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無刷直流電機控制器MC33035的原理及應用
摘要：MC33035是美國安森美公司開發的高性能第二代單元無刷直流電機控制器，它包含開環三相或四相電機控制所需的全部有效功能。該器件由具有良好整流序列的轉子位置譯碼器、可提供傳感器功率的溫度補償參考、頻率可編程的鋸齒波振蕩器、完全可訪問的誤差放大器以及三個非常適用于驅動大功率MOSFET的大電流推挽底部驅動器組成，因而是一種功能齊全的電機控制器。文中介紹了MC33035的特點功能和工作原理，給出了由它組成的三相六步全波電機控制和H型電機有刷控制等兩種電機控制電路。關鍵詞：無刷直流電機控制MC33035
1概述
MC33035無刷直流電機控制器采用雙極性模擬工藝制造，可在任何惡劣的工業環境條件下保證高品質和高穩定性。該控制器內含可用于正確整流時序的轉子位置譯碼器，以及可對傳感器的溫度進行補償的參考電平，同時它還具有一個頻率可編程的鋸齒波振蕩器、一個誤差信號放大器、一個脈沖調制器比較器、三個集電極開路頂端驅動輸出和三個非常適用于驅動功率場效應管（MOSFET）的大電流圖騰柱式底部輸出器。此外，MC33035還有欠鎖定功能，同時帶有可選時間延遲鎖存關斷模式的逐周限流特性以及內部熱關斷等特性。其典型的電機控制功能包括開環速度、正向或反向、以及運行使能等。
2管腳排列及功能定義
MC33035的管腳排列如圖1所示，各引腳功能定義見表1。
表1MC33035的管腳功能定義定
管腳編號符號功能定義1，2，24BT，AT，CT三個集電極開路頂端驅動輸出，用于驅動外部上端功率開關晶體管3Fwd/Rev正向/反向輸入，用于改變電機轉向4，5，6SA,SB,SC三個傳感器輸入，用于控制整流序列7OoutputEnable輸出使能，高電平有效。該腳為高電平時，可使電機轉動8ReferenceOutput此輸出為振蕩器定時電容CT提供充電電流，并為誤差放大器提供參考電壓，也可以向傳感器提供電源9CurrentSenseNoninvertingInput電流檢測同向輸入。在一個給定的振蕩器周期中，一個相對于管腳15為100mV的信號可中止輸出開關導通。通常此管腳連接到電流檢測的上端10Oscillator振蕩器引腳，振蕩頻率由定時元件RT和CT所選擇的參數值決定11ErrorAmpNoninvertingInput誤差信號放大器同向輸入。通常連接到速度設置電位器上12ErrorAmpNoninvertingInput誤差信號放大器反向輸入。在開環應用情況下，此輸入通常連接到誤差放大器輸出端13ErrorAmpOut/PWMInput誤差放大器輸出/PWM輸入。在閉環應用情況下，此管腳用作補償14FaultOutput故障輸出端。當下列的任一或多個條件滿足時，集電極開路輸出端被觸發而變為低；無效的傳感器輸入碼，電流檢測超過100mV，低電壓鎖定或熱關斷15CurrentSenseInvertingInput電流檢測反向輸入端。用于給內部100mV門限電壓提供參考地，該管腳通常連接到電流檢測電阻的底端16Gnd該管腳用于為控制電路提供一個分離的接地點，并可以作為參考返回到電源地17Vcc正電源。Vcc在10V～30V的范圍內，控制器均可正常工作18Vc底部驅動輸出的高端電壓是由該管腳提供的，它的工作范圍從10V～30V19，20，21CB,BB,AB這三個圖騰柱式底部驅動輸出被設計用于直接驅動外部底部功率開關晶體管2260°/120°Select此管腳的電氣狀態可決定控制電路是工作在60°（高電平狀態）還是120°（低電平狀態）的傳感器電氣相位輸入狀態下23Brake輸出使能。該管腳為低時允許馬達運行，為高時馬達運行停止
表2三相六步換向器真值表
輸入
輸出
60度
SASBSC120度
SASBSC正向/反向使能電流檢測頂部驅協
ATBTCT底部驅動
ABBBCB100100110011001110110110101001111010110101100011011110110100001001110110010000101110011010100100010110100110110010110010111010010011010011011010011001001001010101001000101010101100101111XXX111000010000XXX111000VVVVVVX0X111000VVVVVVX1X111000表中,V表示六個有效傳感器或驅動組合中的一個，X表示無關；輸入邏輯0定義為小于85mV，邏輯1為于115mV
3工作原理
MC33035的內部結構框圖如圖2所示。
圖2MC33035的內部結構框圖
MC33035內部的轉子位置譯碼器主要用于監控三個傳感器輸入，以便系統能夠正確提供高端和低端驅動輸入的正確時序。傳感器輸入可直接與集電極開路型霍爾效應開關或者光電耦合器相連接。此外，該電路還內含上拉電阻，其輸入與門限典型值為2.2V的TTL電平兼容。用MC33035系列產品控制的三相電機可在最常見的四種傳感器相位下工作。MC33035所提供的60度/120度選擇可使MC33035很方便地控制具有60度、120度、240度或300度的傳感器相位電機。其三個傳感器輸入有八種可能的輸入編碼組合，其中六種是有效的轉子位置，另外兩種編碼組合無效。通過六個有效輸入編碼可使譯碼器在使用60度電氣相位的窗口內分辨出電機轉子的位置。表2所列是其真值表。
MC33035直流無刷電機控制器的正向/反向輸出可通過翻轉定子繞組上的電壓來改變電機轉向。當輸入狀態改變時，指定的傳感器輸入編碼將從高電平變為低電平，從而改變整流時序，以使電機改變旋轉方向。
電機通/斷控制可由輸出使能來實現，當該管腳開路時，連接到正電源的內置上拉電阻將會啟動頂部和底部驅動輸出時序。而當該腳接地時，頂端驅動輸出將關閉，并將底部驅動強制為低，從而使電動機停轉。
MC33035中的誤差放大器、振蕩器、脈沖寬度調制、電流限制電路、片內電壓參考、欠壓鎖定電路、驅動輸出電路以及熱關斷等電路的工作原理及操作方法與其它同類芯片的方法基本類似，這里不多述。
圖3三相六步全波電機控制電路
4實際控制電路
4.1三相六步電機控制電路
圖3所示的三相應用電路是具有全波六步驅動的一個開環電機控制器的電路連接圖。其中的功率開關三極管為達林頓PNP型，下部的功率開關三極管為N溝道功率MOSFET。由于每個器件均含有一個寄生箝位二極管，因而可以將定子電感能量返回的電源。其輸出能驅動三角型連接或星型連接的定子，如果使用分離電源，也能驅動中線接地的Y型連接。
在任意給定的轉子位置，圖3所示的電路中都僅有一個頂部和底部功率開關（屬于不同的圖騰柱）有效。因此，通過合理配置可使定子繞組的兩端從電源切換到地，并可使電流為雙向或全波。由于前沿尖峰通常在電流波形中出現，并會導致限流錯誤。因此，可通過在電流檢測輸入處串聯一個RC濾波器來抑制類峰。同時,Rs采用低感型電阻也有助于減小尖峰。
4.2有刷電機控制電路
雖然MC33035是專為控制無刷直流電機而設計的，但它也可以用來控制直流有刷型電機。圖4所示就是一個使用MC33035來控制直流有刷型電機的典型應用電路實例。
圖4中，MC33035通過驅動一個H型電四橋可用最少的器件來控制一個有刷電機。該控制的關鍵在于：要將輸入傳感器編碼為100，同時，在控制器正向/反向管腳為邏輯電平1時，還應產生一個頂部到左Q1和底部到右Q3的驅動信號，而當正向/反向管腳的邏輯電平為時，則應產生頂部到右Q4和底部到左Q2的驅動。該編碼可以保證H型驅動同時滿足方向和速度控制的要求。該控制器可在大約25kHz的脈寬調制頻率下正常工作。電機速度的控制可通過調節誤差放大器同相輸入端的電壓來輸入。而電機電流的逐周限流則可由檢測H型電橋電機電流并通過電阻Rs到地之間所產生的電壓（100mV門限）來實現。由于利用過流檢測電路可改變電機轉向，因此，在工作時，使用正常的正向/反向切換不需要在變向前完全停止。
圖4H型電機有刷型控制器電路
4.3布線注意事項
在布線時，不要在繞接或插入式樣機板上構建任何電機控制電路，采用高頻印制電路布線對防止脈沖抖動極為重要。通常由于在電流檢測傳感器或誤差信號放大器輸入端有過量噪聲。因此，印制電路布局應該具有一個小電流信號和高驅動輸出緩沖地的接地面，并應通過分開的通路返回到電源輸入濾波器電容上。在VCC、Vref和誤差放大器同向輸入端，是否需要在靠近集成電路的地方接一個瓷介電容（0.01μF），可視電路布局而定。但所有的大電流回路都應盡可能短，并應盡量使用粗銅線走線以降低EMI輻射。
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