使用LX7720的電機驅(qū)動器：將LX7720如何集成到電機驅(qū)動系統(tǒng)中

隨著空間系統(tǒng)開發(fā)人員不斷努力減小關(guān)鍵模塊和元件的尺寸、重量和功率，他們還需要更高性能、抗輻射和耐輻射的組件來增強系統(tǒng)設(shè)計。新技術(shù) - 例如更輕，更高集成的衛(wèi)星電機控制電路 - 可以承受極端空間環(huán)境并優(yōu)化航天器性能。

LX7720航天器電機驅(qū)動器經(jīng)過設(shè)計，經(jīng)過抗輻射處理。它是空間場可編程門陣列（FPGA）的配套集成電路（IC），例如Microchip的RTG4 FPGA和RT PolarFireò FPGA，或空間微控制器（MCU），例如Microchip的SAMRH71F20或SAMV71Q21RT。LX7720 中集成了電流檢測器、旋轉(zhuǎn)變壓器、編碼器和霍爾效應(yīng)編碼器接口，減少了電路板空間和重量，同時提高了使用線圈電流反饋和轉(zhuǎn)子位置傳感的閉環(huán)電機控制的可靠性。

這是LX6的電機驅(qū)動器和電流檢測電路的八部分系列文章中的第7720篇博客，從場效應(yīng)晶體管（FET）驅(qū)動器和電流檢測級內(nèi)的模塊理論開始，然后是如何選擇外部元件，最后是無刷直流、雙極和單極步進電機的實際實現(xiàn)。本系列的主題包括：

1. 介紹半橋驅(qū)動器，并討論用于為每個高邊N溝道場效應(yīng)晶體管（NFET）產(chǎn)生獨立柵極電源的電荷泵方法

2. 使用標(biāo)準(zhǔn)柵極電壓和低柵極電壓NFET的實用半橋驅(qū)動器級

3. 電機繞組電流檢測放大器簡介

4. 在半橋級內(nèi)應(yīng)用電流檢測放大器的拓?fù)溥x擇

5. 將半橋分離為獨立的低邊和高邊驅(qū)動器

6. 將 LX7720 連接到無刷直流電機 （BLDC） 或永磁同步電機 （PMSM），帶可選的電磁制動器

7. 將LX7720連接到雙極步進電機

8. 將LX7720連接到一個或兩個單極步進電機

LX7720包含1個帶浮動電流檢測的半橋驅(qū)動器，用于電機線圈驅(qū)動，7720個用于檢測霍爾效應(yīng)傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器的雙電平輸入（比較器），以及一個完整的旋變器/LVDT接口，帶初級線圈驅(qū)動器和次級信號調(diào)理。圖<>顯示了使用LX<>的典型電機驅(qū)動系統(tǒng)的頂層框圖，并說明了在一個IC中集成閉環(huán)電機驅(qū)動器的所有混合信號電子器件的好處。

圖1.使用LX7720的典型電機驅(qū)動系統(tǒng)

之前的博客討論了LX7720半橋級和集成電流檢測的基本原理。本博客討論將LX7720與無刷直流電機配合使用。

LX7720包含四個半橋驅(qū)動器級和四個電流檢測放大器，足以驅(qū)動三相PMSM或無刷直流電機（BLDC）。永磁同步電機和 BLDC 都是基于永磁體的電機，轉(zhuǎn)子上有永磁體。定子包含等間距的星形或三角形連接繞組，三個用于三相電機。永磁同步電機和 BLDC 電機設(shè)計在細(xì)節(jié)上有所不同，在驅(qū)動波形（正弦與梯形/三角形）方面也有所不同。但是，就半橋驅(qū)動器級而言，基本架構(gòu)是相同的。

圖2顯示了一個通用三相電機，由三個半橋驅(qū)動器驅(qū)動，每個半橋驅(qū)動器輸出中都有電流檢測。電機顯示為星形（或星形）定子繞組類型，但與三角形定子繞組的電機的連接是相同的。

LX7720電路經(jīng)過簡化，省略了電流檢測和柵極驅(qū)動部分的電源和去耦。關(guān)鍵部件是三個半橋和電流檢測。

所有三個繞組驅(qū)動器的相位輸出均具有電流檢測功能。但是，由于進入一個相位的電流必須通過其他兩個相位退出，因此只需要兩個電流檢測。第三相電流由其他兩者的總和計算得出，如果需要，可以測量以提供冗余。

半橋FET及其集成體二極管所示。與FET并聯(lián)的二極管是在半橋FET關(guān)斷時承載換向電流的必要元件。FET關(guān)斷后的電流換向在第4篇博客中討論。FET 體二極管通常由分立二極管并聯(lián)，以實現(xiàn)更高的開關(guān)速度和更低的壓降。電機繞組電流通過半橋 FET 和/或與 FET 并聯(lián)的換向二極管的某種組合在電機電源 VMPS 和電機接地 MGND 之間流動。

數(shù)字 2. 具有相位輸出電流檢測功能的三相電機驅(qū)動器

LX7720使用兩個內(nèi)部接地域，如圖2所示，分別是信號地（SGND）和電機接地（MGND）。SGND用于數(shù)字和模擬信號（控制電路）。MGND用于與外部半橋相關(guān)的電路 - FET驅(qū)動器、電流檢測和電機負(fù)載本身。電平轉(zhuǎn)換器管理地面域的交叉。

如果電機控制器板設(shè)計將電機驅(qū)動電源部分（半橋和換向二極管）與 LX7720 位于同一 PCB 上，則 SGND 和 MGND 兩個接地應(yīng)直接在 PCB 上連接在一起，因此將具有相同的電位（圖 3）。

數(shù)字 3. 連接LX7720的兩個接地域，SGND和MGND

對于高功率電機設(shè)計，不在控制器PCB上布線VMPS高電壓和/或高電流路徑可能更實用。在這種情況下，電源開關(guān)元件將位于單獨的模塊或 PCB 上，通?？拷姍C（圖 4）。在這種分離式架構(gòu)下，電機電源VMPS及其相關(guān)的接地回路PGND通過線束采用單獨的路徑連接到半橋FET。

數(shù)字 4. 與分離電機接地的連接

LX7720仍然需要連接到電機電源VMPS，因為這是第一篇博客中討論的高端FET驅(qū)動器的參考。LX1還可以進入半橋驅(qū)動器的地面。這兩個信號互連在圖7720中以紅色顯示。請注意，現(xiàn)在SGND不直接連接到MGND，而是依賴于LX4所在的PCB外部的系統(tǒng)接地路徑。但是，由于電機的電源線承載大電流電機波形，因此PGND/MGND和LX7720的信號GND（SGND）之間會出現(xiàn)接地反彈。MGND和SGND之間的允許電位差為-7720V至+10V。如果對終端系統(tǒng)的分析表明在瞬變期間可能會超過此值，則SGND和MGND之間的背靠背齊納二極管對可能足以箝位這些現(xiàn)象（圖8）。

數(shù)字 5. 用背靠背齊納二極管箝位SGND和MGND。

同步電機也可提供三相以上。由于LX7720中的半橋和電流檢測級是獨立的，因此可以一起使用多個LX7720來控制具有四相以上電機。

對于三相電機，LX7720提供一個備用半橋級。第5篇博客討論了將半橋分離為獨立的低邊和高邊驅(qū)動器，并具有可選的電流檢測。然而，螺線管或電磁制動器等負(fù)載通常由脈寬調(diào)制（PWM）波形驅(qū)動，以調(diào)節(jié)電流，從而調(diào)節(jié)機械力。然后，可以通過監(jiān)控感性負(fù)載中輸出電流的上升和下降，逐周期調(diào)整PWM時序。

當(dāng)負(fù)載開關(guān)關(guān)閉時，需要一個二極管來為感性負(fù)載提供斜坡下降的路徑。圖5所示電路顯示了一個具有高端電流檢測功能的低側(cè)驅(qū)動器。所有負(fù)載電流都通過電流檢測電路，無論是在開關(guān)導(dǎo)通時通過FET斜坡上升，還是在開關(guān)關(guān)閉后通過二極管斜坡下降。

數(shù)字 6. 帶電流測量的低側(cè)感性負(fù)載驅(qū)動器

圖6所示的替代配置是具有低側(cè)電流檢測的高邊驅(qū)動器。電流檢測可以由備用ADC輸入（如果系統(tǒng)中可用）執(zhí)行。在這種情況下，只需一個備用LX7720半橋部分即可構(gòu)建兩個負(fù)載驅(qū)動器，從而為低側(cè)驅(qū)動器保留LX7720的電流檢測模塊。

數(shù)字 7. 帶電流測量的高邊感性負(fù)載驅(qū)動器

這兩個驅(qū)動程序有兩個缺點。首先，需要兩根電線來連接負(fù)載。其次，二極管D是相對有損耗的。只需使用完整的備用半橋來驅(qū)動負(fù)載，電流檢測位于輸出端即可消除這兩個限制（圖 8）。高端FET驅(qū)動負(fù)載，低側(cè)FET用作有源二極管。如圖2所示，額外的半橋的配置方式與用于電機的其他三個半橋相同，但功率組件的細(xì)節(jié)可能存在差異。

數(shù)字 8. 帶輸出電流測量的半橋感性負(fù)載驅(qū)動器

有一個警告要記住。VGS柵極驅(qū)動電源引腳和VMPS電機電源引腳是LX7720內(nèi)所有四個半橋通用的。這意味著電磁閥或電磁制動器必須使用與電機相同的 VPMS 和 VGS 電源，并具有三個備用電路。

最后，圖6顯示了如何連接未使用的半橋驅(qū)動器或電流檢測放大器。

數(shù)字 6. 連接未使用的半橋驅(qū)動器和/或電流檢測

結(jié)論

您現(xiàn)在應(yīng)該了解如何將 LX7720 連接到 BLDC 或 PMSM，以及如何使用第 4 個半橋級來驅(qū)動電磁閥或電磁制動器。

審核編輯：郭婷