High Wattage Brushless Motor Controller Circuit

Deze veelzijdige borstelloze (BLDC) motorcontroller IC is geschikt om elke gewenste driefasige BLDC-motor met hoogspanning, hoge stroom en hall-effectsensor met extreme nauwkeurigheid en veiligheid te besturen. Laten we de details diepgaand leren.

Met behulp van de IC MC33035

De 'held' van het circuit is de enkele chipcontroller MC33035, een hoogwaardige IC-module van de tweede generatie, met alle vereiste actieve functies die nodig kunnen zijn om de meeste hoge stroom, hoogspanning, 3-fasen of 4-fasen BLDC te laten werken motoren met een open of gesloten lusconfiguratie.

De IC is uitgerust met een rotorpositiedecoder voor een nauwkeurige commutatiesequentie, temperatuurgecompenseerde referentie voor het vergemakkelijken van de juiste sensorspanning, een programmeerbare frequentiezaagtandoscillator, drie ingebouwde open-collector high-side driver-trappen en drie totempaal met hoge stroomsterkte. type low-side drivers, speciaal ontworpen om een ​​driefasige H-brug high power mosfet motorcontroller-trap te bedienen.

De chip is ook intern versterkt met hoogwaardige beschermingsfuncties en waterdichte besturingsfasen zoals onderspanningsvergrendeling, cyclus-voor-cyclus stroombegrenzing door een optie van instelbare vertraagde vergrendelde uitschakeling, interne IC-uitschakeling bij hoge temperatuur en een exclusief ontworpen foutoutput-pinout die kan worden gekoppeld aan een MCU voor een geprefereerde geavanceerde verwerking en feedback.

Typische functies die met dit IC kunnen worden uitgevoerd, zijn snelheidsregeling met open lus, regeling van voorwaartse richting achteruit, 'run-vrijgave', een dynamische noodremfunctie.

De IC is ontworpen om te werken met motorsensoren met fasen van 60 tot 300 graden of 120 tot 240 graden, als bonus kan de IC ook worden gebruikt voor het besturen van de traditionele borstelmotoren.

Hoe de IC werkt

De MC33035 is een van de vele monolithische borstelloze DC-motorcontrollers met hoge efficiëntie die zijn gemaakt door Motorola ​

Het bestaat uit zo ongeveer de mogelijkheden die nodig zijn om een ​​volledig uitgerust, open lus, drie- of vierfasig motorbesturingssysteem op gang te brengen.

Bovendien kan de controller worden gebruikt om DC-borstelmotoren aan te sturen. Ontworpen met bipolaire analoge technologie, biedt het een superieur niveau van efficiëntie en duurzaamheid in meedogenloze geïndustrialiseerde omgevingen.

De MC33035 heeft een rotorpositiedecoder voor nauwkeurige commutatiesequencing, een omgevingsreferentie die bekwaam is in het leveren van een sensorvermogen, een in frequentie programmeerbare zaagtandoscillator, een volledig toegankelijke foutversterker, een pulsbreedtemodulatorvergelijker, 3 open-collector-topaandrijvinguitgangen en 3 hoge stroom totempaal onderste driver uitgangen precies goed voor MOSFET's.

In de MC33035 zijn afschermmogelijkheden ingebouwd, waaronder onderspanningsvergrendeling, cyclus-voor-cyclus stroombegrenzing met een selecteerbare tijdvertraagde vergrendelde uitschakelmodus, ingebouwde thermische uitschakeling, samen met een exclusieve foutuitgang die gemakkelijk kan worden gekoppeld aan een microprocessorcontroller.

Standaard motorbesturingsattributen omvatten snelheidsregeling met open lus, voorwaartse of achterwaartse rotatie, run-vrijgave en dynamisch remmen. Bovendien heeft de MC33035 een 60 ° / 120 ° selectiepin die de rotorsituatie-decoder configureert voor 60 ° of 120 ° sensor elektrische faseringangen.

PIN OUT-functies:

Pin1, 2, 24 (Bt, At, Ct) = Dit zijn de drie bovenste aandrijfuitgangen van de IC die gespecificeerd zijn om de extern geconfigureerde voedingsapparaten zoals BJT's te bedienen. Deze pinouts zijn intern geconfigureerd als open collector-modus.


Pin # 3 (Fwd, Rev) = Deze pinout is bedoeld om te worden gebruikt voor het regelen van de draairichting van de motor.

Pin # 4, 5, 6 (Sa, Sb, Sc) = Dit zijn 3 sensoruitgangen van de IC die zijn toegewezen om de besturingsvolgorde van de motor te besturen.

Pin # 7 (uitgang inschakelen) = Deze pin van het IC is toegewezen om de motorwerking mogelijk te maken zolang hier een hoge logica wordt gehandhaafd, terwijl een lage logica is om een ​​vrijloop van de motor mogelijk te maken.

Pin # 8 (referentie-uitgang) = Deze pin is ingeschakeld met een voedingsstroom voor het opladen van de oscillator-timingcondensator Ct en biedt ook een referentieniveau voor de foutversterker. Het kan ook worden gebruikt voor het leveren van stroom aan de motor-Hall-effectsensor-IC's.

Pin # 9 (Current Sense niet-inverterende ingang) : De signaaloutput van 100mV kan worden bereikt via deze pinout met verwijzing naar pin # 15 en wordt gebruikt voor het annuleren van de outputschakelaargeleiding tijdens een gespecificeerde oscillatorcyclus. Deze pinout sluit normaal gesproken aan op de bovenkant van de stroomgevoelige weerstand.

Pin # 10 (oscillator) : Deze pinout bepaalt de oscillatorfrequentie voor de IC met behulp van het RC-netwerk Rt en Ct.

Pin # 11 (foutversterker niet-inverterende ingang) : Deze pinout wordt gebruikt met de potentiometer voor snelheidsregeling.

Pin # 12 (fout versterker inverterende ingang) : Deze pin is intern aangesloten op de bovengenoemde foutversterkeruitgang om de open-lus-toepassingen mogelijk te maken ​


Pin # 13 (fout versterker output / PWM input) : De functie van deze pinout is om compensatie te bieden tijdens toepassingen met een gesloten lus.

Pin # 14 (foutuitgang) : Deze storingsindicatoruitgang kan een actieve logische laag worden tijdens een paar kritieke omstandigheden, zoals: ongeldige ingangscode voor de sensor, pinout inschakelen gevoed met een nullogica, stroomdetectie-ingang pinout wordt hoger dan 100mV (@ pin9 met verwijzing naar pin15) , activering van de onderspanningsvergrendeling of een thermische uitschakelsituatie).

Pin # 15 (Current sense inverterende ingang) : Deze pin is ingesteld om het referentieniveau te leveren voor de interne 100mV-drempel, en kan gezien worden als verbonden met de stroomdetectieweerstand aan de onderkant.

Pin # 16 (GND) : Dit is de aardingspin van het IC en is bedoeld om het aardingsignaal naar het regelcircuit te sturen en moet worden terugverwezen naar de aarde van de stroombron.

Pin # 17: (Vcc) : Dit is de positieve voedingspin die is gespecificeerd om de positieve spanning aan het stuurcircuit van de IC te leveren. Het minimale werkingsbereik van deze pin is 10V en het maximum bij 30V.

Pin # 18 (Vc) : Deze pinout stelt de hoge status (Voh) in voor de lagere aandrijfuitgangen via het vermogen dat aan deze pin wordt toegeschreven. Het podium werkt met het bereik van 10 tot 30V.

Pin # 19, 20, 21 (Cb, Bb, Ab) : Deze drie pinouts zijn intern gerangschikt in de vorm van totempaaluitgangen en zijn toegewezen om de apparaten met het lagere uitgangsvermogen aan te sturen.

Pin # 22 (60 D, 120D faseverschuivingskeuze) : De status die aan deze pinout wordt toegekend, configureert de werking van het regelcircuit met de Hall-effectsensoren voor een 60 graden (hoge logica) of 120 graden (lage logische) fasehoekingangen.

Pin # 23 (rem) : Een logisch laag bij deze pin-out zorgt ervoor dat de BLDC-motor soepel loopt, terwijl een logisch hoog de motor onmiddellijk stopt door een snelle vertraging.

FUNCTIONELE BESCHRIJVING

Een representatief intern blokschema wordt getoond in de bovenstaande afbeelding. Een verhandeling van de voordelen en werking van elk van de centrale blokken die hieronder worden opgesomd.

Rotor Positie Decoder

Een decoder voor de positie van de binnenste rotor meet de 3 sensoringangen (pennen 4, 5, 6) om de juiste volgorde van de bovenste en onderste aandrijfpennen weer te geven. De sensoringangen zijn vervaardigd om rechtstreeks te communiceren met Hall-effectschakelaars van het type open collector of opto-sleufkoppelingen.

Ingebouwde pull-up weerstanden zijn geclassificeerd om de benodigde hoeveelheid externe onderdelen te beperken. De ingangen zijn TTL-compatibel, met hun karakteristieke drempels op 2,2 V.

De MC33035-reeks IC's is bedoeld om driefasemotoren te besturen en werkt met 4 van de meest populaire conventies van sensorfasering. Een 60 ° / 120 ° Select (pen 22) wordt bij voorkeur meegeleverd en stelt de MC33035 in staat om op zichzelf te configureren om motoren met 60 °, 120 °, 240 ° of 300 ° elektrische sensorfasering te regelen.

Met 3 sensoringangen ontdekt u 8 mogelijke invoercodeformaties, waarvan 6 legitieme rotorplaatsingen.

De andere twee codes zijn verouderd omdat ze over het algemeen het gevolg zijn van een open of kortgesloten sensoraansluiting.

Met 6 gerechtvaardigde invoercodes kan de decoder mogelijk zorgen voor de motorrotorpositie tot binnen een spectrum van 60 elektrische graden.

De voorwaartse / achterwaartse ingang (pen 3) wordt gebruikt als een hulpmiddel om het verloop van het motorprogramma te wijzigen door de spanning over de statorwikkeling om te keren.

Zodra de ingang van de status verandert, van hoog naar laag met behulp van een toegewezen sensorinvoerprogrammacode (bijvoorbeeld 100), worden de gefaciliteerde uitgangen van de bovenste en basisaandrijving die dezelfde alfa-status gebruiken omgewisseld (AT naar AB, BT naar BB, CT naar CB).

In wezen verandert de veranderlijke string van richting en keert de motor de richting om. Aan / uit-regeling van de motor wordt bereikt door de Output Enable (Pin 7).

Elke keer dat de verbinding is verbroken, maakt een interne stroomtoevoer van 25 μA de volgorde van de voorloop- en basisaandrijving mogelijk. Wanneer ze geaard zijn, schakelen de uitgangen van de aandrijving van het bovenste deel uit en worden de basisaandrijvingen te laag geduwd, waardoor de motor vrijloopt en de foutuitgang wordt geactiveerd.

Dynamisch motorremmen maakt het mogelijk om een ​​overtollige beschermingsmarge tot het uiteindelijke apparaat te ontwikkelen. Het remsysteem wordt bereikt door uw reminvoer (pen 23) in een hogere status te brengen.

Dit leidt ertoe dat de uitgangen van de bovenste aandrijving worden uitgeschakeld en de aandrijvingen aan de onderkant worden geactiveerd, waardoor de door de motor gegenereerde EMF opnieuw wordt kortgesloten. De remingang heeft absolute, oprechte aandacht voor alle andere ingangen. De binnenste 40 kΩ pull-up weerstand streeft naar een interface met behulp van de programma-veiligheidsschakelaar door de remactivering te garanderen in het geval dat deze wordt geopend of uitgeschakeld.

De waarheidstabel van de commutatielogica wordt hieronder weergegeven. Een NOR-poort met 4 ingangen wordt gebruikt om de remingang en de ingangen naar de 3 BJT's van de bovenste aandrijfuitgang te onderzoeken.

Het doel is meestal om het remmen uit te schakelen voordat de uitgangen van de bovenste aandrijving een hoge status bereiken. Hierdoor vermijdt u gesynchroniseerd leasen van de boven- en onderstroomschakelaars.

Bij halfgolfmotoraandrijfprogramma's zijn de bovenste aandrijfcomponenten over het algemeen niet nodig en worden deze in de meeste gevallen los gehouden. Onder dit soort omstandigheden zal het remmen nog steeds worden bereikt omdat de NOR-poort de basisspanning naar de bovenste aandrijfuitgang BJT's detecteert.

Fout-versterker

Een verbeterde efficiëntie, volledig gecompenseerde foutversterker met actieve toegang tot elke ingang en uitgang (pinnen # 11, 12, 13) wordt aangeboden om te helpen bij de uitvoering van snelheidsregeling met gesloten lus.

De versterker wordt geleverd met een standaard DC-spanningsversterking van 80 dB, 0,6 MHz versterkingsbandbreedte, samen met een breed common-mode ingangsspanningsbereik dat zich uitstrekt van aarde tot Vref.

In de meeste snelheidsregelprogramma's met open lus is de versterker ingesteld als een spanningsvolger met eenheidsversterking waarbij de niet-inverterende ingang is gekoppeld met de voedingsspanning met ingestelde snelheid.

Oscillator De frequentie van de binnenste hellingoscillator is bedraad via de waarden die zijn bepaald voor de timingelementen RT en CT.

Condensator CT wordt opgeladen via de referentie-uitgang (pen 8) door middel van weerstand RT en ontladen via een interne ontladingstransistor.

De hellingspiek- en putspanningen zijn normaal gesproken 4,1 V en 1,5 V. Om een ​​behoorlijke beperking te bieden tussen hoorbare ruis en outputschakelprestaties, wordt een oscillatorfrequentie in de selectie van 20 tot 30 kHz voorgesteld. Raadpleeg afbeelding 1 voor de selectie van componenten.

Pulsbreedtemodulator

De geïntegreerde pulsbreedtemodulatie biedt een vermogenseffectieve benadering voor het regelen van de motorsnelheid door de standaardspanning te wijzigen die wordt toegeschreven aan elke statorwikkeling gedurende de commutatieserie.

Terwijl de CT ontlaadt, vergrendelt de oscillator elk model, waardoor geleiding van de bovenste en onderste aandrijfoutputs mogelijk wordt gemaakt. De PWM-comparator reset de bovenste vergrendeling en beëindigt de leasing van de onderste drive-uitgang zodra de positieve helling van de CT hoger wordt dan het resultaat van de foutversterker.

Het timingdiagram van de pulsbreedtemodulator wordt getoond in afbeelding 21.

Pulsbreedtemodulatie voor snelheidsmanagement presenteert zich uitsluitend bij de lagere aandrijfuitgangen. Stroomlimiet Het constant functioneren van een motor die aanzienlijk overbelast kan zijn, leidt tot oververhitting en onvermijdelijke storingen.

Deze nadelige situatie kan gemakkelijk het beste worden vermeden door het gebruik van cyclus-voor-cyclus stroombeperking.

Dat wil zeggen, elke on-cyclus wordt behandeld als een onafhankelijke functie. Cyclus-voor-cyclus stroombeperking wordt bereikt door de opbouw van de statorstroom elke keer dat een uitgangsschakelaar wordt geactiveerd te volgen, en na het detecteren van een hoge stroomsituatie, de schakelaar onmiddellijk uit te schakelen en uit te houden gedurende de resterende periode van het aanloopinterval van de oscillator.

De statorstroom wordt omgezet in een spanning door een aardgereferentieerde detectieweerstand RS (Figuur 36) toe te passen in lijn met de 3 onderste schakeltransistors (Q4, Q5, Q6).

De spanning die langs de anticiperende weerstand wordt ingesteld, wordt bewaakt met de stroomdetectie-ingang (pennen 9 en 15) en vergeleken met het binnenste 100 mV-referentiepunt.

De current sense comparator-ingangen hebben een common mode-ingangsbereik van ongeveer 3,0 V.

In het geval dat de stroomdetectietolerantie van 100 mV wordt overschreden, reset de comparator de onderste detectievergrendeling en beëindigt de geleiding van de uitgangsschakelaar. De waarde voor de huidige detectieweerstand is eigenlijk:

Rs = 0,1 / Istator (max.)

De storingsuitgang wordt gestart in een situatie met een hoge ampère. De dual-latch PWM-instelling zorgt ervoor dat er slechts één enkele uitgangstriggerpuls ontstaat in de loop van een bepaalde oscillatorroutine, al dan niet beëindigd via de uitgang van de foutversterker of de stroomlimietvergelijker.

De on-chip 6,25 V-regelaar (pen 8) biedt laadstroom voor de oscillator-timingcondensator, een referentiepunt voor de foutversterker, waardoor deze 20 mA stroom kan leveren die geschikt is voor het specifiek voeden van sensoren in laagspanningsprogramma's.

Bij grotere spanningsdoeleinden kan dit belangrijk worden om het door de regelaar uitgestraalde vermogen van de IC te wisselen. Dit wordt zeker bereikt met behulp van een andere doorlaattransistor, zoals getoond in figuur 22.

Een benchmarkpunt van 6,25 V leek te zijn gekozen om weergave van het ongecompliceerde NPN-circuit mogelijk te maken, waar Vref-VBE de minimale spanning overtreft die essentieel is voor Hall Effect-sensoren over hitte.

Met het juiste transistorassortiment en voldoende koellichaam kan er maar liefst 1 ampère laadstroom worden gekocht.

Onderspanningsvergrendeling

Een drieweg-onderspanningsvergrendeling is geïntegreerd om schade aan het IC en de alternatieve stroomschakelaartransistors te verminderen. Tijdens lage voedingsfactoren zorgt het ervoor dat IC en sensoren volledig functioneel zijn en dat er voldoende uitgangsspanning van de basisaandrijving is.

De positieve voedingen naar de IC (VCC) en de lage aandrijvingen (VC) worden elk onderzocht door onafhankelijke comparatoren die hun drempelwaarden op 9,1 V krijgen. Deze specifieke fase garandeert voldoende pendelen naar de poort die nodig is om een ​​lage RDS (aan) te bereiken bij het aandrijven van gewone stroom. MOSFET-apparatuur.

Telkens wanneer de Hall-sensoren rechtstreeks vanuit de referentie worden bekrachtigd, treedt onjuiste werking van de sensor op in het geval dat de uitgangsspanning van het referentiepunt onder 4,5 V daalt.

Een derde comparator kan worden gebruikt om dit probleem te herkennen.

Wanneer meer dan één van de comparators een onderspanningssituatie oppikt, wordt de storingsuitgang ingeschakeld, worden de bovenste runs uitgesteld en worden de uitgangen van de basisaandrijving op een dieptepunt georganiseerd.

Elk van de comparatoren is voorzien van hysterese om te beschermen tegen amplitudes bij het overbruggen van hun individuele drempels.

Foutuitgang

De open collector foutuitgang (pin 14) was bedoeld om analysedetails te bieden in het geval van een processtoring. Het heeft een zinkstroomvermogen van 16 mA en kan specifiek een lichtgevende diode aansturen voor zichtbaar signaal. Bovendien is het eigenlijk handig gekoppeld aan TTL / CMOS-logica voor gebruik in een door een microprocessor gestuurd programma.

De storingsoutput is effectief laag terwijl meer dan een van de volgende situaties plaatsvindt:

1) Ongeldige sensorinvoercodes

2) Uitgang inschakelen op logica [0]

3) Stroomdetectie-ingang meer dan 100 mV

4) Onderspanningsvergrendeling, activering van 1 of hoger van de comparatoren

5) Warmte-uitschakeling, maximale junctietemperatuur wordt bereikt Deze exclusieve output kan ook worden gebruikt om onderscheid te maken tussen het starten van de motor of het langdurig functioneren in een overstroomde situatie.

Met behulp van een RC-netwerk tussen de storingsuitgang en de activeringsingang, betekent dit dat u een tijdvertraagde vergrendelde uitschakeling kunt ontwikkelen met betrekking tot overstroom.

Extra schakelingen weergegeven in Figuur 23 helpen om moeiteloos motorsystemen op te starten die zijn uitgerust met hogere traagheidsbelastingen door een aanvullend opneemkoppel te geven, terwijl de overstroombeveiliging toch veilig blijft. Deze taak wordt bereikt door de huidige beperking voor een vastgestelde periode op de volgende dan minimale waarde te plaatsen. In de loop van een buitengewoon langdurige overstroomsituatie zal condensator CDLY opladen, waardoor de activeringsingang wordt opgeroepen om zijn tolerantie naar een lage toestand te overschrijden.

Een vergrendeling kan nu worden gevormd door de positieve feedbackcyclus van de foutuitgang naar de uitgangsinschakeling. Indien ingesteld, door de Current Sense Input, kon het alleen worden gereset door CDLY kort te sluiten of de voedingen uit en aan te sluiten.

Volledig functioneel BLDC-schema met hoog vermogen

Een volledig functioneel BLDC-controllercircuit met hoog wattage en hoge stroom met behulp van het hierboven beschreven apparaat kan hieronder worden gezien, het is geconfigureerd als een full-wave, 3-fase, 6-stapsmodus: