无刷直流电机控制器MC33035的原理及应用

摘要：MC33035是美国安森美公司开发的高性能第二代单元无刷直流电机控制器，它包含开环三相或四相电机控制所需的全部有效功能。该器件由具有良好整流序列的转子位置译码器、可提供传感器功率的温度补偿参考、频率可编程的锯齿波振荡器、完全可访问的误差放大器以及三个非常适用于驱动大功率MOSFET的大电流推挽底部驱动器组成，因而是一种功能齐全的电机控制器。文中介绍了MC33035的特点功能和工作原理，给出了由它组成的三相六步全波电机控制和H型电机有刷控制等两种电机控制电路。 关键词：无刷 直流电机 控制 MC33035 1 概述 MC33035无刷直流电机控制器采用双极性模拟工艺制造， 可在任何恶劣的工业环境条件下保证高品质和高稳定性。该控制器内含可用于正确整流时序的转子位置译码器，以及可对传感器的温度进行补偿的参考电平，同时它还具有一个频率可编程的锯齿波振荡器、一个误差信号放大器、一个脉冲调制器比较器、三个集电极开路顶端驱动输出和三个非常适用于驱动功率场效应管（MOSFET）的大电流图腾柱式底部输出器。此外，MC33035还有欠锁定功能，同时带有可选时间延迟锁存关断模式的逐周限流特性以及内部热关断等特性。其典型的电机控制功能包括开环速度、正向或反向、以及运行使能等。 2 管脚排列及功能定义 MC33035的管脚排列如图1所示，各引脚功能定义见表1。 表1 MC33035的管脚功能定义定 管脚编号 符 号 功能定义 1，2，24 BT，AT，CT 三个集电极开路顶端驱动输出，用于驱动外部上端功率开关晶体管 3 Fwd/Rev 正向/反向输入，用于改变电机转向 4，5，6 SA,SB,SC 三个传感器输入，用于控制整流序列 7 Ooutput Enable 输出使能，高电平有效。该脚为高电平时，可使电机转动 8 Reference Output 此输出为振荡器定时电容CT提供充电电流，并为误差放大器提供参考电压，也可以向传感器提供电源 9 Current Sense Noninverting Input 电流检测同向输入。在一个给定的振荡器周期中，一个相对于管脚15为100mV的信号可中止输出开关导通。通常此管脚连接到电流检测的上端 10 Oscillator 振荡器引脚，振荡频率由定时元件RT和CT所选择的参数值决定 11 Error Amp Noninverting Input 误差信号放大器同向输入。通常连接到速度设置电位器上 12 Error Amp Noninverting Input 误差信号放大器反向输入。在开环应用情况下，此输入通常连接到误差放大器输出端 13 Error Amp Out/PWM Input 误差放大器输出/PWM输入。在闭环应用情况下，此管脚用作补偿 14 Fault Output 故障输出端。当下列的任一或多个条件满足时，集电极开路输出端被触发而变为低；无效的传感器输入码，电流检测超过100mV，低电压锁定或热关断 15 Current Sense Inverting Input 电流检测反向输入端。用于给内部100mV门限电压提供参考地，该管脚通常连接到电流检测电阻的底端 16 Gnd 该管脚用于为控制电路提供一个分离的接地点，并可以作为参考返回到电源地 17 Vcc 正电源。Vcc在10V～30V的范围内，控制器均可正常工作 18 Vc 底部驱动输出的高端电压是由该管脚提供的，它的工作范围从10V～30V 19，20，21 CB,BB,AB 这三个图腾柱式底部驱动输出被设计用于直接驱动外部底部功率开关晶体管 22 60%26;#176;/120%26;#176;Select 此管脚的电气状态可决定控制电路是工作在60%26;#176;（高电平状态）还是120%26;#176;（低电平状态）的传感器电气相位输入状态下 23 Brake 输出使能。该管脚为低时允许马达运行，为高时马达运行停止 表2 三相六步换向器真值表 输 入 输 出 60度 SA SB SC 120度 SA SB SC 正向/反向 使能 电流检测 顶部驱协 AT BT CT 底部驱动 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表示六个有效传感器或驱动组合中的一个，X表示无关；输入逻辑0定义为小于85mV，逻辑1为于115mV 3 工作原理 MC33035的内部结构框图如图2所示。 图2 MC33035的内部结构框图 MC33035内部的转子位置译码器主要用于监控三个传感器输入，以便系统能够正确提供高端和低端驱动输入的正确时序。传感器输入可直接与集电极开路型霍尔效应开关或者光电耦合器相连接。此外，该电路还内含上拉电阻，其输入与门限典型值为2.2V的TTL电平兼容。用MC33035系列产品控制的三相电机可在最常见的四种传感器相位下工作。MC33035所提供的60度/120度选择可使MC33035很方便地控制具有60度、120度、240度或300度的传感器相位电机。其三个传感器输入有八种可能的输入编码组合，其中六种是有效的转子位置，另外两种编码组合无效。通过六个有效输入编码可使译码器在使用60度电气相位的窗口内分辨出电机转子的位置。表2所列是其真值表。 MC33035直流无刷电机控制器的正向/反向输出可通过翻转定子绕组上的电压来改变电机转向。当输入状态改变时，指定的传感器输入编码将从高电平变为低电平，从而改变整流时序，以使电机改变旋转方向。 电机通/断控制可由输出使能来实现，当该管脚开路时，连接到正电源的内置上拉电阻将会启动顶部和底部驱动输出时序。而当该脚接地时，顶端驱动输出将关闭，并将底部驱动强制为低，从而使电动机停转。 MC33035中的误差放大器、振荡器、脉冲宽度调制、电流限制电路、片内电压参考、欠压锁定电路、驱动输出电路以及热关断等电路的工作原理及操作方法与其它同类芯片的方法基本类似，这里不多述。 图3 三相六步全波电机控制电路 4 实际控制电路 4.1 三相六步电机控制电路 图3所示的三相应用电路是具有全波六步驱动的一个开环电机控制器的电路连接图。其中的功率开关三极管为达林顿PNP型，下部的功率开关三极管为N沟道功率MOSFET。由于每个器件均含有一个寄生箝位二极管，因而可以将定子电感能量返回的电源。其输出能驱动三角型连接或星型连接的定子，如果使用分离电源，也能驱动中线接地的Y型连接。 在任意给定的转子位置，图3所示的电路中都仅有一个顶部和底部功率开关（属于不同的图腾柱）有效。因此，通过合理配置可使定子绕组的两端从电源切换到地，并可使电流为双向或全波。由于前沿尖峰通常在电流波形中出现，并会导致限流错误。因此，可通过在电流检测输入处串联一个RC滤波器来抑制类峰。同时,Rs采用低感型电阻也有助于减小尖峰。 4.2 有刷电机控制电路 虽然MC33035是专为控制无刷直流电机而设计的，但它也可以用来控制直流有刷型电机。图4所示就是一个使用MC33035来控制直流有刷型电机的典型应用电路实例。 图4中，MC33035通过驱动一个H型电四桥可用最少的器件来控制一个有刷电机。该控制的关键在于：要将输入传感器编码为100，同时，在控制器正向/反向管脚为逻辑电平1时，还应产生一个顶部到左Q1和底部到右Q3的驱动信号，而当正向/反向管脚的逻辑电平为时，则应产生顶部到右Q4和底部到左Q2的驱动。该编码可以保证H型驱动同时满足方向和速度控制的要求。该控制器可在大约25kHz的脉宽调制频率下正常工作。电机速度的控制可通过调节误差放大器同相输入端的电压来输入。而电机电流的逐周限流则可由检测H型电桥电机电流并通过电阻Rs到地之间所产生的电压（100mV门限）来实现。由于利用过流检测电路可改变电机转向，因此，在工作时，使用正常的正向/反向切换不需要在变向前完全停止。 图4 H型电机有刷型控制器电路 4.3 布线注意事项 在布线时，不要在绕接或插入式样机板上构建任何电机控制电路，采用高频印制电路布线对防止脉冲抖动极为重要。通常由于在电流检测传感器或误差信号放大器输入端有过量噪声。因此，印制电路布局应该具有一个小电流信号和高驱动输出缓冲地的接地面，并应通过分开的通路返回到电源输入滤波器电容上。在VCC、Vref和误差放大器同向输入端，是否需要在靠近集成电路的地方接一个瓷介电容（0.01μF），可视电路布局而定。但所有的大电流回路都应尽可能短，并应尽量使用粗铜线走线以降低EMI辐射。