无传感器的直流无刷电机控制器ML4425及其应用
刘胜利，刘宁宁
(深圳中电公司电力所，广东深圳518042）
1 引言
ML4425脉宽调制控制器具有为起动和控制△接或Y接无刷直流（BLDC）电机速度所需要的全部功能，并且不用霍尔传感器。从电机绕组传感的反电势电压信号，利用锁相环（PLL）即可确定正确的换向时序，这一获专利的传感技术可以在宽范围内使三相无刷电机换向，并且对PWM噪声和电机缓冲电路的干扰不敏感。
ML4425利用恒定的停歇时间PWM控制环路，限制电机的工作电流。其速度环是由机载放大器控制。ML4425电路能保证没有穿透电流干扰而直接驱动外部功率MOSFET。起动程序的定时由三个可供选择的定时电容器来确定。这就使大范围变化的电机和负载能够处于最佳状态。
ML4425的主要性能如下：
1）可独立工作；
2）通过IC控制电机的起动和停止；
3）机载起动时序为校准→斜升→设定速度；
4）获专利的反电势换向技术为最短的“自转”时间提供了无抖动转矩；
5）具有机载速度控制环；
6）用于换向的锁相环PLL可对PWM产生的尖峰脉冲噪声的抗干扰创造条件，其作用与噪声传感过零技术相似；
7）PWM控制可得到最高效率；
8）MOSFET直接驱动12V电机；驱动高压电机需要用IR、IXYS、Harris、PowerIntegration、Siliconix等公司生产的IC缓冲器。
2 ML4425的结构与参数
2.1 ML4425的结构
ML4425有二种封装型式，其引脚排列如图1所示。它们的内部功能方框图如图2（以28引脚为例）所示。
(a)窄形28脚
(b)方形32脚
图1 ML4425集成电路两种封装型式
图2 ML4425电机控制器内部功能框图
ML4425各引脚功能如下（以28引脚为例，脚号后括号内数字为32脚的脚号）。
脚1（30）ISENSE：电机的电流传感输入端。当ISENSE超过0.2×ILIMIT时，三路输出驱动器LA、LB、LC均被关闭一个固定时间（由CIOS电容量确定）。
脚2（31）HA：A相高边开关的有源低输出驱动器。
脚3（32）HB：B相高边开关的有源低输出驱动器。
脚4(1)HC：C相高边开关的有源低输出驱动器。
脚5（3）SPEED COMP：是速度控制环的补偿端，它由接在SPEED COMP脚与地端之间的串联的电阻器和电容器来设置。
脚6（4）CT：一只电容器接CT与地之间，可设定PWM振荡器频率。
脚7（5）VREF：6.9V基准参考电压输出。
脚8（6）SPEED SET：速度控制环输入端，变化范围从0（停机）到VREF（最大速度）。
脚9（7）LA：A相低边开关的有源高输出驱动器。
脚10（8）LB：B相低边开关的有源高输出驱动器。
脚11（9）LC：C相低边开关的有源高输出驱动器。
脚12（10）ILIMIT：该脚电压把ISENSE的门限电压设定在0.2×ILIMIT，该脚空悬不接，自动选IC内部的置位门限电平。
脚13（11）VCO/TACH：该脚的TTL输出电平对应于时钟信号用在换向状态机器。当反电势传感电路跟踪转子位置时，其输出频率与电机速度成比例。
脚14（12）VDD：12V电源电压输入端。
脚15（15）CVCO：该脚对地接一只电容器，可设定压控振荡器（VCO）的压－频比率。
脚16（16）RVCO：该脚对地接一只电阻器，可设置一与VCO输入电压成比例的电流。
脚17（17）CAT：该脚对地接一只电容器，可设定控制器保持在校准状态的时间。
脚18（18）UV FAULT：当VDD降低到UVLO欠压锁定门限电平时，该脚输出电平变为最低，表示所有的输出驱动器均已失效。
脚19（19）CRT：该脚对地接一只电容器，可设定控制器保持在斜升状态的时间。
脚20（20）SPEED FB：反电势取样电路的输出端和VCO的输入端，一个RC网络接在SPEED FB端，可设置对锁相环路（PLL）的补偿，该PLL电路由反电势取样电路、VCO和换向状态机器构成。
脚21（21）CRR：当控制器处于斜升状态时，在CRR与SPEED FB两端之间接一只电容器，可设定电机的斜升速率（即加速度）。
脚22（22）FB-A：通过在该脚上的传感反电势的电阻分压器，监视A相的电机反馈电压。
脚23（23）FB-B：通过在该脚上的传感反电势的电阻分压器，监视B相的电机反馈电压。
脚24（24）FB-C：通过在该脚上的传感反电势的电阻分压器，监视C相的电机反馈电压。
脚25（25）BRAKE：一个逻辑低电平输入使电机制动，它是通过关断高边输出驱动器和接通低边输出驱动器来实现的。
脚26（26）CIOS：该脚对地接一只电容器，可设置在ISENSE超过它的门限电平之后，低边输出驱动器仍然保持关断的时间。
脚27（27）RREF：该脚对地接一只137kΩ的电阻器，可设置与VREF成比例的电流，它用于为IC内部设定所有的偏置电流（除VCO之外）。
脚28（28）GND：信号地与功率地端。
2.2 ML4425的参数
2.2.1 ML4425极限值（绝对最大额定值）
权限值是指器件的应力额定值，一旦超过可能导致器件永久性损坏，它们并非器件的工作参数。
电源电压（脚14）VDD：14V；
逻辑输入（SPEED FB，BRAKE）：（GND－0.3）～7V；
所有其它输入和输出：（GND－0.3）～（VDD＋0.3）；
输出电流（LA、LB、LC、HA、HB、HC）：±50mA；
结温：150℃；
储存温度：－65℃～150℃；
引脚焊接温度：260℃（10s内）。
2.2.2 ML4425的运行条件
温度范围 ML4425GX 0～70℃；
ML4425IX －40～85℃。
VDD 10.8～13.2V。
2.2.3 ML4425的电特性
ML4425的电气参数如表1所列。
表1 ML4425电气参数
除非另有说明，通常VDD=12V±10％，RSENSE=1Ω，CVCO=10nF，CIOS=100pF，RREF=137kΩ，TA=工作温度（注1，注2）。
注1：限制的保证是作100％测量，取样或在最坏测试条件下调节。
注2：关于状态的解释参见图4和表2。
注3：脚BRAKE和脚UV FAULT在IC内部均有一只4kΩ电阻器接到基准电压。
3 ML4425的功能原理
ML4425为无传感器型速度控制的三相BLDC直流无刷电动机提供了全部电路。控制器的功能包括：起动电路、反电动势换向控制、脉宽调制PWM的速度控制、固定的停歇时间电流限制、制动、欠压保护。
起动电路把电机校准在已知位置，随后斜升电机速度产生一个反电势信号。通过构成的一个锁相环路，反电势取样电路可控制换向时间。换向控制电路又输出一个速度反馈（SPEEDFB）信号，用于速度控制回路。速度控制回路由一个误差放大器和PWM比较器组成，它产生一个PWM占空比调节速度。电机电流由一个固定停歇时间PWM关闭比较器来限制，它受控于外部传感电阻器。
换向控制、PWM速度控制和电流限制共同结合，产生输出驱动器信号。六路输出驱动器用于提供选通信号给外部三相桥式功率级，按直流无刷电机的电压和电流要求进行测量。其它功能包括：制动功能和欠压保护电路。一旦ML4425供电VDD变为低压时，可关闭输出驱动器。
3.1 元件的选择
选择IC外部元件需要根据电机的电气参数和机械参数作一些计算。下面列出这些计算需要的电机参数：
直流电机电源电压 VMOTOR（V）；
最大工作电流 IMAX（A）；
磁极的数目 N；
反电势常数 Ke（V－S/Rad）；
电机的转矩常数 Kt(N·m/A)(Kt=Ke，单位SI)；
最大运行速度 RPMMAX（r/min）；
电机和负载的转动惯量 J(kg·m2)；
电机和负载的粘滞阻尼因数 ξ。
如果不知道上述一个值或几个值，仍然可能得到合适的ML4425外部元件数值，但需要做一些实验来确定其最佳值。除非另有特殊说明，所有的数量单位都用SI。下面的公式应考虑最佳起始点。所有计算的电容器和电阻器，都应采用最接近标准值的第一个近似值作为选择。
3.2 电源和基准参考电压
电源电压VDD通常为12V±10％。应尽量靠近VDD端对地接一只100nF旁路电容器。提供6.9V电压基准输出VREF，来设置ML4425的速度指令和电流限制。需要在RREF端对地接一只137kΩ电阻器，为IC内部功能建立一个基准电流。
3.3 输出驱动器
输出驱动器LA、LB、LC和HA、HB、HC为三相桥式功率级提供图腾柱式输出驱动信号。ML4425中所有的控制功能，都传送到这些引脚输出。其中LA、LB、LC为三相功率级的A、B、C相提供低边驱动信号，并以12V为有效高电平信号。而HA、HB、HC为A、B、C相提供高边驱动信号，并以12V为有效低电平信号。
3.4 功率级的电流限制
电流传感电阻器RSENSE如图3所示，它可调节功率级和直流无刷电机的最大电流。如果RSENSE两端的电压超过电流限制门限电平，则可通过把输出驱动器LA、LB和LC关断一定的时间，来实现电流的调节。
图3 在三相12V功率级中使用传感电阻器RSENSE
1）ILIMIT 在ILIMIT脚上的电压设定了电流限制门限电平。
ML4425内部有一个从VREF接地的分压器，它设定了一个23V的误差电流限制门限电平，见图4。以VREF为基准的外部分压器，可用于拒绝错误的ILIMIT设置。外部分压器的电流至少应比内部分压器电流大10倍。
图4 电流传感电路
2）RSENSE RSENSE的功能是提供一个与电机电流成正比的电压，以设定电流限制跳闸断开点。RSENSE两端错误跳闸电压是460mV，它由内部ILIMIT分压比来设定。电流传感电阻器应是低电感量的电阻器，如碳膜成分组成。对毫欧姆范围的电阻器，用导线卷绕的电阻应具有低值电感。
3）ISENSE滤波器 接ISENSE脚的RC低通滤波器与电流传感信号相串联，见图4。设置该滤波器是为去除二极管反向恢复时的穿透电流。该电流在电流传感信号的前沿引起一个电压尖峰，可能会误触发电流限制电路。在滤波器前、后的电流传感电压波形见图5。该电路推荐的初值为R=1kΩ、C=300pF，这就给出了时间常数330ns，它将滤除更短持续时间里的输出尖峰。也可增大电容器到C=2.2nF，但时间常数不应超过几个微秒。
(a)无滤波时 (b)经滤波后
图5 电流传感电阻器波形
4）CIOS 当ISENSE超过0.2×ILIMIT时，电流限制一次性触发功能起作用，它将在一个固定的时间（tOFF）内关断LA、LB和LC。tOFF由接到CIOS脚的电容设定。通常CIOS设置一个等于或小于脉宽调制周期的固定的停歇时间。当PWM的频率为25kHz时，PWM的周期为40μs，则tOFF应在20μs～40μs之间。对tOFF的较低限制，是由功率级的最小导通时间决定的，故安全的近似值是5μs或更小些。求解CIOS电容量的方程为：
CIOS=(tOFF×50μA)24V=100pF（1）
3.5 换向控制
三相直流无刷电机需要电子换向以实现旋转式运动。电子换向则需要三相半桥式功率开关轮流导通和截止。为了实现在一个方向上产生转矩，换向是由转子的位置决定的。ML4425中的电子换向是按恰当的时序，通过接通和关断一相中的N输出和另一相的P输出来完成的。
N沟道管输出和P沟道管输出，共有6个组合（6种开关状态），它们构成了一个完整的换向循环周期。这6种组合在图6和表2中予以说明，并用状态A、B、C、D、E、F分别作标记。该时序已编程在换向状态机器中。换向状态机器的时钟脉冲是由VCO压控振荡器来提供的。
图6 输出换向时序的定时波形
（循环周期1：完整的换向；循环周期2：按50％PWM占空比换向）
表2 ML4425的6种换向状态功能
| 状态
| 输出
| 输入取样
|
| LA
| LB
| LC
| HA
| HB
| HC
|
| R
| OFF
| ON
| OFF
| ON
| OFF
| ON
| N/A
|
| A
| OFF
| OFF
| ON
| ON
| OFF
| OFF
| FBB
|
| B
| OFF
| OFF
| ON
| OFF
| ON
| OFF
| FBA
|
| C
| ON
| OFF
| OFF
| OFF
| ON
| OFF
| FBC
|
| D
| ON
| OFF
| OFF
| OFF
| OFF
| ON
| FBB
|
| E
| OFF
| ON
| OFF
| OFF
| OFF
| ON
| FBA
|
| F
| OFF
| ON
| OFF
| ON
| OFF
| OFF
| FBC |
关键词：三相直流无刷电机；无传感器；反电势取样器；锁相环
图7VCO外部元件的连接与振荡器波形
(b)振荡器波形
(a)外部元件的连接
36压控振荡器（VCO）
压控振荡器在VCO/TACH脚提供一个TTL兼容的时钟输出，它与SPEEDFB脚的VCO输入电压成比例。VCO频率与电压之间的比例常数KV，是由图5中接RVCO脚的80.6kΩ电阻器和接CVCO脚的一只电容器来设定的。RVCO设置的电流与SPEEDFB端的VCO输入电压成比例。该电流用于在2.3V～4.3V范围内对CVCO充电和放电，如图7所示。
在CVCO脚产生的三角波对应于VCO上的时钟脉冲。比例常数KV应当这样设定，即当VCO输入等于或稍小于VREF时，VCO输出频率对应于最大的换向频率或最大电机速度。CVCO可用式（2）计算
CVCO=（2）
并选用等于或小于计算值的最接近标准参数的电容。
VCO脚上的最大频率由式（3）求出
fMAX=0.05×N×RPMMAX(3)
VCO/TACH脚的电压等于转子的速度。SPEEDFB脚的电压由反向电势取样器控制。
37反电势取样器
压控振荡器的输入端是反电势取样器。输入到反电势取样器的反电势传感脚FBA、FBB和FBC，需要一个电机相位引线的信号，它低于ML4425的电源电压VDD值。相位传感的输入阻抗是8kΩ。这就需要一只电阻RES1串联在电机相位引线，见图8，它可由式（4）求得
RES1=（670Ω/V）×(VMOTOR－10V)（4）
()
无传感器的直流无刷电机控制器ML4425及其应用（2）
图8反电势取样器方框图
图9反电势换向锁相环路方框图
反电势取样器把电机相电压分压降低为小于VDD（正常时为12V）的信号，并由式（5）来计算电机的中性点电位VNeutral=（5）
这就使ML4425能够比较反电势对电机中性点的信号而无须从Y形绕组的电机引出一根线。对于三角形绕组的电机不存在物理的中性点，所以该参考基准点应能在任何情况下来计算。
反电势取样器测量电机的相位，是没有驱动时的相位。也就是说如果LA和HB均导通，那么相位A被驱动为低电平，相位B被驱动成高电平，而相位C则被取样。已取样的相位提供一个反电势信号，它对照比较电机的中性点。
取样器由换向状态机器控制。已取样的反电势信号，经一个误差放大器与中性点相比较。误差放大器的输出端，则向SPEEDFB脚输出充电电流或放电电流，使它向VCO提供控制电压。
38反电势传感的锁相环换向控制
由换相状态机器、压控振荡器和反电势取样器三个单元组成一个锁相环路，它跟踪在反电势信号上的换向时钟脉冲。完整的锁相环路方框见图9。锁相环路需要一个导引滞后滤波器，它由SPEEDFB脚外部元件来设置。这些元件可由式（6）、式（7）、式（8）计算CSPEEDFB1=0.25××（6）RSPEEDFB=2×M×ln×(7)
CSPEEDFB2=CSPEEDFB1×(M－1)（8）
39起动时序
当电源最先加到ML4425电动机处于静止状态时，反电势等于零。电机需要旋转，使反电势取样器锁定在转子位置，并且使电动机换向。ML4425采用开环起动技术，使转子从静止到足够快的速度，从而使能够传感反电势。起动由三个状态组成：校准状态，斜升状态和转动状态。
1）校准状态（复位）
在电机可以起动之前，转子必须处在已知位置。当电源最先加到ML4425时，控制器被复位到校准状态。校准状态使输出驱动器LB、HA、HC导通，在第一个换向状态进入中心位置之前，把电机校准到电气30°位置上。这就是表2中换向状态里的R状态。校准状态必须有足够长的持续时间，使电机及其负载稳定在该位置上。
校准状态时间是由接CAT脚的电容来设定的，见图10。CAT由恒流750μA充电，使CAT脚电压从0V升到15V，直到校准比较器关闭结束校准状态。CAT的起始点数值按式（9）计算
CAT=（9）
如果校准时间不够长，无法满足转子可靠的起动，那么应增大CAT值，直到满足希望的性能为止。
2）斜升状态
当校准状态结束时，控制器进入斜升状态。斜升状态按表2所列从状态A到F开始换向，从而在一个固定的时间段里使换向频率以及电机的转速呈直线上升。这就使电机达到一个足够高的转速，使反电势取样器跟踪换向到电机的反电势上。
ML4425停留在斜升状态的时间，由接CRT脚的电容器来确定，见图10。CRT由恒流750μA充电，使CRT脚电压从0V升到15V，直到斜升比较器关闭结束斜升状态。这就给出了一个固定的斜升时间。CRT由式（10）计算
图11速度控制环路的元件联接
图10ML4425控制校准时间和斜升时间的起动电路
ML4425斜升提高电机转速的速率，是由SPEEDFB脚的500μA固定电流源来确定的。该电流源对PLL滤波器元件充电，使VCO频率呈线性提高。在斜升状态期间，反电势取样器失效，以便使斜升控制只由500μA电流源来调节。基于SPEEDFB滤波器的斜升状态通常太快，以致不能保持电机提速，所以在CRR与SPEEDFB间接一只电容器，可减缓斜升的速率。最佳的斜升速率是根据电机和负载参数决定的，它可通过改变CRR数值来调节。
3）转动状态（反电势传感）
当斜升状态结束时，控制器进入转动状态。在转动状态中，反电势传感有效，并且换向已处在锁相环的控制下。电机的速度现由速度控制环调节。
310PWM速度控制
速度控制由SPEEDSET端设置的一个速度指令来完成，该脚输入电压为0～6.9V（VREF）。速度指令的精确度由外部元件RVCO和CVCO确定。有几种方法可用于控制ML4425的速度指令。一种方法是用一只10kΩ电位器接于脚VREF和地端之间，其中心可调端则接SPEEDSET。如果SPEEDSET由微处理器控制，那么其数－模转换器DAC可用VREF作为它的输入参考基准，见图11。
通过一个跨导误差放大器，将速度指令与从SPEEDFB来的传感速度作比较。速度误差放大器的输出是SPEEDCOMP。该SPEEDCOMP脚被箝位在两个电压之间：一是高于39V的一个二极管压降（约46V）上，另一是低于17V的一个二极管压降（约10V）上，以防止速度环路“卷紧（windup）”。速度环的补偿元件接该脚，见图11。速度环的补偿元件由式（11）、式（12）计算
CSC=（11）
RSE=(12)
式中：fSB是速度环路的频带宽度（Hz）。
将SPEEDCOMP脚上的电压与斜升振荡器进行比较，可产生一个PWM占空比。脉宽调制的斜升振荡器产生一个17V～39V的锯齿波函数，见图11。在加电时一个低于17V的二极管压降（约10V）作为负极性箝位起动振荡器。斜坡振荡器的频率由一只接地电容器CIOS设定，可用式(13)选用
CT=（13）
式中：fPWM是PWM的频率（Hz）。
来自速度控制环的PWM占空比开启电流限制一次起动，以控制LA、LB和LC输出驱动器。
311交叉传导比较器
当ML4425从校准状态进入斜升状态时，在三相桥式功率级存在着交叉传导的可能性。这种交叉传导会发生在HC导通的校准状态，也就是表2中的R状态，以及发生在控制器转变到状态A的斜升状态，此时HC关断而LC则导通。由于功率器件的导通时间和截止时间存在差异，也会引起交叉传导。为了解决这个问题，LC输出驱动器被迫关断，直到HC等于VDD－3V为止，如图12所示。
312制动刹车
当脚BRAKE被拉低到小于14V时，低边输出驱动器LA、LB、LC均导通，而高边输出驱动器HA、
无传感器的直流无刷电机控制器ML4425及其应用（2）
图12交叉传导、制动刹车和欠压锁定电路
图13ML4425与外部三路MOSFET互补管组成驱动较低压（12～80V）电机应用电路
HB、HC则均截止。制动刹车功能使电机急剧减速，并使电流限制功能失效，因此使用脚BRAKE时应小心注意。BRAKE内设一只4kΩ拉高电阻器，见图12，它可以用一个接地开关，或一个开路的集电极或漏极逻辑信号，或一个TTL逻辑信号来驱动。
313欠压锁定
欠压锁定用于在低VDD条件下保护三相桥式功率级。当VDD为95V或更低时，欠压锁定功能被触发，并由脚UVFAULT上的TTL低输出来指示。欠压锁定也会关断所有的输出驱动器LA、LB、LC和HA、HB、HC。触发欠压锁定的比较器有150mV滞后。
4设计依据三相桥式功率级的接口技术
ML4425输出驱动器可驱动一个三相桥式功率级。为应用在母线电压12V～80V范围，可采用电平位移电路来驱动作为高边开关的较高电压的P沟道型MOSFET功率管，如图13所示。
最灵活的电路结构是用高边驱动器来控制N沟道型MOSFET或者IGBT，它允许应用在从低于12V、一直升高到600V高压，图14给出了ML4425与
IR2118高边驱动器之间的接口电路。该电路能驱动母线电压高达320V的电动机。用一个RC电路可使制动脚BRAKE在起动之前受脉冲作用。这能对三路高边驱动器的自举电容器C19、C20、C21进行充电，让复位相位正常地工作。
这些电容器的容量应使之在校准状态期间有足够的充电时间。
应用电路图13中外部互补管极限参数：P沟道IRFR9120反压－100V、电流－3.6A；N沟道IRFR120反压100V、电流58A（100℃）。应用电路图14中的MOSFET管IRF720：反向击穿电压400V、漏源电流26A（100℃）。
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