无传感器的直流无刷电机控制器ML4425及其应用（1）

无传感器的直流无刷电机控制器ML4425及其应用（1）  

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

1  引言

    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。其速度环是由机载放大器控制。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。

    ML4425的主要性能如下：

    1）可独立工作；

    2）通过IC控制电机的起动和停止；

    3）机载起动时序为校准→斜升→设定速度；

    4）获专利的反电势换向技术为最短的“自转”时间提供了无抖动转矩；

    5）具有机载速度控制环；

    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；

    7）PWM控制可得到最高效率；

    8）MOSFET直接驱动12V电机；驱动高压电机需要用IR、IXYS、Harris、PowerIntegration、Siliconix等公司生产的IC缓冲器。

2  ML4425的结构与参数

2.1  ML4425的结构

    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。

(a)窄形28脚

(b)方形32脚

图1  ML4425集成电路两种封装型式

图2  ML4425电机控制器内部功能框图

    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）I_SENSE：电机的电流传感输入端。当I_SENSE超过0.2×I_LIMIT时，三路输出驱动器LA、LB、LC均被关闭一个固定时间（由C_IOS电容量确定）。

    脚2（31）HA：A相高边开关的有源低输出驱动器。

    脚3（32）HB：B相高边开关的有源低输出驱动器。

    脚4(1)HC：C相高边开关的有源低输出驱动器。

    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6（4）C_T：一只电容器接C_T与地之间，可设定PWM振荡器频率。

    脚7（5）V_REF：6.9V基准参考电压输出。

    脚8（6）SPEED SET：速度控制环输入端，变化范围从0（停机）到V_REF（最大速度）。

    脚9（7）LA：A相低边开关的有源高输出驱动器。

    脚10（8）LB：B相低边开关的有源高输出驱动器。

    脚11（9）LC：C相低边开关的有源高输出驱动器。

    脚12（10）I_LIMIT：该脚电压把I_SENSE的门限电压设定在0.2×I_LIMIT，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14（12）V_DD：12V电源电压输入端。

    脚15（15）C_VCO：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）R_VCO：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）C_AT：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V_DD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）C_RT：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）C_RR：当控制器处于斜升状态时，在C_RR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）C_IOS：该脚对地接一只电容器，可设置在I_SENSE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）R_REF：该脚对地接一只137kΩ的电阻器，可设置与V_REF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）。

    脚28（28）GND：信号地与功率地端。

2.2  ML4425的参数

2.2.1  ML4425极限值（绝对最大额定值）

    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。

    电源电压（脚14）V_DD：14V；

    逻辑输入（SPEED FB，BRAKE）：（GND－0.3）～7V；

    所有其它输入和输出：（GND－0.3）～（V_DD＋0.3）；

    输出电流（LA、LB、LC、HA、HB、HC）：±50mA；

    结温：150℃；

    储存温度：－65℃～150℃；

    引脚焊接温度：260℃（10s内）。

2.2.2  ML4425的运行条件

    温度范围  ML4425GX 0～70℃；

              ML4425IX －40～85℃。

    V_DD        10.8～13.2V。

2.2.3  ML4425的电特性

    ML4425的电气参数如表1所列。

表1  ML4425电气参数

除非另有说明，通常V_DD=12V±10％，R_SENSE=1Ω，C_VCO=10nF，C_IOS=100pF，R_REF=137kΩ，T_A=工作温度（注1，注2）。

注1：限制的保证是作100％测量，取样或在最坏测试条件下调节。

注2：关于状态的解释参见图4和表2。

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。

3  ML4425的功能原理

    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放大器和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V_DD变为低压时，可关闭输出驱动器。

3.1  元件的选择

    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：

    直流电机电源电压    V_MOTOR（V）；

    最大工作电流    I_MAX（A）；

    磁极的数目    N；

    反电势常数    K_e（V_－S/R_ad）；

    电机的转矩常数    K_t(N·m/A)(K_t=K_e，单位SI)；

    最大运行速度    RPM_MAX（r/min）；

    电机和负载的转动惯量    J(kg·m²)；

    电机和负载的粘滞阻尼因数    ξ。

    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。

3.2  电源和基准参考电压

    电源电压V_DD通常为12V±10％。应尽量靠近V_DD端对地接一只100nF旁路电容器。提供6.9V电压基准输出V_REF，来设置ML4425的速度指令和电流限制。需要在R_REF端对地接一只137kΩ电阻器，为IC内部功能建立一个基准电流。

3.3  输出驱动器

    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。

3.4  功率级的电流限制

    电流传感电阻器R_SENSE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R_SENSE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。

图3  在三相12V功率级中使用传感电阻器R_SENSE

    1）I_LIMIT  在I_LIMIT脚上的电压设定了电流限制门限电平。

    ML4425内部有一个从V_REF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V_REF为基准的外部分压器，可用于拒绝错误的I_LIMIT设置。外部分压器的电流至少应比内部分压器电流大10倍。

图4  电流传感电路

    2）R_SENSE  R_SENSE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。R_SENSE两端错误跳闸电压是460mV，它由内部I_LIMIT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）I_SENSE滤波器  接I_SENSE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。

(a)无滤波时        (b)经滤波后

图5  电流传感电阻器波形

    4）C_IOS   当I_SENSE超过0.2×I_LIMIT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（t_OFF）内关断LA、LB和LC。t_OFF由接到C_IOS脚的电容设定。通常C_IOS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t_OFF应在20μs～40μs之间。对t_OFF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C_IOS电容量的方程为：

      C_IOS=(t_OFF×50μA)24V=100pF（1）

3.5  换向控制

    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。

图6  输出换向时序的定时波形

（循环周期1：完整的换向；循环周期2：按50％PWM占空比换向）

表2  ML4425的6种换向状态功能