为了解决这个问题，LC输出驱动器被迫关断，直到HC等于VDD－3V为止，如图12所示。 3?12制动刹车 当脚BRAKE被拉低到小于1?4V时，低边输出驱动器LA、LB、LC均导通，而高边输出驱动器HA、             无传感器的直流无刷电机控制器ML4425及其应用（2）     图12交叉传导、制动刹车和欠压锁定电路     图13ML4425与外部三路MOSFET互补管组成驱动较低压（12～80V）电机应用电路     HB、HC则均截止。制动刹车功能使电机急剧减速，并使电流限制功能失效，因此使用脚BRAKE时应小心注意。BRAKE内设一只4kΩ拉高电阻器，见图12，它可以用一个接地开关，或一个开路的集电极或漏极逻辑信号，或一个TTL逻辑信号来驱动。 3?13欠压锁定 欠压锁定用于在低VDD条件下保护三相桥式功率级。当VDD为9?5V或更低时，欠压锁定功能被触发，并由脚UVFAULT上的TTL低输出来指示。欠压锁定也会关断所有的输出驱动器LA、LB、LC和HA、HB、HC。触发欠压锁定的比较器有150mV滞后。 4设计依据三相桥式功率级的接口技术 ML4425输出驱动器可驱动一个三相桥式功率级。为应用在母线电压12V～80V范围，可采用电平位移电路来驱动作为高边开关的较高电压的P沟道型MOSFET功率管，如图13所示。 最灵活的电路结构是用高边驱动器来控制N沟道型MOSFET或者IGBT，它允许应用在从低于12V、一直升高到600V高压，图14给出了ML4425与       IR2118高边驱动器之间的接口电路。该电路能驱动母线电压高达320V的电动机。用一个RC电路可使制动脚BRAKE在起动之前受脉冲作用。这能对三路高边驱动器的自举电容器C19、C20、C21进行充电，让复位相位正常地工作。 这些电容器的容量应使之在校准状态期间有足够的充电时间。 应用电路图13中外部互补管极限参数：P沟道IRFR9120反压－100V、电流－3.6A；N沟道IRFR120反压100V、电流5?8A（100℃）。应用电路图14中的MOSFET管IRF720：反向击穿电压400V、漏源电流2?6A（100℃）。