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6)的续篇，介绍MC33034无刷直流电动机控制器的主要组成部分、功能、MC33039电子测速器的工作原理及在无刷直流电动机调速系统中的应用。
【叙 词】集成电路无刷直流电动机闭环调速控制器原理应用7 MC33034无刷直流电动机控制器和MC33039电子测速器
MC33034是MOTORORA称之为第二代的无刷直流电动机控制器专用集成电路，它可用来控制三相(全波和半波)、二相和四相无刷直流电动机。再加上一片MC33039电子测速器作速度反馈后，可构成闭环速度调节系统。
7．1 MC33034无刷直流电动机控制器
本集成电路原理方框图如图1所示。它的主要组成部分包括：
·转子位置传感器的译码器
·带温度补偿的内部基准电源
·频率可设定的锯齿波振荡器
·误差放大器
·脉宽调制(PWM)比较器
·输出驱动电路
·欠电压锁定保护，芯片过热保护等故障输出
·限流电路
本集成电路驱动输出电路共6路，用来驱动三相逆变桥。上面3个驱动电路是集电极开路NPN晶体管，用以驱动逆变桥上桥臂。下面3个驱动电路是推挽式结构电路，用以驱动逆变桥下桥臂，可直接驱动一定功率的晶体管、1GBT或功率MOSFET。
典型控制功能包括开环PWM速度控制、使能控制(起动或停止)、正反转控制和能耗制动控制，适当加上外围元件，可实现软起动。
使用工作电压40V以下，为24脚塑封双列直插式封装。
7．2功能说明
7．2．1转子位置传感器译码电路
本译码电路将无刷直流电动机转子位置传感器信号转换成6路驱动输出信号。它适用于集电极开路的霍尔效应集成电路、光电耦合电路等形式的传感器。输入端(4、5、6脚)设有提升电阻，输入电路与TTL兼容，门坎电压为1．4V。传感器需要的直流电源可以从8脚基准电源中获得(见表1)。
为适应不同的无刷直流电动机各相传感器位置相位差不同，提供两种不同型号产品：MC33034P60适合相位差为60o或300。，而MC33034P120则适合相位差为120。和240。(参见表2真值表)。 对于3个输入信号，原则上可有8种逻辑组合。其中6种正常状态决定了电机6个  不同的位置状态。其余两种组合对应于位置传感器不正常状态，即信号线开路或对地短路状态，此时使fault信号为零。
用3脚来改变电机的旋转方向。若3脚逻辑状态改变，传感器输入信号在译码器内改变其逻辑状态为原来的非，再经译码后，得到反相序的换向输出信号，使电动机反转运行。
电机的开／关控制由7脚Enable实现。当7脚悬空时，内部40μA电流源电流使输出驱动电路正常工作。若7脚接地，上3驱动  7．2．2误差放大器
芯片内设有高性能、全补偿的误差放大输出开路，下3驱动输出强制为低电平，使电机失去激励而停车，同时fault信号为零。
当23脚Brake处于高电平时，实现电机制动控制。它使上3个驱动输出开路，下面3个驱动输出电路同时强制导通逆变桥3个下桥臂功率开关，将电动机绕组端头短接，实现快速能耗制动。芯片内部的4与门电路，其输入是Brake Input和上面3个驱动输出信号，其作用是等待上3个驱动输出信号都已转为高状态时，才使下3个驱动输出信号变为高状态，从而避免逆变桥上下桥臂出现直通的危险。器。作闭环速度控制时，放大器的直流电压增益典型值为95dB，增益带宽为800kHz，有宽的共模输入电压范围：从地到Vcc一2．0v。当
系统作开环控制时，可将此放大器改接成增益为1的电压跟随器，速度设定电压从其同相输入端(11脚)输入，12—13脚短接。
7．2．3振荡器
内部振荡器的振荡频率由外接GT和RT定时元件决定。每个振荡周期由基准电压经RT向GT充电，然后CT通过内部一晶体管迅速放电，形成锯齿波波形信号。它的波峰和波谷分别为4．0v和1．5V。推荐使用频率20～30kHz，以兼顾低的可闻噪声和高的功率开关效率。例如，取Rt为5．1 kΩ，CT为0．01μF，振荡频率约为24kHz。
7．2．4脉宽调制器
除非由于过电流或故障状态使输出闭锁，正常状态下，误差放大器输出与振荡器输出锯齿波信号比较后，产生脉宽调制(PWM)信号，控制下面3个驱动输出口。改变输出脉冲宽度相当于改变给电机绕组的平均电压，从而控制其速度与转矩。图2中给出脉宽调制器有关波形图。  7．2．5电流限制
逆变桥经一电阻Rs接地，此电阻作电机电流采样电阻，采样电压从9脚进入，与芯片内设100mV参考电压在比较器中比较，在振荡器频率周期锯齿波上升时间内，若电流过大，此比较器翻转，使Rs触发器重置，将驱动输出关闭，达到限流目的。在锯齿波下降沿，使触发器置位，恢复正常。若允许****电流为Imax，则采样电阻风应按下式选取：
为避免换向尖峰脉冲引起电流检测误动作，输入9脚前可设置低通滤波器。要注意，在制动工作时，电机绕组短路电流只流过下桥臂的开关晶体管，并没有流过采样电阻。因此本电流限制电路不能对制动运行提供限流保护。此时必须正确选择足够大峰值电流的功率管。
7．2．6欠电压锁定
内设欠电压保护电路，在下列3种情况下，关断驱动输出电路：本芯片电压Vcc不足；供下驱动输出电路的电源电压K不足；基准电压低于6．25V。从图1可见，欠电压保护没有锁存功能，电压恢复正常后，系统会自动恢复。
7．2．7故障信号(faultoutput)
14脚为故障输出端，它的集电极开路NPN晶体管吸收电流能力为16mA，可直接驱动LED作故障显示，也可与微处理机控制系统接口提供故障报警。
14脚输出低电平时，表示下列情况：
·不正常的位置传感器输入状态
·电流传感输入电压大于100mV
·三种欠电压之一
·内部芯片过热，典型值超过170℃
·Enable(7脚)为逻辑0状态
本芯片内无故障锁存，为锁定故障状态，可采取这样的接法，将14脚故障输出信号接至7脚即可。还可以参照图7方法，引入Rio和c。实现故障的延时锁定，延时时间由此两元件时间常数决定。图中C6旁的按键是用来解除故障锁定状态的复位键。
7．2．8驱动输出电路
上面3个驱动输出(1，2，24)是集电极开路NPN晶体管，电流能力50mV，耐压45V。
它可直接用来驱动逆变桥上桥臂的PNP晶体管或P沟道MOSFET功率管，如用于更高电压电机驱动，应有合适的外接电路。
下面3个驱动输出端(19，20，21脚)适用于直接驱动NPN晶体管和。MOSFET功率管，抽灌电流能力为100mA。为下驱动输出供电电源设有专门引脚18。为配合标准MC)SFET栅漏电压不大于20V的限制，18脚输入端设有稳压二极管箝位。
驱动电路地(16脚)和控制地(15脚)分开，有利于减少驱动晶体管开关噪声对控制部分电流传感输入电路的不良影响。
7．3三相6步无刷直流电动机开环控制
图3是三相全波6步无刷直流电动机开环速度控制图。外接三相逆变桥是由NlPN  晶体管和N沟道MOSFlET功率管构成，它们都内有续流快速恢复二极管，它们在每个。PWM脉冲周期，功率管关断时，将电动机绕组电感中的能量反授回功率电源。本电路可适用于三角形或星形接法绕组的电机。
图4说明全波工作时输入传感器信号、6个驱动输出、给电机驱动电流波形图。
使用的转子位置传感器是霍尔效应集成电路，其电源取自芯片的8脚基准电压源。整个芯片使用电源电压yM应小于40V。
MC33034电路也可用来控制三相半波(3步)、以及二相或四相4步驱动的无刷直流电动机。
7．5在闭环速度控制中的应用
利用一片MC33034、一片MC33039和一个功率模块MPM3003及少量无源元件可组成一个完整的三相全波无刷直流电动机闭环速度控制系统。7.4MC33039电子测速器为无刷直流电动机闭环速度控制专门设计的集成电路MC33039，使系统不必使用较高价格的磁性或光电式测速器，就能精确地实现调速控制。它利用三相无刷直流电动机转子位置传感器3个输出信号转换成正比于电机转速的电压。
本芯片接收端1，2，3脚接收转子位置传感器信号(见原理方框图5)，经有滞后环的缓冲电路，以抑制输入的噪声.在3个脉冲边缘检出器得到相当于电机每对极下6个脉冲的信号。经有外接定时元件CT和RT的单稳态电路，在5脚输出fout信号的占空比与电机转速有关，其直流分量与转速成正比。此信号若经低通滤波，即可得到与电机转速成正比的测速电压，用于速度反馈。MC233039波形图见图6。功率模块MPM3003是有12脚功率型封装的三相逆变桥电路，上桥臂3个P沟道MOSFET功率管，导通电阻O．28Ω，下桥臂3个N沟道MOSFET功率管，导通电阻0．15Ω。模块的额定电压60V，电流10A。各功率管均带有续流二极管。
极，设计****转速5000r／min，即83r／s。此时由MC33039产生脉冲数为每秒83×12=996个，频率约1000Hz，周期为1ms。由MC33039说明书，取定时元件参数为R1=lMΩ，C1=750pF’，单稳产生脉冲宽度为950μs。8脚接MC33034的基准电压端(8脚)。输出5脚经尺。接M(]33034误差放大器反相输入端(12脚)。此时放大器增益为10，电容C3起滤波平滑作用。R2=5。1kμ，G2=0．01μF，PWM频率约24kHz。 本系统取R21=O．05Ω，1w，作为电流检测，并经R8、R9组成分压衰减电路再连接到9脚比较器输入端，C5是小滤波电容。限流为8A。
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