無刷直流電機(jī)控制器MC33035的原理及應(yīng)用
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關(guān)鍵詞：無刷 直流電機(jī) 控制 MC33035
1 概述
MC33035無刷直流電機(jī)控制器采用雙極性模擬工藝制造，可在任何惡劣的工業(yè)環(huán)境條件下保證高品質(zhì)和高穩(wěn)定性。該控制器內(nèi)含可用于正確整流時(shí)序的轉(zhuǎn)子位置譯碼器，以及可對傳感器的溫度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)膮⒖茧娖?，同時(shí)它還具有一個(gè)頻率可編程的鋸齒波振蕩器、一個(gè)誤差信號放大器、一個(gè)脈沖調(diào)制器比較器、三個(gè)集電極開路頂端驅(qū)動(dòng)輸出和三個(gè)非常適用于驅(qū)動(dòng)功率場效應(yīng)管（MOSFET）的大電流圖騰柱式底部輸出器。此外，MC33035還有欠鎖定功能，同時(shí)帶有可選時(shí)間延遲鎖存關(guān)斷模式的逐周限流特性以及內(nèi)部熱關(guān)斷等特性。其典型的電機(jī)控制功能包括開環(huán)速度、正向或反向、以及運(yùn)行使能等。
2 管腳排列及功能定義
MC33035的管腳排列如圖1所示，各引腳功能定義見表1。
表1 MC33035的管腳功能定義定
| 管腳編號 | 符 號 | 功能定義 |
| 1，2，24 | BT，AT，CT | 三個(gè)集電極開路頂端驅(qū)動(dòng)輸出，用于驅(qū)動(dòng)外部上端功率開關(guān)晶體管 |
| 3 | Fwd/Rev | 正向/反向輸入，用于改變電機(jī)轉(zhuǎn)向 |
| 4，5，6 | SA,SB,SC | 三個(gè)傳感器輸入，用于控制整流序列 |
| 7 | Ooutput Enable | 輸出使能，高電平有效。該腳為高電平時(shí)，可使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) |
| 8 | Reference Output | 此輸出為振蕩器定時(shí)電容CT提供充電電流，并為誤差放大器提供參考電壓，也可以向傳感器提供電源 |
| 9 | Current Sense Noninverting Input | 電流檢測同向輸入。在一個(gè)給定的振蕩器周期中，一個(gè)相對于管腳15為100mV的信號可中止輸出開關(guān)導(dǎo)通。通常此管腳連接到電流檢測的上端 |
| 10 | Oscillator | 振蕩器引腳，振蕩頻率由定時(shí)元件RT和CT所選擇的參數(shù)值決定 |
| 11 | Error Amp Noninverting Input | 誤差信號放大器同向輸入。通常連接到速度設(shè)置電位器上 |
| 12 | Error Amp Noninverting Input | 誤差信號放大器反向輸入。在開環(huán)應(yīng)用情況下，此輸入通常連接到誤差放大器輸出端 |
| 13 | Error Amp Out/PWM Input | 誤差放大器輸出/PWM輸入。在閉環(huán)應(yīng)用情況下，此管腳用作補(bǔ)償 |
| 14 | Fault Output | 故障輸出端。當(dāng)下列的任一或多個(gè)條件滿足時(shí)，集電極開路輸出端被觸發(fā)而變?yōu)榈?；無效的傳感器輸入碼，電流檢測超過100mV，低電壓鎖定或熱關(guān)斷 |
| 15 | Current Sense Inverting Input | 電流檢測反向輸入端。用于給內(nèi)部100mV門限電壓提供參考地，該管腳通常連接到電流檢測電阻的底端 |
| 16 | Gnd | 該管腳用于為控制電路提供一個(gè)分離的接地點(diǎn)，并可以作為參考返回到電源地 |
| 17 | Vcc | 正電源。Vcc在10V～30V的范圍內(nèi)，控制器均可正常工作 |
| 18 | Vc | 底部驅(qū)動(dòng)輸出的高端電壓是由該管腳提供的，它的工作范圍從10V～30V |
| 19，20，21 | CB,BB,AB | 這三個(gè)圖騰柱式底部驅(qū)動(dòng)輸出被設(shè)計(jì)用于直接驅(qū)動(dòng)外部底部功率開關(guān)晶體管 |
| 22 | 60/120Select | 此管腳的電氣狀態(tài)可決定控制電路是工作在60（高電平狀態(tài)）還是120（低電平狀態(tài)）的傳感器電氣相位輸入狀態(tài)下 |
| 23 | Brake | 輸出使能。該管腳為低時(shí)允許馬達(dá)運(yùn)行，為高時(shí)馬達(dá)運(yùn)行停止 |
表2 三相六步換向器真值表
輸 入 | 輸 出 | |||
| 60度 SA SB SC | 120度 SA SB SC | 正向/反向 使能 電流檢測 | 頂部驅(qū)協(xié) AT BT CT | 底部驅(qū)動(dòng) AB BB CB |
| 1 0 0 | 1 0 0 | 1 1 0 | 0 1 1 | 0 0 1 |
| 1 1 0 | 1 1 0 | 1 1 0 | 1 0 1 | 0 0 1 |
| 1 1 1 | 0 1 0 | 1 1 0 | 1 0 1 | 1 0 0 |
| 0 1 1 | 0 1 1 | 1 1 0 | 1 1 0 | 1 0 0 |
| 0 0 1 | 0 0 1 | 1 1 0 | 1 1 0 | 0 1 0 |
| 0 0 0 | 1 0 1 | 1 1 0 | 0 1 1 | 0 1 0 |
| 1 0 0 | 1 0 0 | 0 1 0 | 1 1 0 | 1 0 0 |
| 1 1 0 | 1 1 0 | 0 1 0 | 1 1 0 | 0 1 0 |
| 1 1 1 | 0 1 0 | 0 1 0 | 0 1 1 | 0 1 0 |
| 0 1 1 | 0 1 1 | 0 1 0 | 0 1 1 | 0 0 1 |
| 0 0 1 | 0 0 1 | 0 1 0 | 1 0 1 | 0 0 1 |
| 0 0 0 | 1 0 1 | 0 1 0 | 1 0 1 | 1 0 0 |
| 1 0 1 | 1 1 1 | X X X | 1 1 1 | 0 0 0 |
| 0 1 0 | 0 0 0 | X X X | 1 1 1 | 0 0 0 |
| V V V | V V V | X 0 X | 1 1 1 | 0 0 0 |
| V V V | V V V | X 1 X | 1 1 1 | 0 0 0 |
| 表中,V表示六個(gè)有效傳感器或驅(qū)動(dòng)組合中的一個(gè)，X表示無關(guān)；輸入邏輯0定義為小于85mV，邏輯1為于115mV | ||||
3 工作原理
MC33035的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
圖2 MC33035的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖
MC33035內(nèi)部的轉(zhuǎn)子位置譯碼器主要用于監(jiān)控三個(gè)傳感器輸入，以便系統(tǒng)能夠正確提供高端和低端驅(qū)動(dòng)輸入的正確時(shí)序。傳感器輸入可直接與集電極開路型霍爾效應(yīng)開關(guān)或者光電耦合器相連接。此外，該電路還內(nèi)含上拉電阻，其輸入與門限典型值為2.2V的TTL電平兼容。用MC33035系列產(chǎn)品控制的三相電機(jī)可在最常見的四種傳感器相位下工作。MC33035所提供的60度/120度選擇可使MC33035很方便地控制具有60度、120度、240度或300度的傳感器相位電機(jī)。其三個(gè)傳感器輸入有八種可能的輸入編碼組合，其中六種是有效的轉(zhuǎn)子位置，另外兩種編碼組合無效。通過六個(gè)有效輸入編碼可使譯碼器在使用60度電氣相位的窗口內(nèi)分辨出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。表2所列是其真值表。
MC33035直流無刷電機(jī)控制器的正向/反向輸出可通過翻轉(zhuǎn)定子繞組上的電壓來改變電機(jī)轉(zhuǎn)向。當(dāng)輸入狀態(tài)改變時(shí)，指定的傳感器輸入編碼將從高電平變?yōu)榈碗娖?，從而改變整流時(shí)序，以使電機(jī)改變旋轉(zhuǎn)方向。
電機(jī)通/斷控制可由輸出使能來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)該管腳開路時(shí)，連接到正電源的內(nèi)置上拉電阻將會(huì)啟動(dòng)頂部和底部驅(qū)動(dòng)輸出時(shí)序。而當(dāng)該腳接地時(shí)，頂端驅(qū)動(dòng)輸出將關(guān)閉，并將底部驅(qū)動(dòng)強(qiáng)制為低，從而使電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。
MC33035中的誤差放大器、振蕩器、脈沖寬度調(diào)制、電流限制電路、片內(nèi)電壓參考、欠壓鎖定電路、驅(qū)動(dòng)輸出電路以及熱關(guān)斷等電路的工作原理及操作方法與其它同類芯片的方法基本類似，這里不多述。
圖3 三相六步全波電機(jī)控制電路
4 實(shí)際控制電路
4.1 三相六步電機(jī)控制電路
圖3所示的三相應(yīng)用電路是具有全波六步驅(qū)動(dòng)的一個(gè)開環(huán)電機(jī)控制器的電路連接圖。其中的功率開關(guān)三極管為達(dá)林頓PNP型，下部的功率開關(guān)三極管為N溝道功率MOSFET。由于每個(gè)器件均含有一個(gè)寄生箝位二極管，因而可以將定子電感能量返回的電源。其輸出能驅(qū)動(dòng)三角型連接或星型連接的定子，如果使用分離電源，也能驅(qū)動(dòng)中線接地的Y型連接。
在任意給定的轉(zhuǎn)子位置，圖3所示的電路中都僅有一個(gè)頂部和底部功率開關(guān)（屬于不同的圖騰柱）有效。因此，通過合理配置可使定子繞組的兩端從電源切換到地，并可使電流為雙向或全波。由于前沿尖峰通常在電流波形中出現(xiàn)，并會(huì)導(dǎo)致限流錯(cuò)誤。因此，可通過在電流檢測輸入處串聯(lián)一個(gè)RC濾波器來抑制類峰。同時(shí),Rs采用低感型電阻也有助于減小尖峰。
4.2 有刷電機(jī)控制電路
雖然MC33035是專為控制無刷直流電機(jī)而設(shè)計(jì)的，但它也可以用來控制直流有刷型電機(jī)。圖4所示就是一個(gè)使用MC33035來控制直流有刷型電機(jī)的典型應(yīng)用電路實(shí)例。
圖4中，MC33035通過驅(qū)動(dòng)一個(gè)H型電四橋可用最少的器件來控制一個(gè)有刷電機(jī)。該控制的關(guān)鍵在于：要將輸入傳感器編碼為100，同時(shí)，在控制器正向/反向管腳為邏輯電平1時(shí)，還應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)頂部到左Q1和底部到右Q3的驅(qū)動(dòng)信號，而當(dāng)正向/反向管腳的邏輯電平為時(shí)，則應(yīng)產(chǎn)生頂部到右Q4和底部到左Q2的驅(qū)動(dòng)。該編碼可以保證H型驅(qū)動(dòng)同時(shí)滿足方向和速度控制的要求。該控制器可在大約25kHz的脈寬調(diào)制頻率下正常工作。電機(jī)速度的控制可通過調(diào)節(jié)誤差放大器同相輸入端的電壓來輸入。而電機(jī)電流的逐周限流則可由檢測H型電橋電機(jī)電流并通過電阻Rs到地之間所產(chǎn)生的電壓（100mV門限）來實(shí)現(xiàn)。由于利用過流檢測電路可改變電機(jī)轉(zhuǎn)向，因此，在工作時(shí)，使用正常的正向/反向切換不需要在變向前完全停止。
圖4 H型電機(jī)有刷型控制器電路
在布線時(shí)，不要在繞接或插入式樣機(jī)板上構(gòu)建任何電機(jī)控制電路，采用高頻印制電路布線對防止脈沖抖動(dòng)極為重要。通常由于在電流檢測傳感器或誤差信號放大器輸入端有過量噪聲。因此，印制電路布局應(yīng)該具有一個(gè)小電流信號和高驅(qū)動(dòng)輸出緩沖地的接地面，并應(yīng)通過分開的通路返回到電源輸入濾波器電容上。在VCC、Vref和誤差放大器同向輸入端，是否需要在靠近集成電路的地方接一個(gè)瓷介電容（0.01μF），可視電路布局而定。但所有的大電流回路都應(yīng)盡可能短，并應(yīng)盡量使用粗銅線走線以降低EMI輻射。
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