Obwód bezszczotkowego sterownika silnika o dużej mocy

Ten wszechstronny bezszczotkowy (BLDC) układ scalony sterownika silnika jest przeznaczony do sterowania dowolnym 3-fazowym silnikiem BLDC o wysokim napięciu i wysokim natężeniu prądu wyposażonym w czujnik Halla z wyjątkową dokładnością i bezpieczeństwem. Poznajmy szczegółowo szczegóły.

Korzystanie z IC MC33035

`` Bohaterem '' obwodu jest jednoukładowy kontroler MC33035, który jest wysokowydajnym modułem IC drugiej generacji, posiadającym wszystkie wymagane aktywne funkcje, które mogą być wymagane do obsługi większości wysokoprądowych, wysokonapięciowych, 3-fazowych lub 4-fazowych BLDC silniki z otwartą lub zamkniętą pętlą.

Układ scalony jest wyposażony w dekoder pozycji wirnika umożliwiający dokładne sekwencjonowanie komutacji, odniesienie z kompensacją temperatury w celu ułatwienia prawidłowego napięcia czujnika, programowalny oscylator piłokształtny o częstotliwości, trzy wbudowane stopnie sterujące po stronie wysokiego napięcia z otwartym kolektorem i trzy wysokoprądowe bieguny totemowe przetworniki typu low-side, specjalnie zaprojektowane do obsługi 3-fazowego stopnia kontrolera silnika mosfet o dużej mocy z mostkiem H.

Chip jest również wewnętrznie wzmocniony z wysokiej klasy funkcjami zabezpieczającymi i niezawodnymi etapami sterowania, takimi jak blokada napięcia pod napięciem, ograniczenie prądu cykl po cyklu poprzez opcję regulowanego wyłączenia z opóźnieniem, wewnętrzne wyłączanie układu scalonego w wysokiej temperaturze i wyłącznie opracowane pinout wyjścia błędu, który może być połączony z MCU w celu preferowanego zaawansowanego przetwarzania i sprzężenia zwrotnego.

Typowe funkcje, które można wykonać za pomocą tego układu scalonego, to sterowanie prędkością w otwartej pętli, sterowanie kierunkiem do przodu do tyłu, „zezwolenie na pracę”, funkcja awaryjnego hamowania dynamicznego.

Układ scalony jest przeznaczony do współpracy z czujnikami silnika o fazach od 60 do 300 stopni lub od 120 do 240 stopni, jako bonus, który może być używany również do sterowania tradycyjnymi silnikami szczotkowanymi.

Jak działa IC

MC33035 jest jednym z kilku wysokowydajnych monolitycznych bezszczotkowych sterowników silników prądu stałego stworzonych przez Motorola .

Składa się z prawie wszystkich funkcji niezbędnych do uruchomienia w pełni funkcjonalnego, trój- lub czterofazowego systemu sterowania silnikiem z otwartą pętlą.

Ponadto kontroler można wykorzystać do sterowania silnikami szczotkowymi prądu stałego. Zaprojektowany w technologii Bipolar Analog, zapewnia najwyższy poziom wydajności i trwałości w bezwzględnym, uprzemysłowionym otoczeniu.

MC33035 zawiera dekoder pozycji wirnika do dokładnego sekwencjonowania komutacji, zwracane przez środowisko odniesienie właściwe do dostarczania mocy czujnika, programowalny oscylator piłokształtny, w pełni dostępny wzmacniacz błędów, komparator modulatora szerokości impulsu, 3 wyjścia napędu górnego typu otwarty kolektor i 3 wysokoprądowe dolne wyjścia sterownika totemu biegunowego, odpowiednie do pracy z tranzystorami MOSFET.

MC33035 ma wbudowane funkcje ekranowania, które obejmują blokadę podnapięciową, ograniczanie prądu cykl po cyklu z wybieranym trybem zatrzaśnięcia z opóźnieniem czasowym, wbudowane wyłączanie termiczne, a także wyłączne wyjście błędu, które można wygodnie połączyć ze sterownikiem mikroprocesorowym.

Standardowe atrybuty sterowania silnikiem obejmują sterowanie prędkością w otwartej pętli, obroty do przodu lub do tyłu, zezwolenie na pracę i hamowanie dynamiczne. Ponadto MC33035 ma pin wyboru 60 ° / 120 °, który konfiguruje dekoder położenia wirnika dla wejść fazowania elektrycznego czujnika 60 ° lub 120 °.

Funkcje PIN OUT:

Pin1, 2, 24 (Bt, At, Ct) = Są to trzy górne wyjścia napędu układu scalonego określonego do obsługi zewnętrznie skonfigurowanych urządzeń zasilających, takich jak BJT. Te pinouty są wewnętrznie skonfigurowane jako tryb otwartego kolektora.


Pin # 3 (Fwd, Rev) = Ten pinout jest przeznaczony do kontrolowania kierunku obrotów silnika.

Pin # 4, 5, 6 (Sa, Sb, Sc) = Są to 3 wyjścia czujnika układu scalonego przypisanego do sterowania sekwencją sterowania silnikiem.

Pin # 7 (wyjście włączone) = Ten pin układu scalonego jest przypisany do umożliwienia pracy silnika tak długo, jak długo utrzymywana jest tutaj logika wysoka, podczas gdy logika niska służy do umożliwienia wybiegania silnika.

Pin # 8 (wyjście odniesienia) = Ten styk jest zasilany prądem zasilającym do ładowania kondensatora taktowania oscylatora Ct, a także zapewnia poziom odniesienia dla wzmacniacza błędu. Może być również używany do dostarczania zasilania do układów scalonych czujników efektu Halla silnika.

Pin # 9 (wejście nieodwracające Current Sense) : Sygnał wyjściowy 100mV można uzyskać z tego wyprowadzenia w odniesieniu do pinu # 15 i jest on używany do anulowania przewodzenia przełącznika wyjściowego podczas określonego cyklu oscylatora. Ten pinout zwykle łączy się z górną stroną rezystora wykrywającego prąd.

Pin # 10 (oscylator) : Ten pinout określa częstotliwość oscylatora dla układu scalonego za pomocą sieci RC Rt i Ct.

Pin # 11 (wejście nieodwracające błędu wzmacniacza) : Ten pinout jest używany z potencjometrem regulacji prędkości.

Pin # 12 (Błąd odwracania wejścia wzmacniacza) : Ten pin jest wewnętrznie połączony z wyżej wymienionym wyjściem wzmacniacza błędu w celu włączenia aplikacji z otwartą pętlą .


Pin # 13 (błąd wyjścia wzmacniacza / wejście PWM) : Funkcją tego wyprowadzenia jest zapewnienie kompensacji podczas aplikacji w pętli zamkniętej.

Pin # 14 (wyjście błędu) : To wyjście wskaźnika usterki może stać się aktywnym stanem logicznym niskiego poziomu w kilku krytycznych warunkach, takich jak: Nieprawidłowy kod wejściowy czujnika, Włącz pinout zasilany logiką zerową, Wyjście pinowe czujnika prądu staje się wyższe niż 100mV (@ pin9 w odniesieniu do pin15) , wyzwolenie blokady podnapięciowej lub sytuacja wyłączenia termicznego).

Pin # 15 (wejście odwracające prądowe wykrywanie) : Ten styk jest ustawiony w celu zapewnienia poziomu odniesienia dla wewnętrznego progu 100 mV i może być połączony z rezystorem wykrywającym prąd po stronie dolnej.

Pin # 16 (GND) : Jest to styk uziemienia układu scalonego, który jest przeznaczony do dostarczania sygnału masy do obwodu sterującego i wymaga odniesienia do masy źródła zasilania.

Pin # 17: (Vcc) : Jest to biegun dodatni zasilania określony w celu zapewnienia dodatniego napięcia do obwodu sterującego układu scalonego. Minimalny zakres działania tego pinu to 10 V, a maksymalny przy 30 V.

Pin # 18 (Vc) : Ten pinout ustawia stan wysoki (Voh) dla dolnych wyjść przemiennika poprzez moc przypisaną do tego pinu. Scena działa w zakresie od 10 do 30V.

Pin # 19, 20, 21 (Cb, Bb, Ab) : Te trzy wyprowadzenia są wewnętrznie rozmieszczone w postaci wyjść biegunów totemu i są przypisane do sterowania dolnymi wyjściowymi urządzeniami zasilającymi przemiennika.

Pin # 22 (wybór przesunięcia fazowego 60 D, 120D) : Stan przypisany temu pinoutowi konfiguruje działanie obwodu sterującego z czujnikami efektu Halla dla wejść kąta fazowego 60 stopni (logika wysoka) lub 120 stopni (logika niska).

Styk # 23 (hamulec) : Niski stan logiczny na tym wyprowadzeniu umożliwi płynną pracę silnika BLDC, podczas gdy wysoki stan logiczny natychmiast zatrzyma pracę silnika poprzez gwałtowne zwalnianie.

OPIS DZIAŁANIA

Na powyższym rysunku przedstawiono reprezentatywny wewnętrzny schemat blokowy. Dyskurs na temat korzyści i działania każdego z głównych bloków wymienionych poniżej.

Dekoder pozycji wirnika

Dekoder wewnętrznego położenia wirnika mierzy 3 wejścia czujników (styki 4, 5, 6), aby odtworzyć właściwą sekwencję górnych i dolnych pinów napędu. Wejścia czujników są produkowane tak, aby łączyć się bezpośrednio z przełącznikami efektu Halla typu otwarty kolektor lub optycznymi łącznikami szczelinowymi.

Wbudowane rezystory podciągające są klasyfikowane tak, aby ograniczyć niezbędną ilość części zewnętrznych. Wejścia są kompatybilne z TTL, a ich progi są charakterystyczne dla 2,2 V.

Seria układów scalonych MC33035 jest przeznaczona do sterowania silnikami 3-fazowymi i pracuje z 4 najpopularniejszymi konwencjami fazowania czujników. Celowo dostarczany jest przełącznik wyboru 60 ° / 120 ° (styk 22), który umożliwia samodzielną konfigurację MC33035 do regulacji silników z fazowaniem czujników elektrycznych 60 °, 120 °, 240 ° lub 300 °.

Dzięki 3 wejściom czujników odkryjesz 8 potencjalnych formacji kodu wejściowego, z których 6 to prawidłowe rozmieszczenie wirników.

Pozostałe dwa kody są nieaktualne, ponieważ generalnie są wynikiem przerwy lub zwarcia w połączeniu czujnika.

Przy 6 uzasadnionych kodach wejściowych dekoder może zająć się położeniem wirnika silnika w zakresie 60 stopni elektrycznych.

Wejście do przodu / do tyłu (styk 3) służy jako narzędzie do modyfikowania przebiegu harmonogramu silnika poprzez odwrócenie napięcia na uzwojeniu stojana.

Gdy tylko wejście zmieni stan, z wysokiego na niski za pomocą przypisanego kodu programu wejścia czujnika (na przykład 100), ułatwione górne i podstawowe wyjścia przemiennika używające tego samego stanu alfa są zamieniane (AT na AB, BT na BB, CT na CB).

Zasadniczo zmienna struna zmienia kierunek, a silnik odwraca sekwencję kierunkową. Sterowanie włączaniem / wyłączaniem silnika odbywa się za pomocą wyjścia włączającego (styk 7).

Zawsze gdy jest odłączony, wewnętrzne zasilanie prądem 25 μA pozwala na sekwencjonowanie wiodących i podstawowych wyjść napędu. Po uziemieniu wyjścia napędu w górnej części wyłączają się, a napędy podstawy są obniżane do stanu niskiego, wywołując wybieg silnika i wyzwalanie wyjścia błędu.

Dynamiczne hamowanie silnika umożliwia wykorzystanie dodatkowego marginesu ochrony do urządzenia końcowego. System hamowania uzyskuje się poprzez ustawienie wejścia hamulca (styk 23) w wyższym stanie.

Prowadzi to do górnych wyjść przemiennika, które wyłączają się, a napędy od spodu do aktywacji, zwierając ponownie generowaną przez silnik EMF. Wejście hamulca jest brane pod uwagę w sposób absolutny i całościowy w stosunku do wszystkich innych wejść. Wewnętrzny rezystor podciągający 40 kΩ łączy się z liniami prostoliniowymi za pomocą programowego wyłącznika bezpieczeństwa, gwarantując aktywację hamulca w przypadku otwarcia lub wyłączenia.

Tabela prawdy logiki komutacji jest pokazana poniżej. 4-wejściowa bramka NOR służy do badania wejścia hamulca i sygnałów wejściowych do 3 górnych BJT wyjściowych przemiennika.

Celem jest zazwyczaj wyłączenie hamowania zanim najwyższe wyjścia przemiennika osiągną stan wysoki. Pozwala to uniknąć zsynchronizowanego dzierżawy wyłączników mocy górnej i podstawy.

W programach napędów z silnikami półfalowymi, górne komponenty napędu na ogół nie są potrzebne i w większości przypadków są one odłączone. W tego typu okolicznościach hamowanie będzie nadal osiągane, ponieważ bramka NOR wykrywa napięcie bazowe do górnych wyłączników BJT wyjściowych przemiennika.

Wzmacniacz błędów

Oferowany jest ulepszony, w pełni skompensowany wzmacniacz błędu z aktywnym dostępem do każdego wejścia i wyjścia (styki # 11, 12, 13), aby pomóc w realizacji sterowania prędkością silnika w pętli zamkniętej.

Wzmacniacz jest wyposażony w standardowe wzmocnienie napięcia stałego 80 dB, szerokość pasma wzmocnienia 0,6 MHz, a także szeroki zakres napięcia wejściowego w trybie wspólnym, który rozciąga się od uziemienia do Vref.

W większości programów sterowania prędkością w otwartej pętli wzmacniacz jest ustawiony jako wtórnik napięciowy o wzmocnieniu jedności z nieodwracającym wejściem sprzężonym z napięciem zasilającym o ustawionej prędkości.

Oscylator Częstotliwość wewnętrznego oscylatora narastającego jest przypisana na stałe poprzez wartości ustalone dla elementów czasowych RT i CT.

Kondensator CT będzie ładowany przez wyjście odniesienia (styk 8) za pomocą rezystora RT i rozładowywany przez wewnętrzny tranzystor rozładowujący.

Szczytowe wartości szczytowe i napięcia w zbiorniku wynoszą zwykle odpowiednio 4,1 V i 1,5 V. Aby zapewnić przyzwoite oszczędności wśród słyszalnego szumu i wydajności przełączania wyjścia, sugerowana jest częstotliwość oscylatora w zakresie od 20 do 30 kHz. Odnieś się do rysunku 1, aby wybrać komponenty.

Modulator szerokości impulsu

Zintegrowana modulacja szerokości impulsu zapewnia efektywne pod względem mocy podejście do sterowania prędkością silnika poprzez zmianę standardowego napięcia przypisanego do każdego uzwojenia stojana w całej serii komutacji.

Podczas wyładowań przekładnika prądowego oscylator modeluje każdy zatrzask, umożliwiając przewodzenie górnej i dolnej mocy wyjściowej. Komparator PWM resetuje górny zatrzask, kończąc dzierżawę dolnego wyjścia napędu, gdy dodatnia rampa przekładnika prądowego przekształci się w przekroczenie wyniku wzmacniacza błędu.

Schemat czasowy modulatora szerokości impulsu przedstawiono na rysunku 21.

Modulacja szerokości impulsu do zarządzania prędkością pojawia się wyłącznie na niższych wyjściach napędu. Ograniczenie prądu Ciągła praca silnika, który może być znacznie przeciążony, prowadzi do przegrzania i nieuniknionej awarii.

Tej szkodliwej sytuacji można najłatwiej uniknąć, stosując ograniczenie prądu cykl po cyklu.

Oznacza to, że każdy cykl jest traktowany jako niezależna funkcja. Ograniczenie prądu cykl po cyklu jest osiągane przez śledzenie narastania prądu stojana za każdym razem, gdy wyłącznik wyjściowy jest wyzwalany, a po wykryciu sytuacji wysokiego prądu, natychmiast wyłącza przełącznik i utrzymuje go w stanie wyłączonym przez wyjątkowy okres narastania oscylatora.

Prąd stojana jest przekształcany na napięcie poprzez zastosowanie uziemionego rezystora czujnikowego RS (Rysunek 36) w linii z 3 dolnymi tranzystorami przełączającymi (Q4, Q5, Q6).

Napięcie ustalone wzdłuż rezystora przewidującego jest nadzorowane przez wejście wykrywania prądu (styki 9 i 15) i porównywane z wewnętrznym punktem odniesienia 100 mV.

Wejścia komparatora pomiarowego prądu mają wspólny zakres wejściowy około 3,0 V.

W przypadku przekroczenia tolerancji wykrywania prądu 100 mV, komparator resetuje dolną blokadę czujnika i kończy przewodzenie przełącznika wyjściowego. Wartość rezystora wykrywającego prąd wynosi w rzeczywistości:

Rs = 0,1 / Istator (maks.)

Wyjście Fault inicjuje się w sytuacji wysokiego natężenia prądu. Ustawienie PWM z podwójnym zatrzaskiem zapewnia, że ​​tylko jeden wyjściowy impuls wyzwalający pojawia się w trakcie określonej procedury oscylatora, niezależnie od tego, czy jest zakończony na wyjściu wzmacniacza błędu lub komparatora ograniczenia prądu.

Wbudowany regulator 6,25 V (styk 8) oferuje prąd ładowania dla kondensatora synchronizacji oscylatora, punkt odniesienia dla wzmacniacza błędu, który umożliwia dostarczanie prądu 20 mA odpowiedniego do zasilania czujników w programach niskonapięciowych.

Przy wyższych napięciach może to stać się ważne dla wymiany mocy emitowanej z regulatora z układu scalonego. Zdecydowanie osiąga się to za pomocą innego tranzystora przejściowego, jak pokazano na rysunku 22.

Wydawało się, że zdecydowano się na punkt odniesienia 6,25 V, aby umożliwić renderowanie prostego obwodu NPN, gdziekolwiek Vref - VBE przewyższa minimalne napięcie wymagane przez czujniki Halla na ciepło.

Mając odpowiedni asortyment tranzystorów i wystarczające radiatory, można kupić nawet 1 amper prądu obciążenia.

Zabezpieczenie podnapięciowe

Zintegrowano trójdrożną blokadę podnapięciową, aby zmniejszyć uszkodzenia układu scalonego i alternatywnych tranzystorów wyłącznika zasilania. Przy niskich współczynnikach zasilania zapewnia to, że układ scalony i czujniki są w pełni sprawne oraz że występuje odpowiednie napięcie wyjściowe napędu podstawowego.

Zasilacze dodatnie do układu scalonego (VCC) i niskich napędów (VC) są badane przez niezależne komparatory, które uzyskują progi na poziomie 9,1 V.Ten konkretny etap gwarantuje odpowiednią dojazd do pracy wymaganą do osiągnięcia niskiego RDS (on) podczas zasilania zwykłej mocy. Sprzęt MOSFET.

Za każdym razem, gdy bezpośrednio zasilane są czujniki Halla z odniesienia, nieprawidłowe działanie czujnika pojawia się w przypadku, gdy napięcie wyjściowe punktu odniesienia spada poniżej 4,5 V.

Do rozpoznania tego problemu można użyć trzeciego komparatora.

Gdy więcej niż jeden komparator wykryje sytuację zbyt niskiego napięcia, wyjście usterki jest włączone, górne przebiegi są odkładane, a wyjścia napędu podstawowego są zorganizowane w najniższym punkcie.

Każdy z komparatorów zawiera histerezę w celu ochrony przed amplitudami podczas mostkowania ich indywidualnych progów.

Wyjście błędu

Wyjście błędu z otwartym kolektorem (styk 14) miało oferować szczegóły analizy w przypadku awarii procesu. Ma zdolność prądową do 16 mA i może sterować diodą elektroluminescencyjną dla sygnału widzialnego. Co więcej, jest dogodnie połączony z logiką TTL / CMOS do użytku w programie sterowanym mikroprocesorem.

Wyjście błędu jest efektywnie niskie, gdy ma miejsce więcej niż jedna z następujących sytuacji:

1) Nieprawidłowe kody wejściowe czujnika

2) Wyjście włączone w logice [0]

3) Prąd wejściowy większy niż 100 mV

4) Blokada podnapięciowa, aktywacja 1 lub więcej komparatorów

5) Wyłączenie ogrzewania, maksymalizacja optymalnej temperatury złącza To wyłączne wyjście może być również użyte do rozróżnienia między uruchomieniem silnika a trwałym działaniem w sytuacji zalania.

Przy pomocy sieci RC pomiędzy wyjściem błędu i wejściem zezwolenia oznacza to, że można opracować opóźnione w czasie wyłączenie z podtrzymaniem w odniesieniu do przetężenia.

Dodatkowe obwody pokazane na rysunku 23 pomagają bezproblemowo uruchamiać układy silnikowe, które są wyposażone w większe obciążenia bezwładnościowe, zapewniając dodatkowy moment rozruchowy, przy jednoczesnym bezpiecznym zabezpieczeniu nadprądowym. Zadanie to osiąga się poprzez umieszczenie bieżącego ograniczenia na następnej niż minimalna wartości dla ustalonego okresu. W przypadku wyjątkowo długiego przetężenia kondensator CDLY ładuje się, wywołując wejście zezwolenia, aby przejść przez jego tolerancję do stanu niskiego.

Można teraz kształtować zatrzask poprzez cykl dodatniego sprzężenia zwrotnego od wyjścia błędu do włączenia wyjścia. Po ustawieniu, za pomocą wejścia Current Sense, można go zresetować tylko przez zwarcie CDLY lub włączenie i wyłączenie zasilaczy.

W pełni funkcjonalny schemat BLDC o dużej mocy

W pełni funkcjonalny obwód kontrolera BLDC o dużej mocy i wysokim natężeniu prądu, wykorzystujący opisane powyżej urządzenie, można zobaczyć poniżej, jest skonfigurowany jako pełnookresowy, 3-fazowy, 6-stopniowy tryb: