运动控制专用集成电路及应用
谭建成 (广州电器科学研究所)
【摘 要】本文为“运动控制专用集成电路及应用(续7)”(见1994年《微电机》第1期)的续篇，介绍无刷直流电动机用。TDA5142T无转子位置传感器的特点、外作原理、外接电容的选择及其对电机的控制。
【叙 词】集成电路无刷直流电动机位置传感器原理电机控制
8 TDA5142T无转子位置传感器的无刷直流电动机驱动器
TDA5140／5141／5142无刷直流电动机专用集成电路是philips生产的双极型集成电路，适用于三相全波驱动方式的无刷直流电动机。它不必采用霍尔效应或磁阻效应等转子位置传感器，而是应用三相定子绕组在不激励时间内的反电势过零点作为转子位置检测，完成换向过程。其中TDA5140A／5140AT、有600mA驱动能力，直接驱动电机绕组，TDA5141驱动能力增至1．5A，可直接驱动硬磁盘、风扇等。而TDA5142T、则驱动外接功率MOSFET、或双极型晶体管，驱动电流能力达150mA，适于不同功率水平的无刷直流电动机配套使用。为了获得每相绕组反电势信号，必须从电机中引出三相星形绕组的中点，这是应用这些电路对电机附加的要求。
8．1特点
·利用电机相绕组反电势提供换向信号，不必专门设置转子位置传感器。
·内设有起动电路。
·优化换向，与电机型号和负载大小无关。
·三相六步全波换向工作方式。
·电机三相星形接法，且有中点引出。
·有输出电流限制和过热保护。
·利用电机反电势信号产生精确的测速频率信号(FG)。
·有制动功能。
·内设有独立的高输出电流运算放大器，可用作控制放大器，或作为开关或功率电源(SMPS)驱动的电平转换用。
8．2引脚说明及限制数据引脚说明如附表所示。
主要限制数据：
供电电压Vp：4～18V
VMOT电压Vvmot：3～18V COMP—A，B，C和MOTO电压范围：一O．5～Vmor OTU—N，OTU—P输出电流限制：<150mA
8.3基本结构与工作原理
TDA5142T的基本原理结构见图1。图中主要组成包括换向逻辑、驱动输出级、反电势比较器、独立放大器，还有起动振荡器、自适应换向时延电路、定时器，它们可由外接电容器整定，此外有一个转速输出级和一个热保护电路。
在图2所示的换向周期内，全波三相无刷直流电动机三相绕组接至功率级输出端MOTl、MOT2和MOT3，每个输出有三种可能的状态，高电压态，绕组接到电源正端，得到源电流；低电压态，绕组接到电源低端，得到漏电流；高阻态。对于一个绕组，高阻态出现在高态和低态之间，此时绕组处于不激励状态，绕组反电势即可由电路中的反电势比较器检测，并由换向逻辑选择。在一个周期内，三个绕组中必有两个绕组分别处于高态或低态，只有一个绕组处于高阻态，它的反电势过零点被用作转子位置信号供检测。 要注意的是，反电势过零点与下一个理想换向时刻相差30。。这个时间间隙由外接CAP—CD和CAP—DC电容测定和存贮，它们的放电由换向逻辑采样，以确定予定的换向时延。由换向逻辑选通反电势比较器确定哪一相电机绕组反电势的过零点被选用，并用来计算出下一个换向点的正确时刻，由自适应换向时延电路按电机负载的大小计算出正确的换向时延。
驱动输出级有限流电路和过热保护电路保护。
反电势过零点亦被用来提供电机速度信息，正比于转速的频率信号FG。
上述系统功能只有在电机旋转起来后产生反电势才能实现。为了使电机能正确起动，芯片内设置有起动振荡器，产生起动时的换向脉冲信号。
定时器的功能是用作内部定时和电机反转检测的定时。
8．4外接电容的选择
8．4．1 CAP—sT起动电容
起动电容决定了起动振荡器的振荡频率。它以2弘A电流，在0．05～2．2V之间充电和放电。一个完整周期的时间由下式确定：
tstart=2．15C(s)
式中c的单位是μF。
起动振荡器仅在电机起动工作方式时起作用，一旦有一个换向脉冲出现，就使起动振荡器停止工作。它每产生一个起动脉冲，能引起电路输出从一个状态改变到下一个状态，使电机转动。如果电机的转动产生足够大的反电势，电路即转换到无刷电机工作方式，正常运转。如果产生的反电势幅度不够，电动机转动一步，并在新位置周围振荡。振荡的幅度应当逐步减少，直至下一个起动脉冲到来，这样可以避免在不合适的振荡相位时走下一步。电机的振荡频率由下式给出：
式中Kt——力矩常数，Nm／A
J——电流，A
P——极对数
J——转子转动惯量，kg·m2
例：J=72×10-6kg·m2，Kt=25×10-3Nm／A，P=6，I=O．5A，得f=5Hz。如果阻尼强，可选择起动频率为2Hz，即tstart=O．5s，求得起动电容C=O．25μF，取220nF。
8．4．2 CAP—CD、CAP—I)C自适应换向时延电路电容
这两个电容的值决定了****的换向时刻，它与电机的型号和负载大小有关。在延时电路中，在一个换向周期CAP—CD被充电，在下一个换向周期放电。放电电流是充电电流的2倍；充电电流是8．1μA，放电电流是16．2μA。电压范围是O．9～2．2V。在需要的****换向频率fc时，电压还应保持在这个范围之内。如果该电容以nF为单位，它与fc关系是：
在较低频率时，电容以20肛A电流从2．2V向0．9V放电，产生了反电势过零点后
一个换向时延。****时延=0．076C。 例：正常工作换向频率900I{z，****使用换向频率fc=400Hz，则CAP—CD电容值取：
另一个电容CAP—DC取相同的值。
8．4．3 CAP—Tl定时电容
定时电路给本系统提供定时信号，将一个换向周期内划分出足够数量的步，这些步包括了一些内部时延。
这里最重要的功能是监视定时。图3中一相绕组反电势从负的二极管脉冲电压很快恢复为正电压，或者从正的二极管脉冲电压恢复为负电压。监视定时器的预防功能是，当在预定时间内期望的事情没有出现时要起作用。如果电机正常运转，反电势会在短时间内出现(若干ms)，但是，如果电机起动不正常，不转动或者反向转动，反电势出现时间要很长。监视定时的选择应当是这样，不出现反电势时它是足够长，而对于检测出电机反转时，它是足够短。因为如果监视定时过长，电机也许会在错误的方向旋转，此时力矩很小。
定时电容以57μA在O．2～O．3V充电。超过0．3V后，以5肛A充电到2．2V参见图3，此时，反电势仍然为负。如果反电势变为正，电容则以28弘A电流放电。监视定时时间就是定时电容从O．3V向2．2V充电的时间。
定时时间tm(ms)与定时电容Gm(nF)关系：
例：一相绕组在开关断开后，正的反电势下降到20mV(反电势比较器的偏置电压)，
8．5 FG信号
利用电机3个绕组的反电势过零点和换向信号产生：FG信号。FG信号的下降沿对应于电势过零点，上升沿对应于换向点。例如，三相电机，6对极，在1500r／min时，FG信号频率和换向频率一样：
8．6电动机的控制
利用本电路内设的独立运算放大器OTA可对电机进行模拟方式或数字(PWM)方式控制。OTA和一般运算放大器相似，有同相和反相输入端。它的输出是集电极开路晶体管，灌电流能力40mA，其模输入范围从地到VP一0．7V。
图1是利用OTA作模拟控制的示例。FG速度信号送微处理器，后者发出控制信号经D／A转换后送给OTA输入，OTA作为控制放大器控制外接晶体管BD434，从而控制6个驱动输出。这里它们驱动的是外接P和N沟道MOSFET。MOT1、2、3、O分别接三相电机绕组及其中点。3脚和10脚接到公共地。
图4是速度数字控制，外来．PWM控制信号从17脚输入，OTA作电平转换，控制外
接晶体管。这里要指出，不能像一般直流电机PWM控制那样，将PWM电压加到电机绕组。否则，PWM信号会严重干扰反电势波形，使过零点无法捡出。故外接晶体管放大后，接有电感和电容得到滤波后的某一电平控制本电路的驱动输出。也就是电机绕组仍然是受到模拟方式控制。
电动机的制动由8脚执行。当8脚电压低于2．3V时，电机制动。浮地或大于2．7V时，电机正常工作。
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