无传感器的直流无刷电机控制器ML4435及其应用

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，为起动和控制接或丫接绕组的直流无刷（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的外形引

2、脚图，图 2是它的内部功能 方框。1ml4435 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；pwme个脉冲式电流限制，可保护电机和mosfe工区动器；可单台工作；软起动功能可限制起动电流；脉宽调制 pw城度控制可提高效率，并尽量减小mosfek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。1sknse ( latilf v| oii*rvc c)mk

3、aill3rigirandimjtk：1网1 i rsl l hri summi h h flmpakahw2=0=- ri t m.4h -kt l strijtrlnc elj,=jvri j此前aajeoiaei) i- *ii r ih 2 v机推mjs ml#i35叫皖学郴因f埠刘，未做除净化*tjy；2ml443助能详解2. 1ml4435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vmoto rv); 最大工作电流 i max (a)；测量引线间的绕组电阻r1-1( q); 磁极的数目n； 反电势常数 k

4、e(v s/rad)；电机的转矩常数kp (n m/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 (kg-m2)电机和其负载的粘滞阻尼因数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却与地之间接一 0. 1所 的旁路电容器，并尽量靠近vcc 端接地。在ml443呐部产生6v基准电压，它出现在rt脚，在该脚对地5只电阻可设定pwm5率。可用电位 器取代该电阻来设置速度指令(详

5、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、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 o2.4三相桥式功率级的电流限制图3中电流传感电阻 rens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rens二端电压超过19脚softsta

6、rt；置的电流限制门限电平，则电流调节是在pwm0期的剩余段关断输出驱动器 la、lb、lc来实现的。rense最大功耗见图4。ft m31装引胆功能1 符号1 电机电流传感输人端.带人融过2 65 0. 55 的,它触发逐个脉即式电施限制当speed fh大干骗9tv时,每个揍向同3 tach 期时钟蝙附6个冲.另外i虱川喻出任3资comp速幽环料依冠件的接点.4 ttvcn 设定uj 率的外部电阻捶点5 weed谀置电机速度的h流痛人瑞“t 外部电阴接诙卿到地，吃柠制比的15m6 hi特率ilahhticlai.hlt：fh xfh b电机“柑的高边喻舟印加瑞信b 电机h机的高边输出曲幼翔

7、值号 电机c和的猛边棉加非动器信号 电源输入端电机a相的低迫输出物动踞*号 电机b柑的处边输出噩动器信号 也机c郴的低边输出驱动器信号 电机a郴的反电将恃巧输入甄 电机b福的反电售伍号哈人端16 nr i：电机（:程的运电势付丁输入瑞17 c、n值号用电源的接地襦】帛speed *h反世势佐憾补偿元件的接点19 sot stairr外郃软起动电容器的接.也，可改小起就电流谀置、co林率的外陆叱容器报点强迫暧20 cvco 党人端低于l51.也帙向停止.与使电机 跟踪惯件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。

8、分压器由两只 225k q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勺设置，其电流大于内部分压器10倍。可在6选择斜升时间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 2ml4435的主要电气参数(除另有说明外.7a为工作温及范用.im = (1 10% ) 12 v, /?=50 1kt5.866.2vvco偏低范闱时 偏高范bw0.2v6v较低门限电平2vri“)较高门以电平 跟踪*动门限 电平3. 75v1.5v反电铸消除门 限电f2.875v速度反馈辎出色06.7v最低相率电压速度反馈电压0.9v鞋出失效门限 电平t

9、acii输出二高0. 97反电势取样器电流速度眨用电压 =3.3180反电势传感反馈输人论用fb a. ebb ffl fbc 0乂 lvtaciitach瑜出低 电平tach输出高入“二 1000.20.4v4.8也平/vh k 1 100从、4. 3v速度误差放大器速度设定范困06v速度比较电流速度比较电压 =5. 145g速收比较喻出 较低希位/ 2 t 45|i 2. 15v速度比较输出8.2较高希0./二士 45pi 条件最小典型最大单位符号 参数rense振荡器1ny 粮串 xi. x2, x3172533klk占本比0100电流传感技起动电风0.4ft 0. 5h 0. 6x%口

10、限电平0.5输出低电* an* =。0,5iy喻出高电平,匐、0.5v 1-欠压锁定超向门来电平. 1 9. 29.7v.k%门限电平8.2 r.79电源八电源电漉15ma2.6rsens拨供与电机电流成比例的电压，作电流限制。rens端的失效闭锁电压是 0.6v ,它由softstart19脚）设定。电流传感电阻应是低电感的，例如碳膜电阻。用线绕mq级的电阻，应尽力降低电感。其额定功率正比于功耗i max2rsenseo2.7i sense滤波器i sens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

11、限制的虚假触发。此电路推荐的标准值r=1kq, c=1000pf,可滤除窄于1 as的尖峰干扰。电容值不宜超过3300pf。滤波前后的波形见图7图4 r、.z的频定功牵与电机电流的关系图519脚的软起动功能2.8e软盘动尹h m网与致艇动电客关系逐个脉冲式电流限制sense脚电压超过softstart，电压时，电流限制电路被激活，它在pwn倜期的剩余阶段关闭驱动器la、lb和lc。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

12、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。用x 柒向状态枇h神模向控制状毒6肿 状塞海出中动案laibucha丽阮a低低低1条k低限高| k ：*岛c高(11低a假高高帐假备高f低e徵a1fta高低f假g低, -高2.10压控振荡器vco在tach2脚）输出一 ttl兼容的时钟脉表示驱动器导通冲，它正比于speedfb（ 18脚）输入电压。频率与电压或与 vco常数kv的比例，由图9中的rvco4脚）地电阻和cvc。2

13、0 脚）接地电器来设定。rvco设定的电流正比于 vc的入电压speedfbm去0.7v。该电流用于门限电压在 23.75v之间对cvc电和放电，见图 9。rvco艮制在0.2v较低电压。这导致 cvco勺三角波形 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。 cvcof口 rvcom由首次计算的f max值来选择：f max=0.05 x nmaxx ntachi （2脚）输出vco1率，它6倍于换向频率。当电机在最低转速时（即speedf日氐于097v） , tachw出还表示因ttl

14、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speedfb18脚）受反电势取样器控制。反电势传感脚fba fbr 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 q。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。rb可从图11曲线选择或利用下式算出：rfb=8.7k q （vmok/12 1）反电势取样器把电机各相电压分压为低于vc=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：vneutra=（ vfba+ vbeb-p vzbc

15、）/3 o田hi通电强氢作:h电毯履i i 格e。j相应关系这就允许 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speedfb18脚），它向vc巡供电压。2.13 反电势传感的锁相环换向控制由换向状态机

16、、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一滞后滤波器，它由 speedfb18脚）外部元件来设置 。与12 p1.im抽坏两2.14 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vco1率开始使电机换向。该低频换向由rvcoh的0 2v箝位设定，这就提供一为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s

17、peedse诧压设置的速度。2.16pwm速度控制速度控制是由在 speedset5脚）设置的速度指令来完成的，该脚输入电压为0.26v。速度指令的精度由外部元件rvc环口 gc抽定。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。经跨导误差放大器，速度指令与比 speedfb 18脚）低0 7v的传感速度相比较。 速度误差放大器的输出端是 speedcomp3脚），它被箝位在8.22.2v之间。8 2v信号与全 pwmfe空比相对应，而 2.

18、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：1* 44 * * ac x 1mlim x ktc.” * lin式中：freq是速度环路的带宽（hz）图13中3压电压与三角波振荡器比较，产生一pwm占空比。pwmb荡器产生一个 37v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，以控制输出驱动器la、lb、lco2.17 惯性跟踪当cvco（20脚）被拉低到1 5v时，6路输出驱动器均关断。惯性跟踪coas也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。田i ft 。ie v * *叫相住左系比惶2.18 欠压保护欠压