无传感器的直流无刷电机控制器ML4425及其应用（1）
无传感器的直流无刷电机控制器ml4425及其应用（1）
摘要：介绍了ml4425脉宽调制电机控制器的功能及其应用。
关键词：三相直流无刷电机；无传感器；反电势取样器；锁相环
1 引言
ml4425脉宽调制控制器具有为起动和控制△接或y接无刷直流（bldc）电机速度所需要的全部功能，并且不用霍尔传感器。从电机绕组传感的反电势电压信号，利用锁相环（pll）即可确定正确的换向时序，这一获专利的传感技术可以在宽范围内使三相无刷电机换向，并且对pwm噪声和电机缓冲电路的干扰不敏感。
ml4425利用恒定的停歇时间pwm控制环路，限制电机的工作电流。其速度环是由机载放大器控制。ml4425电路能保证没有穿透电流干扰而直接驱动外部功率mosfet。起动程序的定时由三个可供选择的定时电容器来确定。这就使大范围变化的电机和负载能够处于最佳状态。
ml4425的主要性能如下：
1）可独立工作；
2）通过ic控制电机的起动和停止；
3）机载起动时序为校准→斜升→设定速度；
4）获专利的反电势换向技术为最短的“自转”时间提供了无抖动转矩；
5）具有机载速度控制环；
6）用于换向的锁相环pll可对pwm产生的尖峰脉冲噪声的抗干扰创造条件，其作用与噪声传感过零技术相似；
7）pwm控制可得到最高效率；
8）mosfet直接驱动12v电机；驱动高压电机需要用ir、ixys、harris、powerintegration、siliconix等公司生产的ic缓冲器。
2 ml4425的结构与参数
2.1 ml4425的结构
ml4425有二种封装型式，其引脚排列如图1所示。它们的内部功能方框图如图2（以28引脚为例）所示。
(a)窄形28脚
(b)方形32脚
图1 ml4425集成电路两种封装型式
图2 ml4425电机控制器内部功能框图
ml4425各引脚功能如下（以28引脚为例，脚号后括号内数字为32脚的脚号）。
脚1（30）isense：电机的电流传感输入端。当isense超过0.2×ilimit时，三路输出驱动器la、lb、lc均被关闭一个固定时间（由cios电容量确定）。
脚2（31）ha：a相高边开关的有源低输出驱动器。
脚3（32）hb：b相高边开关的有源低输出驱动器。
脚4(1)hc：c相高边开关的有源低输出驱动器。
脚5（3）speed comp：是速度控制环的补偿端，它由接在speed comp脚与地端之间的串联的电阻器和电容器来设置。
脚6（4）ct：一只电容器接ct与地之间，可设定pwm振荡器频率。
脚7（5）vref：6.9v基准参考电压输出。
脚8（6）speed set：速度控制环输入端，变化范围从0（停机）到vref（最大速度）。
脚9（7）la：a相低边开关的有源高输出驱动器。
脚10（8）lb：b相低边开关的有源高输出驱动器。
脚11（9）lc：c相低边开关的有源高输出驱动器。
脚12（10）ilimit：该脚电压把isense的门限电压设定在0.2×ilimit，该脚空悬不接，自动选ic内部的置位门限电平。
脚13（11）vco/tach：该脚的ttl输出电平对应于时钟信号用在换向状态机器。当反电势传感电路跟踪转子位置时，其输出频率与电机速度成比例。
脚14（12）vdd：12v电源电压输入端。
脚15（15）cvco：该脚对地接一只电容器，可设定压控振荡器（vco）的压－频比率。
脚16（16）rvco：该脚对地接一只电阻器，可设置一与vco输入电压成比例的电流。
脚17（17）cat：该脚对地接一只电容器，可设定控制器保持在校准状态的时间。
脚18（18）uv fault：当vdd降低到uvlo欠压锁定门限电平时，该脚输出电平变为最低，表示所有的输出驱动器均已失效。
脚19（19）crt：该脚对地接一只电容器，可设定控制器保持在斜升状态的时间。
脚20（20）speed fb：反电势取样电路的输出端和vco的输入端，一个rc网络接在speed fb端，可设置对锁相环路（pll）的补偿，该pll电路由反电势取样电路、vco和换向状态机器构成。
脚21（21）crr：当控制器处于斜升状态时，在crr与speed fb两端之间接一只电容器，可设定电机的斜升速率（即加速度）。
脚22（22）fb-a：通过在该脚上的传感反电势的电阻分压器，监视a相的电机反馈电压。
脚23（23）fb-b：通过在该脚上的传感反电势的电阻分压器，监视b相的电机反馈电压。
脚24（24）fb-c：通过在该脚上的传感反电势的电阻分压器，监视c相的电机反馈电压。
脚25（25）brake：一个逻辑低电平输入使电机制动，它是通过关断高边输出驱动器和接通低边输出驱动器来实现的。
脚26（26）cios：该脚对地接一只电容器，可设置在isense超过它的门限电平之后，低边输出驱动器仍然保持关断的时间。
脚27（27）rref：该脚对地接一只137kω的电阻器，可设置与vref成比例的电流，它用于为ic内部设定所有的偏置电流（除vco之外）。
脚28（28）gnd：信号地与功率地端。
2.2 ml4425的参数
2.2.1 ml4425极限值（绝对最大额定值）
权限值是指器件的应力额定值，一旦超过可能导致器件永久性损坏，它们并非器件的工作参数。
电源电压（脚14）vdd：14v；
逻辑输入（speed fb，brake）：（gnd－0.3）～7v；
所有其它输入和输出：（gnd－0.3）～（vdd＋0.3）；
输出电流（la、lb、lc、ha、hb、hc）：±50ma；
结温：150℃；
储存温度：－65℃～150℃；
引脚焊接温度：260℃（10s内）。
2.2.2 ml4425的运行条件
温度范围 ml4425gx 0～70℃；
ml4425ix －40～85℃。
vdd 10.8～13.2v。
2.2.3 ml4425的电特性
ml4425的电气参数如表1所列。
表1 ml4425电气参数
除非另有说明，通常vdd=12v±10％，rsense=1ω，cvco=10nf，cios=100pf，rref=137kω，ta=工作温度（注1，注2）。
注1：限制的保证是作100％测量，取样或在最坏测试条件下调节。
注2：关于状态的解释参见图4和表2。
注3：脚brake和脚uv fault在ic内部均有一只4kω电阻器接到基准电压。
3 ml4425的功能原理
ml4425为无传感器型速度控制的三相bldc直流无刷电动机提供了全部电路。控制器的功能包括：起动电路、反电动势换向控制、脉宽调制pwm的速度控制、固定的停歇时间电流限制、制动、欠压保护。
起动电路把电机校准在已知位置，随后斜升电机速度产生一个反电势信号。通过构成的一个锁相环路，反电势取样电路可控制换向时间。换向控制电路又输出一个速度反馈（speedfb）信号，用于速度控制回路。速度控制回路由一个误差放大器和pwm比较器组成，它产生一个pwm占空比调节速度。电机电流由一个固定停歇时间pwm关闭比较器来限制，它受控于外部传感电阻器。
换向控制、pwm速度控制和电流限制共同结合，产生输出驱动器信号。六路输出驱动器用于提供选通信号给外部三相桥式功率级，按直流无刷电机的电压和电流要求进行测量。其它功能包括：制动功能和欠压保护电路。一旦ml4425供电vdd变为低压时，可关闭输出驱动器。
3.1 元件的选择
选择ic外部元件需要根据电机的电气参数和机械参数作一些计算。下面列出这些计算需要的电机参数：
直流电机电源电压 vmotor（v）；
最大工作电流 imax（a）；
磁极的数目 n；
反电势常数 ke（v－s/rad）；
电机的转矩常数 kt(n·m/a)(kt=ke，单位si)；
最大运行速度 rpmmax（r/min）；
电机和负载的转动惯量 j(kg·m2)；
电机和负载的粘滞阻尼因数 ξ。
如果不知道上述一个值或几个值，仍然可能得到合适的ml4425外部元件数值，但需要做一些实验来确定其最佳值。除非另有特殊说明，所有的数量单位都用si。下面的公式应考虑最佳起始点。所有计算的电容器和电阻器，都应采用最接近标准值的第一个近似值作为选择。
3.2 电源和基准参考电压
电源电压vdd通常为12v±10％。应尽量靠近vdd端对地接一只100nf旁路电容器。提供6.9v电压基准输出vref，来设置ml4425的速度指令和电流限制。需要在rref端对地接一只137kω电阻器，为ic内部功能建立一个基准电流。
3.3 输出驱动器
输出驱动器la、lb、lc和ha、hb、hc为三相桥式功率级提供图腾柱式输出驱动信号。ml4425中所有的控制功能，都传送到这些引脚输出。其中la、lb、lc为三相功率级的a、b、c相提供低边驱动信号，并以12v为有效高电平信号。而ha、hb、hc为a、b、c相提供高边驱动信号，并以12v为有效低电平信号。
3.4 功率级的电流限制
电流传感电阻器rsense如图3所示，它可调节功率级和直流无刷电机的最大电流。如果rsense两端的电压超过电流限制门限电平，则可通过把输出驱动器la、lb和lc关断一定的时间，来实现电流的调节。
图3 在三相12v功率级中使用传感电阻器rsense
1）ilimit 在ilimit脚上的电压设定了电流限制门限电平。
ml4425内部有一个从vref接地的分压器，它设定了一个2?3v的误差电流限制门限电平，见图4。以vref为基准的外部分压器，可用于拒绝错误的ilimit设置。外部分压器的电流至少应比内部分压器电流大10倍。
图4 电流传感电路
2）rsense rsense的功能是提供一个与电机电流成正比的电压，以设定电流限制跳闸断开点。rsense两端错误跳闸电压是460mv，它由内部ilimit分压比来设定。电流传感电阻器应是低电感量的电阻器，如碳膜成分组成。对毫欧姆范围的电阻器，用导线卷绕的电阻应具有低值电感。
3）isense滤波器 接isense脚的rc低通滤波器与电流传感信号相串联，见图4。设置该滤波器是为去除二极管反向恢复时的穿透电流。该电流在电流传感信号的前沿引起一个电压尖峰，可能会误触发电流限制电路。在滤波器前、后的电流传感电压波形见图5。该电路推荐的初值为r=1kω、c=300pf，这就给出了时间常数330ns，它将滤除更短持续时间里的输出尖峰。也可增大电容器到c=2.2nf，但时间常数不应超过几个微秒。
(a)无滤波时 (b)经滤波后
图5 电流传感电阻器波形
4）cios 当isense超过0.2×ilimit时，电流限制一次性触发功能起作用，它将在一个固定的时间（toff）内关断la、lb和lc。toff由接到cios脚的电容设定。通常cios设置一个等于或小于脉宽调制周期的固定的停歇时间。当pwm的频率为25khz时，pwm的周期为40μs，则toff应在20μs～40μs之间。对toff的较低限制，是由功率级的最小导通时间决定的，故安全的近似值是5μs或更小些。求解cios电容量的方程为：
cios=(toff×50μa)24v=100pf（1）
3.5 换向控制
三相直流无刷电机需要电子换向以实现旋转式运动。电子换向则需要三相半桥式功率开关轮流导通和截止。为了实现在一个方向上产生转矩，换向是由转子的位置决定的。ml4425中的电子换向是按恰当的时序，通过接通和关断一相中的n输出和另一相的p输出来完成的。
n沟道管输出和p沟道管输出，共有6个组合（6种开关状态），它们构成了一个完整的换向循环周期。这6种组合在图6和表2中予以说明，并用状态a、b、c、d、e、f分别作标记。该时序已编程在换向状态机器中。换向状态机器的时钟脉冲是由vco压控振荡器来提供的。
图6 输出换向时序的定时波形
（循环周期1：完整的换向；循环周期2：按50％pwm占空比换向）
表2 ml4425的6种换向状态功能
状态 输出 输入取样
la lb lc ha hb hc
r off on off on off on n/a
a off off on on off off fbb
b off off on off on off fba
c on off off off on off fbc
d on off off off off on fbb
e off on off off off on fba
f off on off on off off fbc
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摘要：介绍了ml4425脉宽调制电机控制器的功能及其应用。
关键词：三相直流无刷电机；无传感器；反电势取样器；锁相环
1 引言
ml4425脉宽调制控制器具有为起动和控制△接或y接无刷直流（bldc）电机速度所需要的全部功能，并且不用霍尔传感器。从电机绕组传感的反电势电压信号，利用锁相环（pll）即可确定正确的换向时序，这一获专利的传感技术可以在宽范围内使三相无刷电机换向，并且对pwm噪声和电机缓冲电路的干扰不敏感。
ml4425利用恒定的停歇时间pwm控制环路，限制电机的工作电流。其速度环是由机载放大器控制。ml4425电路能保证没有穿透电流干扰而直接驱动外部功率mosfet。起动程序的定时由三个可供选择的定时电容器来确定。这就使大范围变化的电机和负载能够处于最佳状态。
ml4425的主要性能如下：
1）可独立工作；
2）通过ic控制电机的起动和停止；
3）机载起动时序为校准→斜升→设定速度；
4）获专利的反电势换向技术为最短的“自转”时间提供了无抖动转矩；
5）具有机载速度控制环；
6）用于换向的锁相环pll可对pwm产生的尖峰脉冲噪声的抗干扰创造条件，其作用与噪声传感过零技术相似；
7）pwm控制可得到最高效率；
8）mosfet直接驱动12v电机；驱动高压电机需要用ir、ixys、harris、powerintegration、siliconix等公司生产的ic缓冲器。
2 ml4425的结构与参数
2.1 ml4425的结构
ml4425有二种封装型式，其引脚排列如图1所示。它们的内部功能方框图如图2（以28引脚为例）所示。
(a)窄形28脚
(b)方形32脚
图1 ml4425集成电路两种封装型式
图2 ml4425电机控制器内部功能框图
ml4425各引脚功能如下（以28引脚为例，脚号后括号内数字为32脚的脚号）。
脚1（30）isense：电机的电流传感输入端。当isense超过0.2×ilimit时，三路输出驱动器la、lb、lc均被关闭一个固定时间（由cios电容量确定）。
脚2（31）ha：a相高边开关的有源低输出驱动器。
脚3（32）hb：b相高边开关的有源低输出驱动器。
脚4(1)hc：c相高边开关的有源低输出驱动器。
脚5（3）speed comp：是速度控制环的补偿端，它由接在speed comp脚与地端之间的串联的电阻器和电容器来设置。
脚6（4）ct：一只电容器接ct与地之间，可设定pwm振荡器频率。
脚7（5）vref：6.9v基准参考电压输出。
脚8（6）speed set：速度控制环输入端，变化范围从0（停机）到vref（最大速度）。
脚9（7）la：a相低边开关的有源高输出驱动器。
脚10（8）lb：b相低边开关的有源高输出驱动器。
脚11（9）lc：c相低边开关的有源高输出驱动器。
脚12（10）ilimit：该脚电压把isense的门限电压设定在0.2×ilimit，该脚空悬不接，自动选ic内部的置位门限电平。
脚13（11）vco/tach：该脚的ttl输出电平对应于时钟信号用在换向状态机器。当反电势传感电路跟踪转子位置时，其输出频率与电机速度成比例。
脚14（12）vdd：12v电源电压输入端。
脚15（15）cvco：该脚对地接一只电容器，可设定压控振荡器（vco）的压－频比率。
脚16（16）rvco：该脚对地接一只电阻器，可设置一与vco输入电压成比例的电流。
脚17（17）cat：该脚对地接一只电容器，可设定控制器保持在校准状态的时间。
脚18（18）uv fault：当vdd降低到uvlo欠压锁定门限电平时，该脚输出电平变为最低，表示所有的输出驱动器均已失效。
脚19（19）crt：该脚对地接一只电容器，可设定控制器保持在斜升状态的时间。
脚20（20）speed fb：反电势取样电路的输出端和vco的输入端，一个rc网络接在speed fb端，可设置对锁相环路（pll）的补偿，该pll电路由反电势取样电路、vco和换向状态机器构成。
脚21（21）crr：当控制器处于斜升状态时，在crr与speed fb两端之间接一只电容器，可设定电机的斜升速率（即加速度）。
脚22（22）fb-a：通过在该脚上的传感反电势的电阻分压器，监视a相的电机反馈电压。
脚23（23）fb-b：通过在该脚上的传感反电势的电阻分压器，监视b相的电机反馈电压。
脚24（24）fb-c：通过在该脚上的传感反电势的电阻分压器，监视c相的电机反馈电压。
脚25（25）brake：一个逻辑低电平输入使电机制动，它是通过关断高边输出驱动器和接通低边输出驱动器来实现的。
脚26（26）cios：该脚对地接一只电容器，可设置在isense超过它的门限电平之后，低边输出驱动器仍然保持关断的时间。
脚27（27）rref：该脚对地接一只137kω的电阻器，可设置与vref成比例的电流，它用于为ic内部设定所有的偏置电流（除vco之外）。
脚28（28）gnd：信号地与功率地端。
2.2 ml4425的参数
2.2.1 ml4425极限值（绝对最大额定值）
权限值是指器件的应力额定值，一旦超过可能导致器件永久性损坏，它们并非器件的工作参数。
电源电压（脚14）vdd：14v；
逻辑输入（speed fb，brake）：（gnd－0.3）～7v；
所有其它输入和输出：（gnd－0.3）～（vdd＋0.3）；
输出电流（la、lb、lc、ha、hb、hc）：±50ma；
结温：150℃；
储存温度：－65℃～150℃；
引脚焊接温度：260℃（10s内）。
2.2.2 ml4425的运行条件
温度范围 ml4425gx 0～70℃；
ml4425ix －40～85℃。
vdd 10.8～13.2v。
2.2.3 ml4425的电特性
ml4425的电气参数如表1所列。
表1 ml4425电气参数
除非另有说明，通常vdd=12v±10％，rsense=1ω，cvco=10nf，cios=100pf，rref=137kω，ta=工作温度（注1，注2）。
注1：限制的保证是作100％测量，取样或在最坏测试条件下调节。
注2：关于状态的解释参见图4和表2。
注3：脚brake和脚uv fault在ic内部均有一只4kω电阻器接到基准电压。
3 ml4425的功能原理
ml4425为无传感器型速度控制的三相bldc直流无刷电动机提供了全部电路。控制器的功能包括：起动电路、反电动势换向控制、脉宽调制pwm的速度控制、固定的停歇时间电流限制、制动、欠压保护。
起动电路把电机校准在已知位置，随后斜升电机速度产生一个反电势信号。通过构成的一个锁相环路，反电势取样电路可控制换向时间。换向控制电路又输出一个速度反馈（speedfb）信号，用于速度控制回路。速度控制回路由一个误差放大器和pwm比较器组成，它产生一个pwm占空比调节速度。电机电流由一个固定停歇时间pwm关闭比较器来限制，它受控于外部传感电阻器。
换向控制、pwm速度控制和电流限制共同结合，产生输出驱动器信号。六路输出驱动器用于提供选通信号给外部三相桥式功率级，按直流无刷电机的电压和电流要求进行测量。其它功能包括：制动功能和欠压保护电路。一旦ml4425供电vdd变为低压时，可关闭输出驱动器。
3.1 元件的选择
选择ic外部元件需要根据电机的电气参数和机械参数作一些计算。下面列出这些计算需要的电机参数：
直流电机电源电压 vmotor（v）；
最大工作电流 imax（a）；
磁极的数目 n；
反电势常数 ke（v－s/rad）；
电机的转矩常数 kt(n·m/a)(kt=ke，单位si)；
最大运行速度 rpmmax（r/min）；
电机和负载的转动惯量 j(kg·m2)；
电机和负载的粘滞阻尼因数 ξ。
如果不知道上述一个值或几个值，仍然可能得到合适的ml4425外部元件数值，但需要做一些实验来确定其最佳值。除非另有特殊说明，所有的数量单位都用si。下面的公式应考虑最佳起始点。所有计算的电容器和电阻器，都应采用最接近标准值的第一个近似值作为选择。
3.2 电源和基准参考电压
电源电压vdd通常为12v±10％。应尽量靠近vdd端对地接一只100nf旁路电容器。提供6.9v电压基准输出vref，来设置ml4425的速度指令和电流限制。需要在rref端对地接一只137kω电阻器，为ic内部功能建立一个基准电流。
3.3 输出驱动器
输出驱动器la、lb、lc和ha、hb、hc为三相桥式功率级提供图腾柱式输出驱动信号。ml4425中所有的控制功能，都传送到这些引脚输出。其中la、lb、lc为三相功率级的a、b、c相提供低边驱动信号，并以12v为有效高电平信号。而ha、hb、hc为a、b、c相提供高边驱动信号，并以12v为有效低电平信号。
3.4 功率级的电流限制
电流传感电阻器rsense如图3所示，它可调节功率级和直流无刷电机的最大电流。如果rsense两端的电压超过电流限制门限电平，则可通过把输出驱动器la、lb和lc关断一定的时间，来实现电流的调节。
图3 在三相12v功率级中使用传感电阻器rsense
1）ilimit 在ilimit脚上的电压设定了电流限制门限电平。
ml4425内部有一个从vref接地的分压器，它设定了一个2?3v的误差电流限制门限电平，见图4。以vref为基准的外部分压器，可用于拒绝错误的ilimit设置。外部分压器的电流至少应比内部分压器电流大10倍。
图4 电流传感电路
2）rsense rsense的功能是提供一个与电机电流成正比的电压，以设定电流限制跳闸断开点。rsense两端错误跳闸电压是460mv，它由内部ilimit分压比来设定。电流传感电阻器应是低电感量的电阻器，如碳膜成分组成。对毫欧姆范围的电阻器，用导线卷绕的电阻应具有低值电感。
3）isense滤波器 接isense脚的rc低通滤波器与电流传感信号相串联，见图4。设置该滤波器是为去除二极管反向恢复时的穿透电流。该电流在电流传感信号的前沿引起一个电压尖峰，可能会误触发电流限制电路。在滤波器前、后的电流传感电压波形见图5。该电路推荐的初值为r=1kω、c=300pf，这就给出了时间常数330ns，它将滤除更短持续时间里的输出尖峰。也可增大电容器到c=2.2nf，但时间常数不应超过几个微秒。
(a)无滤波时 (b)经滤波后
图5 电流传感电阻器波形
4）cios 当isense超过0.2×ilimit时，电流限制一次性触发功能起作用，它将在一个固定的时间（toff）内关断la、lb和lc。toff由接到cios脚的电容设定。通常cios设置一个等于或小于脉宽调制周期的固定的停歇时间。当pwm的频率为25khz时，pwm的周期为40μs，则toff应在20μs～40μs之间。对toff的较低限制，是由功率级的最小导通时间决定的，故安全的近似值是5μs或更小些。求解cios电容量的方程为：
cios=(toff×50μa)24v=100pf（1）
3.5 换向控制
三相直流无刷电机需要电子换向以实现旋转式运动。电子换向则需要三相半桥式功率开关轮流导通和截止。为了实现在一个方向上产生转矩，换向是由转子的位置决定的。ml4425中的电子换向是按恰当的时序，通过接通和关断一相中的n输出和另一相的p输出来完成的。
n沟道管输出和p沟道管输出，共有6个组合（6种开关状态），它们构成了一个完整的换向循环周期。这6种组合在图6和表2中予以说明，并用状态a、b、c、d、e、f分别作标记。该时序已编程在换向状态机器中。换向状态机器的时钟脉冲是由vco压控振荡器来提供的。
图6 输出换向时序的定时波形
（循环周期1：完整的换向；循环周期2：按50％pwm占空比换向）
表2 ml4425的6种换向状态功能
状态 输出 输入取样
la lb lc ha hb hc
r off on off on off on n/a
a off off on on off off fbb
b off off on off on off fba
c on off off off on off fbc
d on off off off off on fbb
e off on off off off on fba
f off on off on off off fbc
配电箱内空气开关的工作原理和回路配置
电路板制作原理与结构！自制电路板最常用的五种方法比较
iphone8发布会倒计时:iphone8确定9月19日上市,外观大改,刷脸解锁不是梦,价格7000元起!
无线控制器可减少家庭电力消耗家庭自动化和功效
边缘计算微服务操作系统的设计与实现
无传感器的直流无刷电机控制器ML4425及其应用（1）
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巧用CD4017制作多地单键控制开关
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