無傳感器的直流無刷電機控制器ML4435及其應用

— —磁 極 的 數 目N；

— —反 電 勢 常 數Ke(V·s/rad)；

— —電 機 的 轉 矩 常 數Kτ(N·m/A） ；

Kτ=Ke(SI單 位)；

— —最 大 轉 速nmax（r/min） ；

— —電 機 和 其 負 載 的 轉 動 慣 量J（kg·m2） ；

— —電 機 和 其 負 載 的 粘 滯 阻 尼 因 數 ξ 。

若 上 述 數 值 有 幾 個 不 知 道 ， 仍 能 通 過 實 驗 來 確 定 元 件 的 最 佳 值 。 下 述 公 式 和 元 件 選 擇 圖 可 作 為 優(yōu) 化 應 用 的 起 點 。 可 選 用 最 靠 近 近 似 計 算 結 果 的 標 準 值 元 件 。

2. 2 電 源 和 芯 片 電 壓 基 準

10腳 電 源 電 壓VCC=（12±10％ ）V， 推 薦 在VCC腳 與 地 之 間 接 一0. 1μF的 旁 路 電 容 器 ， 并 盡 量 靠 近VCC端 接 地 。 在ML4435內 部 產 生6 V基 準 電 壓 ， 它 出 現 在RT腳 ， 在 該 腳 對 地 接 一 只 電 阻 可 設 定PWM頻 率 。 可 用 電 位 器 取 代 該 電 阻 來 設 置 速 度 指 令 （ 詳 見2? 16） 。 注 意 ： 若 要 在6腳 加 外 部 電 路 ， 則 要 用 一 輸 入 阻 抗 至 少 為1 MΩ 的 運 算 放 大 器 作 該 腳 的 緩 沖 器 。

2. 3 輸 出 驅 動 器

輸 出 驅 動 器LA、LB、LC和HA、HB、HC為 三 相 橋 功率級提供圖騰柱式輸出驅動信號。ML4435的全部控制功能都從這6個腳輸出。其中LA、LB、LC分別為三相功率極的A、B、C提供低邊驅動信號，其有效高電平信號為12V。而HA、 HB、 HC分別為三相功率級的A、B、C相提供高邊驅動信號，其有效低電平信號為12V。

2.4 三相橋式功率級的電流限制

圖3中電流傳感電阻RSENSE安設在三相功率級，可調節(jié)功率級和直流無刷電機的最大電流。如RSENSE二端電壓超過19腳SOFTSTART設置的電流限制門限電平，則電流調節(jié)是在PWM周期的剩余段關斷輸出驅動器LA、LB、LC來實現的。RSENSE最大功耗見圖4。

圖 3 用RSENSE作 電 流 限 制

圖 4 RSENSE的 額 定 功 率 與 電 機 電 流 的 關 系

2.5 軟起動

SOFTSTART（19腳）上電壓設定電流限制門限電平。ML4435有一個1?1V電源電壓的內部分壓器，見圖5。分壓器由兩只225kΩ電阻組成，它把電流限制門限電平設定在0?55V左右?？捎猛獠糠謮浩骰蛲獠炕鶞蕘砣〈鶶OFTSTART的設置，其電流大于內部分壓器10倍。可在該腳對地接一只電容器，作功率上升時電流限制的軟斜升。可用圖6選擇斜升時間。

圖5 19腳 的 軟 起 動 功 能

圖6 軟 起 動 斜 升 時 間 與 軟 起 動 電 容 關 系

2.6 RSENSE

RSENSE提供與電機電流成比例的電壓，作電流限制。RSENSE端的失效閉鎖電壓是0.6V，它由SOFTSTART（19腳）設定。電流傳感電阻應是低電感的，例如碳膜電阻。用線繞mΩ級的電阻，應盡力降低電感。其額定功率正比于功耗Imax2RSENSE。

2.7 ISENSE濾波器

ISENSE輸入端（1腳）需要接一個RC低通濾波器，以消除電流傳感信號前沿的尖峰電壓，它由二極管反向恢復時的穿透電流引起。若無該濾波器會出現電流限制的虛假觸發(fā)。此電路推薦的標準值R=1kΩ，C=1000pF，可濾除窄于1μs的尖峰干擾。電容值不宜超過3300pF。濾波前后的波形見圖7。

圖7 ISENSE濾 波 波 形

2.8 逐個脈沖式電流限制

當ISENSE腳電壓超過SOFTSTART腳電壓時，電流限制電路被激活，它在PWM周期的剩余階段關閉驅動器LA、LB和LC。

2.9 換向控制

一臺三相直流無刷電機需要電子換向，以實現旋轉運動。電子換向要求開通和關斷三相半橋式功率開關。為了讓轉矩實現單一方向，由轉子的位置給出換向指令。要實現ML4435的電子換向，是通過適當時序來開通和關斷一相低輸出L和另一相高輸出H?？偣泊嬖诹NL和H輸出組合（即六種開關狀態(tài)），如表3標出的狀態(tài)A～狀態(tài)F，它們構成一個完整的換向循環(huán)周期。這一開關時序被編程在圖8所示的換向狀態(tài)機中，該換向狀態(tài)機的時鐘是由VCO的輸出提供。

表3 6種換向控制狀態(tài)

圖8 換 向 狀 態(tài) 機

2. 10 壓 控 振 蕩 器

VCO在TACH（2腳 ） 輸 出 一TTL兼 容 的 時 鐘 脈表示驅動器導通沖 ， 它 正 比 于SPEED FB（ 18腳 ） 輸 入 電 壓 。 頻 率 與 電 壓 或 與 VCO常 數 KV的 比 例 ， 由 圖 9中 的 RVCO（ 4腳 ） 接 地 電 阻 和 CVCO（ 20腳 ） 接 地 電 容 器 來 設 定 。

圖9 VCO控制

RVCO設定的電流正比于VCO輸入電壓SPEEDFB減去0.7V。該電流用于門限電壓在2～3.75V之間對CVCO充電和放電，見圖9。RVCO限制在0.2V較低電壓。這導致CVCO的三角波形對應于TACH腳時鐘，也見圖9。當VCO的輸入等于或稍小于6V時，KV被設定在VCO輸出頻率對應于最大換向頻率fmax，即對應于最大電機速度。CVCO和RVCO可由首次計算的fmax值來選擇：

fmax=0.05×nmax×N

2.11 TACH

TACH（2腳）輸出VCO頻率，它6倍于換向頻率。當電機在最低轉速時（即SPEEDFB低于0?97V），TACH輸出還表示因TTL停留在高電平而使電機處于低轉速。

2.12 反電勢取樣器電路

輸入到VCO的SPEEDFB（18腳）受反電勢取樣器控制。反電勢傳感腳FBA、FBB、FBC輸入到反電勢取樣器，需要來自電機各相引線的信號，該信號低于ML4435的VCC值。相位傳感的輸入阻抗是8.7kΩ。如果電機電壓大于ML4435的VCC值，則需要串接電阻RFB到電機各相引線，見圖10。RFB可從圖11曲線選擇或利用下式算出：

RFB=8.7kΩ(VMOTOR/12－1)

圖10 反 電 勢 取 樣 器 電 路

圖11 RFB與VMOTOR（max） 相 應 關 系

反電勢取樣器把電機各相電壓分壓為低于VCC=12V（正常值）的信號電壓，并由下述方程式計算電機的中性點電壓：

VNEUTRAL=(VFBA＋VFBB＋VFBC)/3。

這就允許ML4435能比較反電勢信號與電機中性點，而不需要從Y接繞組的電機中引出一信號線。對△接繞組的電機，因不存在物理中點，故必須計算該基準參考點。

反電勢取樣器所獲電機相位，是未被驅動時的值：也就是如果LA和HB均導通，那么相位A被驅動為低電平，相位B被驅動為高電平，相位C則被取樣。被取樣相位提供一個反電勢信號，它對照電機的中性點作比較。取樣器受換向狀態(tài)機器控制。取樣的反電勢經一個誤差放大器與中性點比較。誤差放大器的輸出端送出充電或放電電流到SPEEDFB（18腳），它向VCO提供電壓。

2.13 反電勢傳感的鎖相環(huán)換向控制

由換向狀態(tài)機、VCO、反電勢取樣器三者構成一個鎖相環(huán)路，以使換向時鐘自動跟蹤反電勢信號。完整的鎖相環(huán)路見圖12。該鎖相環(huán)需要一個超前—滯 后 濾 波 器 ， 它 由SPEED FB（18腳 ） 外 部 元 件 來 設 置 。

圖12 PLL鎖相環(huán)路

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