Dieser vielseitige bürstenlose (BLDC) Motorcontroller-IC steuert jeden gewünschten 3-Phasen-BLDC-Motor mit Hochspannungs-, Hochstrom- und Hall-Effekt-Sensor und extremer Genauigkeit und Sicherheit. Lassen Sie uns die Details genauer lernen.
Verwenden des IC MC33035
Der 'Held' der Schaltung ist der Single-Chip-Controller MC33035, ein Hochleistungs-IC-Modul der zweiten Generation, das alle erforderlichen aktiven Funktionen bietet, die für den Betrieb der meisten Hochstrom-, Hochspannungs-, 3-Phasen- oder 4-Phasen-BLDC erforderlich sind Motoren mit einer Konfiguration mit offenem oder geschlossenem Regelkreis.
Der IC ist mit einem Rotorpositionsdecoder für eine genaue Kommutierungssequenzierung, einer temperaturkompensierten Referenz zur Erleichterung der korrekten Sensorspannung, einem programmierbaren Frequenzsägezahnoszillator, drei eingebauten High-Side-Treiberstufen mit offenem Kollektor und drei Hochstrom-Totempfählen ausgestattet Low-Side-Treiber vom Typ, die speziell für den Betrieb einer 3-Phasen-Hochleistungs-Mosfet-Motorsteuerungsstufe mit H-Brücke entwickelt wurden.
Der Chip ist auch intern mit High-End-Schutzfunktionen und kinderleichten Steuerungsstufen wie Unterspannungssperre, zyklischer Strombegrenzung durch eine Option mit einstellbarer verzögerter Verriegelung, interner IC-Hochtemperaturabschaltung und einer exklusiven Ausstattung ausgestattet Fehlerausgangs-Pinbelegung, die für eine bevorzugte erweiterte Verarbeitung und Rückkopplung mit einer MCU verbunden sein kann.
Typische Funktionen, die mit diesem IC ausgeführt werden können, sind Geschwindigkeitsregelung im offenen Regelkreis, Vorwärts-Rückwärts-Richtungsregelung, 'Lauffreigabe', eine dynamische Notbremsfunktion.
Der IC ist für die Verwendung mit Motorsensoren mit Phasen von 60 bis 300 Grad oder 120 bis 240 Grad ausgelegt. Als Bonus kann der IC auch zur Steuerung der herkömmlichen Bürstenmotoren verwendet werden.
Wie der IC funktioniert
Der MC33035 gehört zu mehreren hocheffizienten monolithischen bürstenlosen DC-Motorsteuerungen, die von entwickelt wurden Motorola .
Es besteht aus nahezu den Funktionen, die erforderlich sind, um ein voll funktionsfähiges Drei- oder Vierphasen-Motorsteuerungssystem mit offenem Regelkreis zu starten.
Darüber hinaus kann die Steuerung zur Steuerung von Gleichstrombürstenmotoren ausgeführt werden. Es wurde mit der bipolaren Analog-Technologie entwickelt und zeichnet sich durch ein überragendes Maß an Effizienz und Langlebigkeit in rücksichtslosen Industrieumgebungen aus.
Der MC33035 verfügt über einen Rotorpositionsdecoder für eine genaue Kommutierungssequenzierung, eine Umgebungsreferenz, die für die Lieferung einer Sensorleistung zuständig ist, einen frequenzprogrammierbaren Sägezahnoszillator, einen vollständig zugänglichen Fehlerverstärker, einen Impulsbreitenmodulator-Komparator, 3 Open-Collector-Top-Drive-Ausgänge und 3 Die unteren Treiberausgänge des Totempfahls mit hohem Strom sind genau richtig für Betriebsleistungs-MOSFETs.
In den MC33035 sind Abschirmfunktionen integriert, die eine Unterspannungssperre, eine zyklische Strombegrenzung mit einem wählbaren zeitverzögerten verriegelten Abschaltmodus, eine eingebaute thermische Abschaltung sowie einen exklusiven Fehlerausgang umfassen, der bequem an eine Mikroprozessorsteuerung angeschlossen werden kann.
Zu den Standardattributen der Motorsteuerung gehören Drehzahlregelung im offenen Regelkreis, Vorwärts- oder Rückwärtsdrehung, Lauffreigabe und dynamisches Bremsen. Darüber hinaus verfügt der MC33035 über einen 60 ° / 120 ° -Auswahlstift, der den Rotorsituationsdecoder für elektrische Phaseneingänge des 60 ° - oder 120 ° -Sensors konfiguriert.
PIN OUT Funktionen:
Pin1, 2, 24 (Bt, At, Ct) = Dies sind die drei oberen Antriebsausgänge des IC, die für den Betrieb der extern konfigurierten Leistungsgeräte wie BJTs angegeben sind. Diese Pinbelegung ist intern als Open-Collector-Modus konfiguriert.
Pin # 3 (Fwd, Rev) = Diese Pinbelegung dient zur Steuerung der Motordrehrichtung.
Pin # 4, 5, 6 (Sa, Sb, Sc) = Dies sind 3 Sensorausgänge des IC, die zur Steuerung der Steuersequenz des Motors zugewiesen sind.
Pin # 7 (Ausgang aktivieren) = Dieser Pin des IC ist zugewiesen, um den Motorbetrieb zu ermöglichen, solange hier eine hohe Logik beibehalten wird, während eine niedrige Logik das Ausrollen des Motors ermöglicht.
Pin # 8 (Referenzausgang) = Dieser Pin ist mit einem Versorgungsstrom zum Laden des Oszillator-Timing-Kondensators Ct sowie einem Referenzpegel für den Fehlerverstärker ausgestattet. Es kann auch zur Versorgung der Motor-Hall-Effekt-Sensor-ICs mit Strom versorgt werden.
Pin # 9 (nicht invertierender Stromerfassungseingang) : Der Signalausgang von 100 mV kann von dieser Pinbelegung unter Bezugnahme auf Pin Nr. 15 erreicht werden und wird zum Aufheben der Ausgangsschalterleitung während eines bestimmten Oszillatorzyklus verwendet. Diese Pinbelegung ist normalerweise mit der Oberseite des Stromerfassungswiderstands verbunden.
Pin # 10 (Oszillator) : Diese Pinbelegung bestimmt die Oszillatorfrequenz für den IC mit Hilfe des RC-Netzwerks Rt und Ct.
Pin # 11 (Fehlerverstärker nicht invertierender Eingang) : Diese Pinbelegung wird mit dem Geschwindigkeitsregelpotentiometer verwendet.
Pin # 12 (Fehlerverstärker invertiert den Eingang) : Dieser Pin ist intern mit dem oben genannten Fehlerverstärkerausgang verbunden, um die Open-Loop-Anwendungen zu ermöglichen .
Pin # 13 (Fehlerverstärkerausgang / PWM-Eingang) : Die Funktion dieser Pinbelegung besteht darin, eine Kompensation bei Anwendungen mit geschlossenem Regelkreis bereitzustellen.
Pin # 14 (Fehlerausgang) : Dieser Fehleranzeige-Ausgang kann unter einigen kritischen Bedingungen zu einem aktiven logischen Low werden, z. B.: Ungültiger Eingangscode für den Sensor, Pinbelegung mit Nulllogik aktivieren, Pinbelegung des Strommess-Eingangs höher als 100 mV (@ Pin9 in Bezug auf Pin15) , Auslösen der Unterspannungssperre oder einer thermischen Abschaltsituation).
Pin # 15 (Stromerfassung invertierender Eingang) : Dieser Pin dient zur Bereitstellung des Referenzpegels für den internen 100-mV-Schwellenwert und ist möglicherweise mit dem unteren Stromerfassungswiderstand verbunden.
Pin # 16 (GND) : Dies ist der Erdungsstift des IC und dient zur Bereitstellung des Erdungssignals für den Steuerkreis. Er muss auf die Erdung der Stromquelle zurückgeführt werden.
Pin # 17: (Vcc) : Dies ist der positive Versorgungsstift, der für die Bereitstellung der positiven Spannung für den Steuerkreis des IC angegeben ist. Der minimale Betriebsbereich dieses Pins beträgt 10 V und der maximale bei 30 V.
Pin # 18 (Vc) : Diese Pinbelegung setzt den High-State (Voh) für die unteren Antriebsausgänge über die diesem Pin zugewiesene Leistung. Die Bühne arbeitet mit einem Bereich von 10 bis 30V.
Pin Nr. 19, 20, 21 (Cb, Bb, Ab) : Diese drei Pinbelegungen sind intern in Form von Totempfahlausgängen angeordnet und dienen zur Ansteuerung der Leistungsgeräte mit niedrigerem Antriebsausgang.
Pin # 22 (60D, 120D Phasenverschiebungsauswahl) : Der dieser Pinbelegung zugewiesene Status konfiguriert den Steuerkreisbetrieb mit den Hall-Effekt-Sensoren entweder für einen Phasenwinkeleingang von 60 Grad (hohe Logik) oder 120 Grad (niedrige Logik).
Pin # 23 (Bremse) : Ein logisch niedriger Wert bei dieser Pinbelegung ermöglicht einen reibungslosen Betrieb des BLDC-Motors, während ein logisch hoher Wert den Motorbetrieb durch eine schnelle Verzögerung sofort stoppt.
FUNKTIONSBESCHREIBUNG
Ein repräsentatives internes Blockdiagramm ist in der obigen Abbildung dargestellt. Ein Diskurs über die Vorteile und die Funktionsweise jedes der unten aufgeführten zentralen Blöcke.
Rotor Positionsdecoder
Ein Innenrotor-Positionsdecoder misst die 3 Sensoreingänge (Pins 4, 5, 6), um die richtige Reihenfolge der oberen und unteren Antriebsbelegung zu erzielen. Die Sensoreingänge sind so hergestellt, dass sie direkt mit Hall-Effekt-Schaltern mit offenem Kollektor oder Opto-Schlitzkopplern verbunden werden können.
Eingebaute Pull-up-Widerstände werden klassifiziert, um die erforderliche Menge an externen Teilen zu reduzieren. Die Eingänge sind TTL-kompatibel, wobei ihre Schwellenwerte charakteristisch für 2,2 V sind.
Die ICs der MC33035-Reihe dienen zur Steuerung von 3-Phasen-Motoren und zum Betrieb mit 4 der beliebtesten Konventionen der Sensorphaseneinstellung. Eine 60 ° / 120 ° -Auswahl (Pin 22) wird zweckmäßigerweise mitgeliefert und liefert den MC33035, der selbst konfiguriert werden kann, um Motoren mit einer elektrischen Sensorphaseneinstellung von 60 °, 120 °, 240 ° oder 300 ° zu regeln.
Mit 3 Sensoreingängen entdecken Sie 8 mögliche Eingabecodeformationen, von denen 6 legitime Rotorplatzierungen sind.
Die beiden anderen Codes sind veraltet, da sie im Allgemeinen auf eine offene oder kurzgeschlossene Sensorverbindung zurückzuführen sind.
Mit 6 berechtigten Eingabecodes kann der Decoder möglicherweise die Position des Motorrotors innerhalb eines Spektrums von 60 elektrischen Grad berücksichtigen.
Der Vorwärts- / Rückwärts-Eingang (Pin 3) wird als Werkzeug verwendet, um den Verlauf des Motorplans durch Umkehren der Spannung über der Statorwicklung zu ändern.
Sobald der Eingang den Zustand von hoch nach niedrig unter Verwendung eines zugewiesenen Sensoreingangsprogrammcodes (zum Beispiel 100) ändert, werden die erleichterten Ausgänge des oberen und unteren Antriebs unter Verwendung des gleichen Alpha-Status vertauscht (AT zu AB, BT zu BB, CT zu CB).
Im Wesentlichen wird die Richtung des veränderbaren Strings geändert und der Motor kehrt die Richtungsreihenfolge um. Die Motor-Ein / Aus-Steuerung erfolgt über die Ausgangsfreigabe (Pin 7).
Immer wenn die Verbindung getrennt bleibt, ermöglicht eine interne Stromversorgung von 25 μA die Sequenzierung der Ausgänge des führenden und des Basisantriebs. Bei Erdung schalten sich die Ausgänge des Oberteilantriebs aus und die Basisantriebe werden auf niedrig gedrückt, wodurch der Motor zum Ausrollen und der Fehlerausgang zum Auslösen gebracht wird.
Durch dynamisches Motorbremsen kann ein überschüssiger Schutzspielraum zum Endgerät entwickelt werden. Das Bremssystem wird erreicht, indem Sie Ihren Bremseingang (Pin 23) in einen höheren Status versetzen.
Dies führt dazu, dass die oberen Antriebsausgänge ausgeschaltet und die unteren Antriebe aktiviert werden, wodurch die vom Motor erzeugte EMF kurzgeschlossen wird. Der Bremseingang hat gegenüber allen anderen Eingängen eine absolute, uneingeschränkte Berücksichtigung. Der innere 40-kΩ-Pull-up-Widerstand ist über den Programm-Sicherheitsschalter miteinander verbunden, indem die Aktivierung der Bremse im Falle eines Öffnens oder Abschaltens gewährleistet wird.
Die Wahrheitstabelle der Kommutierungslogik ist unten dargestellt. Ein NOR-Gatter mit 4 Eingängen wird verwendet, um den Bremseingang und die Eingänge der BJTs mit 3 oberen Antriebsausgängen zu untersuchen.
Das Ziel besteht normalerweise darin, die Bremse auszuschalten, bevor die oberen Antriebsausgänge einen hohen Status erreichen. Auf diese Weise können Sie ein synchronisiertes Leasing der oberen und unteren Netzschalter vermeiden.
In Halbwellenmotor-Antriebsprogrammen werden die oberen Antriebskomponenten im Allgemeinen nicht benötigt und sie werden in den meisten Fällen getrennt gehalten. Unter diesen Umständen wird immer noch eine Bremsung erreicht, da das NOR-Gatter die Basisspannung an den BJTs des oberen Antriebsausgangs erfasst.
Fehlerverstärker
Ein vollkompensierter Fehlerverstärker mit verbessertem Wirkungsgrad und aktivem Zugriff auf jeden Eingang und Ausgang (Pins Nr. 11, 12, 13) wird angeboten, um die Ausführung der Drehzahlregelung des geschlossenen Regelkreises zu unterstützen.
Der Verstärker verfügt über eine Standard-Gleichspannungsverstärkung von 80 dB und eine Verstärkungsbandbreite von 0,6 MHz sowie einen breiten Gleichtakt-Eingangsspannungsbereich, der sich von Masse bis Vref erstreckt.
In den meisten Drehzahlregelungsprogrammen mit offenem Regelkreis ist der Verstärker als Spannungsfolger mit Einheitsverstärkung eingerichtet, wobei der nichtinvertierende Eingang mit der Drehzahlspannungsversorgung gekoppelt ist.
Oszillator Die Frequenz des inneren Rampenoszillators ist durch die für die Zeitsteuerungselemente RT und CT festgelegten Werte fest verdrahtet.
Der Kondensator CT wird über den Widerstand RT (Pin 8) über den Widerstand RT aufgeladen und über einen inneren Entladungstransistor entladen.
Die Rampenspitzen- und Pit-Spannungen betragen normalerweise 4,1 V und 1,5 V entsprechend. Um eine angemessene Einsparung zwischen hörbarem Rauschen und Ausgangsschaltleistung zu erzielen, wird eine Oszillatorfrequenz bei der Auswahl von 20 bis 30 kHz vorgeschlagen. Beziehen Sie sich für die Komponentenauswahl auf Abbildung 1.
Pulsweitenmodulator
Die integrierte Pulsweitenmodulation bietet einen leistungswirksamen Ansatz zur Regelung der Motordrehzahl durch Änderung der Standardspannung, die jeder Statorwicklung während der gesamten Kommutierungsreihe zugeordnet wird.
Wenn sich der Stromwandler entlädt, modelliert der Oszillator die einzelnen Latches und ermöglicht so die Leitung der oberen und unteren Antriebsausgänge. Der PWM-Komparator setzt die obere Verriegelung zurück und beendet das Leasing des unteren Antriebsausgangs, sobald die positiv verlaufende Rampe des Stromwandlers das Ergebnis des Fehlerverstärkers übersteigt.
Das Timing-Diagramm des Pulsweitenmodulators ist in Abbildung 21 dargestellt.
Die Pulsweitenmodulation für das Geschwindigkeitsmanagement zeigt sich ausschließlich an den unteren Antriebsausgängen. Strombegrenzung Die konstante Funktion eines Motors, der erheblich überlastet sein kann, führt zu Überhitzung und unvermeidlichen Fehlfunktionen.
Diese nachteilige Situation kann am besten zusammen mit der zyklischen Strombegrenzung abgewendet werden.
Das heißt, jeder Einschaltzyklus wird als eigenständige Funktion behandelt. Eine zyklische Strombegrenzung wird erreicht, indem der Statorstromaufbau jedes Mal verfolgt wird, wenn ein Ausgangsschalter ausgelöst wird, und nachdem eine Hochstromsituation erkannt wurde, der Schalter sofort deaktiviert und für die ausstehende Zeit des Oszillator-Hochlaufintervalls ausgeschaltet bleibt.
Der Statorstrom wird durch Anlegen eines auf Masse bezogenen Messwiderstands RS (Abbildung 36) in Übereinstimmung mit den 3 unteren Teiltransistoren (Q4, Q5, Q6) in eine Spannung umgewandelt.
Die entlang des Antizipationswiderstands aufgebaute Spannung wird mit dem Stromerfassungseingang (Pins 9 und 15) überwacht und mit dem inneren 100-mV-Referenzpunkt verglichen.
Die Stromerfassungskomparator-Eingänge haben einen Gleichtakt-Eingangsbereich von ungefähr 3,0 V.
Falls die 100-mV-Stromerfassungstoleranz überschritten wird, setzt der Komparator die untere Erfassungssperre zurück und beendet die Leitung des Ausgangsschalters. Der Wert für den Stromerfassungswiderstand ist tatsächlich:
Rs = 0,1 / Istator (max)
Der Fehlerausgang wird in einer Situation mit hohem Verstärker ausgelöst. Die Dual-Latch-PWM-Einstellung stellt sicher, dass im Verlauf einer bestimmten Oszillatorroutine nur ein einziger Ausgangs-Triggerimpuls auftritt, unabhängig davon, ob dieser über den Ausgang des Fehlerverstärkers oder des Strombegrenzungskomparators beendet wird oder nicht.
Der On-Chip-6,25-V-Regler (Pin 8) bietet Ladestrom für den Oszillator-Zeitkondensator, einen Bezugspunkt für den Fehlerverstärker, der es ihm ermöglicht, 20 mA Strom zu liefern, der für die spezifische Stromversorgung von Sensoren in Niederspannungsprogrammen geeignet ist.
Bei größeren Spannungszwecken könnte dies wichtig werden, um die vom Regler abgegebene Leistung vom IC auszutauschen. Dies wird definitiv mit Hilfe eines anderen Durchgangstransistors erreicht, wie in Abbildung 22 gezeigt.
Ein 6,25-V-Benchmark-Punkt schien beschlossen zu sein, um das Rendern der einfachen NPN-Schaltung zu ermöglichen, wobei Vref-VBE die minimale Spannung, die von Hall-Effekt-Sensoren über Wärme benötigt wird, übersteigt.
Mit einem geeigneten Transistorsortiment und ausreichendem Kühlkörper können bis zu 1 Ampere Laststrom erworben werden.
Unterspannungsverriegelung
Eine Dreiwege-Unterspannungssperre wurde integriert, um Schäden am IC und den alternativen Leistungsschaltertransistoren zu reduzieren. Bei niedrigen Stromversorgungsfaktoren wird sichergestellt, dass IC und Sensoren voll funktionsfähig sind und eine ausreichende Ausgangsspannung des Basisantriebs vorhanden ist.
Die positiven Stromversorgungen zum IC (VCC) und zu den niedrigen Antrieben (VC) werden jeweils von unabhängigen Komparatoren untersucht, deren Schwellenwerte bei 9,1 V liegen. Diese spezielle Stufe garantiert einen angemessenen Gate-Pendelverkehr, der erforderlich ist, um einen niedrigen RDS (Ein) zu erreichen, wenn normale Leistung angesteuert wird MOSFET-Ausrüstung.
Immer wenn die Hallsensoren direkt von der Referenz erregt werden, tritt ein unangemessener Sensorbetrieb auf, falls die Ausgangsspannung des Referenzpunkts unter 4,5 V fällt.
Ein dritter Komparator kann verwendet werden, um dieses Problem zu erkennen.
Wenn mehr als einer der Komparatoren eine Unterspannungssituation erfasst, wird der Fehlerausgang eingeschaltet, die oberen Läufe werden abgeschaltet und die Ausgänge des Basisantriebs werden in einem niedrigen Punkt angeordnet.
Jeder der Komparatoren enthält eine Hysterese zum Schutz vor Amplituden bei der Überbrückung ihrer individuellen Schwellenwerte.
Fehlerausgabe
Der Open-Collector-Fehlerausgang (Pin 14) sollte im Falle eines Prozessausfalls Analysedetails liefern. Es hat eine Senkenstromfähigkeit von 16 mA und kann speziell eine Leuchtdiode für sichtbares Signal ansteuern. Darüber hinaus ist es tatsächlich bequem mit der TTL / CMOS-Logik zur Verwendung in einem mikroprozessorgesteuerten Programm verbunden.
Die Fehlerausgabe ist effektiv niedrig, während mehr als eine der folgenden Situationen auftritt:
1) Ungültige Sensoreingabecodes
2) Ausgangsfreigabe bei Logik [0]
3) Strommessungseingang mehr als 100 mV
4) Unterspannungssperre, Aktivierung von 1 oder höher der Komparatoren
5) Wärmeabschaltung, optimale Sperrschichttemperatur wird maximiert Diese exklusive Leistung kann auch verwendet werden, um zwischen Motorstart oder dauerhaftem Funktionieren in einer überschwemmten Situation zu unterscheiden.
Mit Hilfe eines RC-Netzwerks zwischen dem Fehlerausgang und dem Freigabeeingang können Sie eine zeitverzögerte verriegelte Abschaltung hinsichtlich Überstrom entwickeln.
Zusätzliche Schaltkreise in Abbildung 23 erleichtern das mühelose Starten von Motorsystemen, die mit höheren Trägheitslasten ausgestattet sind, indem sie ein zusätzliches Aufnahmemoment liefern und gleichzeitig den Überstromschutz sicher schützen. Diese Aufgabe wird erreicht, indem die aktuelle Beschränkung für einen festgelegten Zeitraum auf den nächstniedrigeren Wert gesetzt wird. Im Verlauf einer außerordentlich langen Überstromsituation lädt sich der Kondensator CDLY auf und ruft den Freigabeeingang hervor, um seine Toleranz gegenüber einem niedrigen Zustand zu überwinden.
Ein Latch kann nun durch den positiven Rückkopplungszyklus vom Fehlerausgang zum Ausgang aktiviert werden. Wenn diese Einstellung am Current Sense-Eingang vorgenommen wurde, konnte sie nur durch Kurzschließen von CDLY oder Aus- und Wiedereinschalten der Netzteile zurückgesetzt werden.
Voll funktionsfähiges BLDC-Schema mit hoher Leistung
Eine voll funktionsfähige BLDC-Steuerschaltung mit hoher Leistung und hohem Strom, die das oben erläuterte Gerät verwendet, kann im Folgenden beschrieben werden. Sie ist als 3-Phasen-Vollwellenmodus mit 6 Schritten konfiguriert:
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