Suuritehoinen harjaton moottorin ohjainpiiri

Tämä monipuolinen harjaton (BLDC) moottorin ohjainpiiri on suunniteltu ohjaamaan mitä tahansa haluttua korkeajännitteistä, suurivirtaista, halli-anturilla varustettua 3-vaiheista BLDC-moottoria äärimmäisen tarkasti ja turvallisesti. Opitaan yksityiskohdat perusteellisesti.

IC MC33035: n käyttö

Piirin sankari on yhden sirun ohjain MC33035, joka on korkean suorituskyvyn toisen sukupolven IC-moduuli, joka sisältää kaikki vaaditut aktiiviset toiminnot, joita voidaan tarvita suurimman virran, suurjännitteen, 3-vaiheisen tai 4-vaiheisen BLDC: n käyttämiseen. moottorit, joissa on avoin silmukka tai suljettu silmukka.

IC on varustettu roottorin asennodekooderilla tarkan kommutointisekvensoinnin mahdollistamiseksi, lämpötilakompensoidulla ohjearvolla oikean anturijännitteen helpottamiseksi, ohjelmoitavalla taajuussaha-hammasoskillaattorilla, kolmella sisäänrakennetulla avoimen kollektorin yläpuolisella kuljettajavaiheella ja kolmella suurvirtaisella totemipylväällä. tyypin matalapuoliset ohjaimet, jotka on erityisesti suunniteltu toimimaan 3-vaiheisen H-sillan suuritehoisen mosfet-moottorin ohjainvaiheen kanssa.

Siru on myös sisäisesti vahvistettu huippuluokan suojaominaisuuksilla, ja hämmentävillä ohjausvaiheilla, kuten alijännitteen lukitus, jaksoittain virran rajoittaminen vaihtoehdolla säädettävä viive-salpainen sammutus, sisäinen IC: n korkean lämpötilan sammutus ja yksinomaan suunniteltu vikasignaalin ulostulo, joka voidaan liittää MCU: han suositeltavaa edistynyttä prosessointia ja syöttötakoja varten.

Tyypillisiä toimintoja, jotka voidaan suorittaa tällä IC: llä, ovat avoimen silmukan nopeuden säätö, eteenpäin suunnan suunnan ohjaus, 'ajon salliminen', dynaaminen hätäjarrutoiminto.

IC on suunniteltu toimimaan moottoriantureiden kanssa, joiden vaiheet ovat 60-300 astetta tai 120-240 astetta, bonuksena IC: tä voidaan käyttää myös perinteisten harjattujen moottoreiden ohjaamiseen.

Kuinka IC toimii

MC33035 kuuluu useiden korkean hyötysuhteen monoliittisten DC-harjattomien moottoreiden ohjaimiin Motorola .

Se koostuu lähes kaikista ominaisuuksista, joita tarvitaan täysin varustellun avoimen piirin, kolmivaiheisen tai nelivaiheisen moottorinohjausjärjestelmän käynnistämiseen.

Lisäksi ohjain voidaan toteuttaa DC-harjamoottoreiden ohjaamiseksi. Suunniteltu Bipolar Analog -tekniikalla, sillä on erinomainen tehokkuus ja kestävyys häikäilemättömässä teollisuusympäristössä.

MC33035: ssä on roottorin asennodekooderi tarkkaa kommutointisekvensointia varten, ympäristökompensoitu referenssi, joka kykenee anturitehon toimittamiseen, taajuudella ohjelmoitava sahahammasoskillaattori, täysin käytettävissä oleva virhevahvistin, pulssinleveyden modulaattorin vertailija, 3 avointa kollektorin yläohjausulostuloa ja 3 suurivirtainen totemipylvään alempi ohjain antaa juuri sopivat MOSFET-käyttötehoille.

MC33035: n sisäänrakennetut suojausominaisuudet sisältävät alijännitteen lukituksen, jaksoittaisen virranrajoituksen valittavissa olevalla viivästetyllä lukitulla sammutustilalla, sisäänrakennetun lämpösammutuksen sekä yksinoikeudella olevan vikalähdön, joka liitetään kätevästi mikroprosessoriohjaimeen.

Moottorin vakio-ominaisuuksiin sisältyy avoimen silmukan nopeuden säätö, eteen- tai taaksepäin pyöriminen, ajon salliminen ja dynaaminen jarrutus. Tämän lisäksi MC33035: ssä on 60 ° / 120 ° valintatappi, joka konfiguroi roottoritilanteen dekooderin joko 60 ° tai 120 ° anturin sähköisille vaiheistustuloille.

PIN OUT -toiminnot:

Tappi 1, 2, 24 (Bt, At, Ct) = Nämä ovat mikropiirin kolme ylempää asemalähtöä, jotka on määritetty toimimaan ulkoisesti määritettyjen virtalähteiden, kuten BJT: n, kanssa. Nämä pinoutit on sisäisesti määritetty avoimeksi keräystilaksi.


Tappi # 3 (Fwd, Rev) = Tätä liitintä on tarkoitus käyttää moottorin pyörimissuunnan säätämiseen.

Tappi # 4, 5, 6 (Sa, Sb, Sc) = Nämä ovat 3 IC: n anturilähtöä, jotka on annettu komentamaan moottorin ohjaussarjaa.

Tappi # 7 (lähtö käytössä) = Tämä mikropiirin tappi on annettu moottorin toiminnan mahdollistamiseksi niin kauan kuin tässä ylläpidetään korkeaa logiikkaa, kun taas matalalla logiikalla moottorin pysähtyminen voidaan sallia.

Tappi # 8 (vertailulähtö) = Tämä nasta on käytössä syöttövirralla oskillaattorin ajastuskondensaattorin Ct lataamiseksi sekä virhevahvistimen vertailutason tarjoamiseksi. Sitä voidaan käyttää myös syöttämään virtaa moottorin Hall-efektianturin IC: iin.

Tappi # 9 (Current Sense ei-käänteinen tulo) : 100 mV: n signaalilähtö voidaan saavuttaa tästä pinoutista viitteelle tapaan # 15, ja sitä käytetään lähtökytkimen johtamisen peruuttamiseen määrätyn oskillaattorijakson aikana. Tämä liitäntä kytkeytyy normaalisti virran tunnistavan vastuksen yläosaan.

Tappi # 10 (oskillaattori) : Tämä pinout määrittää oskillaattorin taajuuden IC: lle RC-verkon Rt ja Ct avulla.

Tappi # 11 (virhe vahvistimen ei-käänteinen tulo) : Tätä pinoutia käytetään nopeuden säätöpotentiometrin kanssa.

Tappi # 12 (Virhe vahvistimen tuloa kääntäessä) : Tämä nasta on sisäisesti kytketty yllä mainittuun virhevahvistimen lähtöön avoimen silmukan sovellusten käyttöönottoa varten .


Tappi # 13 (virhevahvistimen lähtö / PWM-tulo) : Tämän pinoutin tehtävänä on tarjota korvausta suljettujen silmukoiden sovelluksissa.

Tappi # 14 (vikatulo) : Tämä vikaindikaattorin ulostulo voi muuttua aktiiviseksi logiikan matalaksi muutamissa kriittisissä olosuhteissa, kuten: Virheellinen anturin tulokoodi, Ota nollalogiikalla syötetty pinout käyttöön, Current sense -tuloliitännän nousu yli 100 mV (@ pin9 viitaten tapaan 15) , alijännitteen lukituksen laukeaminen tai terminen sammutustilanne).

Tappi # 15 (nykyinen aistinversio) : Tämä tappi on asetettu antamaan vertailutaso sisäiselle 100 mV: n kynnykselle, ja se voidaan nähdä yhdistettynä alempaan sivuvirtavastukseen.

Tappi # 16 (GND) : Tämä on mikropiirin maadoitustapa ja on tarkoitettu antamaan maasignaali ohjauspiirille, ja siihen on viitattava takaisin virtalähteen maahan.

Tappi # 17: (Vcc) : Tämä on syötteen positiivinen tappi, joka on määritetty antamaan positiivinen jännite IC: n ohjauspiirille. Tämän nastan vähimmäistoiminta-alue on 10 V ja maksimi 30 V.

Tappi # 18 (Vc) : Tämä liitäntä asettaa korkean tilan (Voh) alemmille taajuusmuuttajan lähdöille tälle pinille osoitetun tehon kautta. Vaihe toimii välillä 10-30 V.

Tapit 19, 20, 21 (Cb, Bb, Ab) : Nämä kolme pinoutia on sisäisesti järjestetty toteemipylväslähtöinä ja ne on osoitettu käyttämään alemman taajuusmuuttajan lähtöteholaitteita.

Tappi # 22 (60 D, 120D vaihesiirron valinta) : Tälle pinoutille määritetty tila konfiguroi ohjauspiirin toiminnan Hall-efektiantureilla joko 60 asteen (korkea logiikka) tai 120 asteen (matala logiikka) vaihekulmatuloille.

Tappi # 23 (jarru) : Looginen matala logiikka tällä pinoutilla antaa BLDC-moottorin käydä tasaisesti, kun taas korkea logiikka pysäyttää moottorin toiminnan nopeasti hidastamalla.

TOIMINNALLINEN KUVAUS

Edustava sisäinen lohkokaavio on esitetty yllä olevassa kuvassa. Keskustelu kunkin alla luetellun keskeisen lohkon eduista ja toiminnasta.

Roottorin asennon dekooderi

Sisäinen roottorin asennodekooderi mittaa 3 anturituloa (nastat 4, 5, 6), jotta saadaan aikaan oikea ylemmän ja alemman taajuusmuuttajan järjestys. Anturitulot on valmistettu liittymään suoraan avoimen kollektorityyppisen Hall Effect -kytkimen tai opto-urosliittimen kanssa.

Sisäänrakennetut ylösvetovastukset luokitellaan rajoittamaan tarvittavaa määrää ulkoisia osia. Tulot ovat TTL-yhteensopivia, niiden kynnysarvot ovat tyypillisesti 2,2 V.

MC33035-piirisarja on tarkoitettu ohjaamaan kolmivaiheisia moottoreita ja toimimaan neljällä suosituimmalla anturivaiheen käytöllä. Toimitetaan tarkoituksenmukaisesti 60 ° / 120 ° Select (nasta 22), joka toimittaa MC33035: n konfiguroitavaksi yksin säätämään moottoreita, joissa on joko 60 °, 120 °, 240 ° tai 300 ° sähköinen anturi.

Kolmen anturitulon avulla löydät 8 potentiaalista tulokoodimuodostumaa, joista 6 on laillisia roottorin sijoitteluja.

Kaksi muuta koodia ovat vanhentuneita, koska ne ovat yleensä seurausta avoimesta tai oikosulussa olevasta anturiliitännästä.

6 perustellulla tulokoodilla dekooderi voi mahdollisesti huolehtia moottorin roottorin asennosta 60 sähköasteen spektrissä.

Eteenpäin / taaksepäin -tuloa (nasta 3) käytetään työkaluna moottorin aikataulun muuttamiseen kääntämällä staattorin käämityksen jännite.

Heti kun tulo muuttaa tilaa, suuresta matalaan käyttämällä määritettyä anturin tulo-ohjelmakoodia (esimerkiksi 100), helpotetut ylä- ja perustaajuuslähdöt, jotka käyttävät samaa alfa-tilaa, vaihdetaan (AT - AB, BT - BB, CT - CB).

Pohjimmiltaan vaihdettavissa oleva merkkijono muuttaa suuntaa ja moottori kääntää suuntasekvenssin. Moottorin on / off-ohjaus saavutetaan Output Enable -toiminnolla (nasta 7).

Aina kun se jätetään irti, sisäinen 25 μA: n virtalähde sallii etu- ja perusaseman lähtöjen sekvensoinnin. Maadoitettuna ylemmän osan taajuusmuuttajan lähdöt kytkeytyvät pois päältä ja perusasemat taittuvat matalalle, aiheuttaen moottorin rannikolle ja vikatulon laukeamisen.

Dynaaminen moottorijarru antaa mahdollisuuden kehittää ylimääräinen suojamarginaali lopulliseen laitteeseen. Jarrujärjestelmä saavutetaan asettamalla jarrutulo (tappi 23) korkeammalle tilalle.

Tämä johtaa ylemmän taajuusmuuttajan lähdöt sammumaan ja alapuoliset taajuusmuuttajat aktivoitumaan, oikosuljettaessa moottorin uudelleen muodostama EMF. Jarrutulolla on absoluuttinen, sydämestä riippumaton huomio kaikista muista tuloista. Sisäinen 40 kΩ: n ylösvetovastus, joka yhdistää ohjelman turvakytkimen avulla takaamalla jarrun aktivoitumisen, jos se avataan tai sammutetaan.

Kommutointilogiikan totuustaulukko on esitetty alla. 4-tuloista NOR-porttia käytetään tutkimaan jarrutuloa ja 3 ylimmän käyttölaitteen lähtöjännitteen BJT: n tuloja.

Tavoitteena on yleensä kytkeä jarrutus pois päältä ennen kuin ylemmät taajuusmuuttajan lähdöt saavuttavat korkean tilan. Näin voit välttää ylä- ja pohjavirtakytkimien synkronoidun vuokrauksen.

Puoliaaltomoottoriohjausohjelmissa ylempiä komponentteja ei yleensä tarvita, ja ne pidetään useimmiten irrotettuna. Tämän tyyppisissä olosuhteissa jarrutus on edelleen saavutettavissa, koska NOR-portti havaitsee perusjännitteen ylemmän käyttölaitteen lähtöjohdoille.

Virhevahvistin

Parannettua tehokkuutta, täysin kompensoitua virhevahvistinta, jolla on aktiivinen pääsy jokaiseen tuloon ja lähtöön (nastat # 11, 12, 13), tarjotaan avuksi suljetun piirin moottorin nopeuden ohjauksessa.

Vahvistimessa on vakio tasajännitevahvistus 80 dB, 0,6 MHz vahvistuksen kaistanleveys sekä laaja yhteisen tulomoodin jännitealue, joka ulottuu maasta Vref: iin.

Suurimmassa osassa avoimen piirin nopeudenohjausohjelmia vahvistin on asetettu yhtenäisyyden vahvistuksen jännitteen seuraajaksi, kun ei-kääntyvä tulo on kytketty nopeuden asetettuun jännitesyöttöön.

Oskillaattori Sisäisen ramppioskillaattorin taajuus on kytketty kiinteästi läpi ajoituselementeille RT ja CT määritetyt arvot.

Kondensaattorin CT latautuu vertailulähdön (nasta 8) kautta vastuksen RT avulla ja purkautuu sisäisen purkutransistorin kautta.

Rampin huipun ja kuopan jännitteet ovat normaalisti vastaavasti 4,1 V ja 1,5 V. Kohtuullisen säästämisen tarjoamiseksi kuulokohinan ja lähdön kytkentätehokkuuden välillä ehdotetaan oskillaattoritaajuutta valittaessa 20-30 kHz. Viittaa kuvaan 1 komponenttien valintaa varten.

Pulssileveyden modulaattori

Integroitu pulssinleveyden modulaatio tarjoaa tehokasta lähestymistapaa moottorin nopeuden säätämiseen muuttamalla jokaiselle staattorikäämitykselle osoitettua vakiojännitettä koko kommutointisarjan ajan.

Kun TT purkautuu, oskillaattori mallitsee kukin salvat, mikä sallii ylemmän ja alemman taajuusmuuttajan ulostulojen johtamisen. PWM-vertailija nollaa ylemmän salvan ja lopettaa alemman taajuusmuuttajan lähdön vuokrauksen, kun CT: n positiivinen ramppi muuttuu yli virhevahvistimen lopputuloksen.

Pulssin leveyden modulaattorin ajoituskaavio on esitetty kuvassa 21.

Pulssileveyden modulointi nopeuden hallintaa varten esiintyy yksinomaan alemmissa taajuusmuuttajan lähdöissä. Virran raja Moottorin jatkuva toiminta, joka voi olla huomattavasti ylikuormitettu, johtaa ylikuumenemiseen ja väistämättömään toimintahäiriöön.

Tämä haitallinen tilanne voidaan helposti välttää parhaiten yhdessä syklin virran rajoituksen käytön kanssa.

Toisin sanoen jokainen syklin jakso käsitellään itsenäisenä toimintona. Syklin − jaksolta virran rajoitus saavutetaan seuraamalla staattorin virran muodostumista aina, kun lähtökytkin laukaisee, ja havaittuaan korkean virtatilanteen, kytkin kytketään välittömästi pois päältä ja pidetään se pois päältä jäljellä olevan oskillaattorin ramppiaikavälin ajan.

Staattorin virta muunnetaan jännitteeksi soveltamalla maadoitettua tunnistusvastusta RS (kuva 36) 3 alaosan kytkintransistorin (Q4, Q5, Q6) linjassa.

Ennakoivan vastuksen varrella muodostettua jännitettä valvotaan virtatuntotulolla (nastat 9 ja 15) ja verrataan sisäiseen 100 mV: n vertailupisteeseen.

Nykyisillä sense-vertailutuloilla on noin 3,0 V.

Jos 100 mV: n virtatunnistustoleranssi ylitetään, vertailija nollaa alatunnistuksen lukituksen ja lopettaa lähtökytkimen johtamisen. Virran tunnistavan vastuksen arvo on itse asiassa:

Rs = 0,1 / Istator (maks.)

Vikatulo käynnistyy korkean vahvistintilanteen aikana. Kaksoissalpainen PWM-asetus varmistaa, että vain yksi lähtöliipaisupulssi syntyy tietyn oskillaattorirutiinin aikana, riippumatta siitä, päättyykö se virhevahvistimen tai virtaraja-vertailijan ulostulolla.

Piirissä oleva 6,25 V: n säädin (nasta 8) tarjoaa oskillaattorin ajastuskondensaattorin latausvirran, virhevahvistimen vertailupisteen, jonka avulla se voi syöttää 20 mA: n virran, joka soveltuu erityisesti antureiden virtalähteisiin pienjänniteohjelmissa.

Suuremmissa jännitetarkoituksissa tämä voi kasvaa tärkeäksi säätimen lähettämän virran vaihtamiseksi IC: stä. Tämä saavutetaan ehdottomasti toisen passitransistorin avulla, kuten kuvassa 22 on esitetty.

6,25 V: n vertailupiste näytti olevan päätetty mahdollistamaan suoraviivan NPN-piirin renderointi missä Vref - VBE ylittää Hall Effect -antureiden välttämättömän minimijännitteen lämmön yli.

Oikean transistorivalikoiman ja riittävän jäähdytyselementin avulla voidaan ostaa jopa 1 ampeeri kuormitusvirtaa.

Alijännite-lukitus

Kolmisuuntainen alijännitteen lukitus on integroitu vähentämään piirin ja vaihtoehtoisten virtakytkinten transistoreiden aiheuttamia haittoja. Pienillä virtalähteillä se varmistaa, että IC ja anturit ovat täysin toimintakykyisiä ja että perusajoneuvon lähtöjännite on riittävä.

IC: n positiiviset virtalähteet (VCC) ja matalat taajuusmuuttajat (VC) tutkitaan kumpikin riippumattomilla vertailijoilla, joiden kynnysarvot ovat 9,1 V. Tämä erityinen vaihe takaa riittävän porttikuljetuksen, joka tarvitaan matalan RDS: n saavuttamiseksi (päällä) aina tavallista tehoa käytettäessä. MOSFET-laitteet.

Aina kun Hall-antureita kytketään suoraan referenssistä, anturien toiminta ei ole asianmukaista, jos vertailupisteen lähtöjännite putoaa 4,5 V: n alle.

Kolmas vertailija voidaan käyttää tämän ongelman tunnistamiseen.

Kun useampi kuin yksi vertailijoista havaitsee alijännitetilanteen, vikalähtö kytketään päälle, ylemmät ajoista luovutaan ja perusaseman lähdöt järjestetään matalaan pisteeseen.

Kukin vertailijoista sisältää hystereesin suojautumaan amplitudilta, kun ne ylittävät yksittäiset kynnykset.

Vikatulos

Avoimen kollektorin vikatulosteen (nasta 14) oli tarkoitus tarjota analyysitietoja prosessin hajoamisen varalta. Sen uppoamisvirta on 16 mA, ja se voi erityisesti ohjata valodiodia näkyvää signaalia varten. Lisäksi se on todella kätevästi liitetty TTL / CMOS-logiikkaan käytettäväksi mikroprosessorilla ohjatussa ohjelmassa.

Vikatulos on alhainen, kun useampi kuin yksi seuraavista tilanteista tapahtuu:

1) Virheelliset anturin tulokoodit

2) Lähtö käytössä logiikassa [0]

3) Nykyinen aistitulo yli 100 mV

4) Alijännitteen lukitus, yhden tai useamman vertailijan aktivointi

5) Lämmönsammutus, optimaalinen liitoslämpötila maksimoidaan. Tätä yksinoikeuslähtöä voidaan käyttää myös erottamaan moottorin käynnistys tai kestävä toiminta tulvissa olosuhteissa.

Vikalähdön ja aktivointitulon välisen RC-verkon avulla tämä tarkoittaa, että voit kehittää aikaviiveisen salpautuneen ylikuormituksen.

Kuvassa 23 esitetyt lisäpiirit auttavat tekemään vaivattomamman käynnistämisen moottorijärjestelmille, joihin on asennettu suuremmat inertiakuormat, antamalla ylimääräinen vääntömomentti samalla, kun silti turvallinen ylivirtasuoja. Tämä tehtävä saavutetaan asettamalla nykyinen rajoitus seuraavaan pienimpään arvoon määritetylle ajanjaksolle. Äärimmäisen pitkässä ylivirtatilanteessa kondensaattori CDLY latautuu, mikä herättää aktivointitulon saavuttamaan toleranssinsa matalaan tilaan.

Salpa voidaan nyt muotoilla positiivisen takaisinkytkentäsyklin avulla vikailähdöstä lähtötehoon. Kun se on asetettu, nykyinen aistitulo voi nollata sen vain oikosulkemalla CDLY: n tai pyörittämällä virtalähteitä.

Täysin toimiva suuritehoinen BLDC-kaavio

Täysin toimiva suuritehoinen, suurivirtainen BLDC-ohjainpiiri, joka käyttää yllä selitettyä laitetta, voidaan todistaa alla, se on määritetty täysiaallon, 3-vaiheiseksi, 6-vaiheiseksi tilaksi: