运动控制专用集成电路及应用(1)
谭建成(广州电器科学研究所)
【编者按】微电子技术发展的一个重要方向是研制专用集成电路。面向运动控制系统中的电机控制，各国都开发了大量的专用集成电路，用于各种自动化设备、科学仪器、计算机外设以及家用电器中。这些集成电路不但有数字一模拟混合集成，而且进入到与高电压、大功率的电力电子电路混合，从而改变了集成电路微功率的概念，也给电机控制带来极大方便；不但提高了控制性能、缩小体积，而且节省成本。本刊自本期开始选择一些有代表性电机控制专用集成电路予以介绍，以促进微电机控制技术的发展。
【摘 要】介绍一种适用于微型直流伺服电动机控制的专用集成电路。文中对该集成电路的组成、主要额定数据、工作原理及应用作了详细的阐述。
【叙 词】直流伺服电动机位置宫动控制速度控制／专用集成电路 原理应用
1 MC33030微型直流伺服电动机控制器／驱动器
MOTOROLA的MC33030是一种适用于微型直流伺服电动机控制的专用集成电路。它包括了从接收反馈输入的误差放大器到末级H桥功率放大的一个完整的闭环控制系统，并包含过流和过压保护在内，可用作位置伺服和速度控制。
电路方框图见图1。它的主要组成包括：
·误差放大器，宽共模输入范围。
·窗口比较器，有一定的死区和自调中参考输入。
·有方向记忆的驱动／制动逻辑。
·H桥功率开关，1A驱动能力。
·可设置的过流检出器。
·可设置的过流停机时延。
·过电压监示和停机保护。
16脚塑封双列直插式封装，其中4、5、12、13脚接地。图2是印刷电路板上铜散热器尺寸(长L)与该芯片的热阻、允许****功耗关系图。
1.1主要额定数据
电源电压(Vcc)：36V
输入电压范围： -0.3～36V
输入差动电压范围： -0.3～36V
驱动输出电流： 1.0A
****功耗： 1 000mW
工作结温： 150℃
结对空气热阻： 80℃／W
结对外壳热阻： 15℃／W
工作环境温度范围： -40～+85℃
1.2工作原理和位置伺服控制
图1给出典型位置伺服控制实例。该电路是利用输入电压表示被控位置的。这里一台微型直流伺服电动机经过齿轮箱等减速机构驱动负载，同时带动一个与被控制机构相连的电位器。从电位器取出信号经运算放大器缓冲后，将此实际位置信号输入给窗口比较器(3脚)。
窗口比较器是由两个带滞后回线的比较器A和B组成。它们从2脚接受参考输入信号，此信号通过1脚外接电位器而得到，很容易调节系统的给定位置。3脚信号经过电流源驱动的两个电阻输入给两个比较器，从而产生了偏移电压，形成一定的死区。
为了增加系统的柔性，芯片中设置有一个误差放大器。它可对实际位置信号缓冲或放大。放大时，可使死区范围变窄。放大器输出能力是拉电流1.8mA，灌电流250μA。
H功率开关直接驱动电机和实现制动，****连续拉电流、灌电流和制动电流是1A。****功耗要考虑图2的散热能力。有更大驱动要求可参考图6。
当电机起动或堵转时，过流监示电路保护电机不至超出极限电流。H桥的拉电流一部分送至电流比较器反相端，而同相端则是参考电流值，它的大小由外接电阻R。决定。工作电流。当出现过流时，比较器翻转，有电流向延迟电容器Cdly充电它充电到7.5V时触发过流闩锁器，为高电平，使驱动／制动功能封锁。延迟时间tdly(μs)由Cdly(μF)决定：
tDLY=1.36Cdly
本系统H功率开关允许在一定时间内提供电机起动电流。如果电机堵转，则在此时间后停机。IC的这个性能使伺服系统不必设置限位开关。当电机被限位而堵转时，系统自动停止供电。应仔细选择Cdly不要过大。过长时间的过流可能引起集成电路过热，甚至****性失效，且还要遵守****允许功耗的规定。过流闩锁器的复位可用电源重新合闸，或调节接1脚的电位器，使3脚信号进入或穿过死区等方式实现。
电压监示电路使IC和电机在Vcc大于18V时不工作，推荐正常使用电压在17.4V以下。
图3说明系统几种工作状态。图中1表示窗口比较器有关信号。假设2脚参考电压已设置，它对应于期望的位置。实际位置是由3脚电压表示。V1～V4电压是两个比较器A和B输入电压的门槛：
V2-比较器A返回(ON)门槛。
V3-比较器A反转(OFF)门槛。
V1-比较器B反转(OFF)门槛。
V4-比较器B返回(ON)门槛。
(V2-V3)-比较器A的输入滞后电压。
(V1-V4)-比较器B的输入滞后电压。
(V2-V4)-窗口比较器输入死区范围。
[(V2-VPlN2)-(VPIN2-V4)]一窗口比较器输入偏移电压。
只要3脚信号处于输入共模电压范围之内，V1～V4点总是跟踪着参考电压(2脚)，并以参考电压为中心。典型值V1-V4，V2-V3为35mV，V2-V4死区范围为210mV，输入偏移电压25mV，见图4。
假如最初反馈输入电压Vpin3V2-V4之间的虚线某一点，即处于上述定义的死区之内，电机将是停机状态。如果调整参考输入电位器，提高参考输入电压，则Vpin3小于V4,比较器B返回到导通(ON)状态，Q驱动，有电流由10脚经电机流向14脚，电机旋转。直到Vpin3变得大于V1时，比较器B反转为停止(OFF)状态，即进入制动状态。6的Q制动信号使驱动输出A为高电平，而驱动输出B为高阻态。系统的机械惯量继续带动电机发电，使10脚电位比14脚要高，有制动电流流经驱动输出B的续流二极管、内部的Vcc母线和驱动输出A的上晶体管，回到14脚。就好像电机两端短接一样，产生制动电流，使系统快速停转，未能冲出死区。此时，Vpin3落在虚线的某一位置上。
如果系统惯性太大，Vpin3继续上升，冲出死区，进入比较器A导通(ON)状态，电机反向旋转，直到Vpin3等于V3。比较器A将发生如上面比较器B发生过的过程。伺服系统在两个方向都出现超调．冲出死区，不断地来回抖动、振荡。此时，应调整系统参数。
该电路设置有方向闩锁，以确定是Q制动还是Q制动。8、9的虚线表示出现过流情况时的波形。过流时间已超过设定值，驱动输出A和B都进入高阻态，保护了电路和电机。
误差放大器和窗口比较器输入处都有内部串接电阻和外部并接电容，以防止电刷换向的电噪声引起电机的抖动。电刷的噪声频率范围是直流到200MHz，电容可取0.001～0.1μF。
1.3其它应用
在位置伺服应用中，该芯片除用电位器作反馈传感器之外，还可有光电、温度、磁通、压力等传感器，只需将它们转换成电压信号即可构成一个完整的定位系统，因此有广泛的用途。例如机器人系统、空气调节器、太阳跟踪系统、天线旋转系统等。
MC33030用作双位置伺服控制实例见图5。
被控机构用机械限位。有两个极限位置，输入0和1为对应两位置的指令信号。当电机被驱动到一个极限位置时，由过流监示检测出电机堵转，即自动停机，等待反向指令到来才反向起动。
图6是MC33030用作直流电动机速度控制实例。电动机带有一台单相同步测速发电机，其输出经整流、滤波和分压器，送入
8脚。电机起动加速，到VPIN3
(待续)
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