航晶微電子HJ4314三相電機驅(qū)動電路模塊特性與典型應(yīng)用

三相無刷電機相對傳統(tǒng)的有刷電機、感應(yīng)電機而言，它擁有高的轉(zhuǎn)速/扭矩比、好動態(tài)特性、高效率、長壽命、低噪聲、寬轉(zhuǎn)速范圍和制造容易等等優(yōu)良特性。使其在工業(yè)控制領(lǐng)域、汽車工業(yè)、航空航天等等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。

針對此航晶微早期推出了多款電機驅(qū)動相關(guān)產(chǎn)品，其中HJ4312伺服電機閉環(huán)控制器與其搭配的HJG4306三相電機驅(qū)動電路模塊這兩款厚膜集成電路在航空28V電機驅(qū)動方案應(yīng)用最為廣泛。為滿足市場需求產(chǎn)品小型化的問題，航晶微結(jié)合自身在電機驅(qū)動電路方面的積累的經(jīng)驗，經(jīng)過不斷學(xué)習(xí)，現(xiàn)推出一款全新一體化的三相電機驅(qū)動電路模塊HJ4314，只需簡單的外圍電路，便可獨立完成對三相無刷電機的控制。

一

概 述

HJ4314是一款完全國產(chǎn)化三相電機驅(qū)動電路模塊。內(nèi)部由三相霍爾解碼器、速度反饋環(huán)、單穩(wěn)多諧振蕩器、PWM控制器，電流門限比較器、高精度電壓基準(zhǔn)等部分組成。

原理是三相無刷電機霍爾信號固定脈寬后給PWM控制器中的誤差放大器完成轉(zhuǎn)速反饋，內(nèi)置固定衰減周期的整流電路，電流門限比較器反轉(zhuǎn)后會將輸出的上橋臂關(guān)斷，電流衰減一個固定的時間周期，根據(jù)三相無刷電機被控制可能的轉(zhuǎn)速變化范圍和扭距變化范圍，外部調(diào)節(jié)PID參數(shù)，來完成在給定轉(zhuǎn)速設(shè)置時穩(wěn)定轉(zhuǎn)速目標(biāo)。

同時具有使能控制、方向控制、霍爾信號脈沖整形、電源接反保護、輸入/輸出浪涌保護的功能。封裝采用DZS2826外殼(28*26*7mm)。HJ4314三相電機驅(qū)動電路模塊適用于40V以下的伺服系統(tǒng)。

主要特點

1) 全硬件結(jié)構(gòu)，避免了用DSP+CPLD模式實現(xiàn)時，上電建立時間長的缺點；

2)模擬PID環(huán)路沒有了DSP數(shù)字PID環(huán)路的量化噪聲，超調(diào)量更容易設(shè)置；

3)內(nèi)置高精度基準(zhǔn)，有利于外部進(jìn)行模擬高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速設(shè)定；

4)依靠三相無刷電機的三相霍爾信號就能給定完成轉(zhuǎn)速反饋，無需外加轉(zhuǎn)速測量裝置；

5)老煉篩選依據(jù)GJB548條件進(jìn)行；

6)低功率及多重保護有利于提高器件的使用壽命/可靠性；

7)方向（DIR）、剎車（BRAKE）與主回路可以不公地。

二

電原理圖

三

封裝形式及引出端

3.1 外形尺寸

采用DZS2826塑料外殼，封裝尺寸如下所示。

3.2 引出端功能

四

絕對額定最大值

電源電壓VCC ：+15V~+38V

電源接反 ：不限制

工作溫度：-55~+105℃

貯存溫度：-55~+105℃

引線耐焊接溫度（10s）：+300℃

五

電特性

除非另有規(guī)定外，VCC=28V,-55℃≤TA≤+105℃。

注）*表示設(shè)計保證

六

邏輯時序圖及真值表

七

典型應(yīng)用及注意事項

圖4典型應(yīng)用

7.1轉(zhuǎn)速反饋信號脈沖寬度

如果期望最大電機速度為3000RPM，并且所使用的電機轉(zhuǎn)子上的永磁體具有一對磁極，則電機每次機械旋轉(zhuǎn)一周將會使每個霍爾效應(yīng)傳感器傳遞一個脈沖周期,三個傳感器將產(chǎn)生三個獨立的脈沖周期，同時轉(zhuǎn)速反饋信號VF端將產(chǎn)生一個脈沖周期數(shù)為3的脈沖信號，每個脈沖分別對應(yīng)傳感器脈沖的上升沿和下降沿。電機每秒轉(zhuǎn)速50轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速反饋信號將每秒產(chǎn)生150脈沖或具有150赫茲的頻率(轉(zhuǎn)速反饋信號頻率為霍爾信號頻率的3倍)。因此，轉(zhuǎn)速反饋信號脈沖周期為6.66毫秒，轉(zhuǎn)速反饋信號脈沖寬度可設(shè)定為反饋信號脈沖周期的70%~80%，計算公式如下：

τ=0.96×Rx×Cx

注：0.96為單穩(wěn)態(tài)震蕩電路的時間常數(shù)。Rx為轉(zhuǎn)速反饋信號脈寬設(shè)定電阻，Cx為轉(zhuǎn)速反饋信號脈寬設(shè)定電容值為22nF。

系統(tǒng)應(yīng)用時，在轉(zhuǎn)速固定的情況下，Rx和Cx使用同樣的參數(shù)匹配不同的三相電機驅(qū)動電路模塊模塊，所設(shè)定的脈沖寬度因雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器而存在細(xì)微的差異，因此需對Rx和Cx進(jìn)行微調(diào)，使其設(shè)定的脈沖寬度為定值，可有效避免雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器帶來誤差。

7.2 轉(zhuǎn)速給定及PID補償網(wǎng)絡(luò)

圖5 轉(zhuǎn)速給定及PID補償網(wǎng)絡(luò)

R1、C1的取值主要取決于轉(zhuǎn)速反饋信號VF的最低頻率，即三相無刷電機最低的轉(zhuǎn)速；

R2、R3、C2、C3、C4共同構(gòu)成PID補償網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)節(jié)PID補償網(wǎng)絡(luò)使電機在給定條件下，適應(yīng)扭矩變化要求；可根據(jù)具體使用工況自行設(shè)計PID拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以達(dá)到對三相無刷電機更好的控制效果。

EA+轉(zhuǎn)速給定即可模擬給定也可以通過DSP的DAC直接給定。

7.3 電流整流

圖6 電流整流

芯片內(nèi)置固定衰減周期的整流電路，當(dāng)輸出開啟時，電流上升直到整流點Itrip：

Itrip=200mV/Rsense

此時電流比較器反轉(zhuǎn)，輸出的上臂橋關(guān)斷，電流衰減一個固定的時間周期；

7.4 電平兼容設(shè)計

方向控制、剎車控制可利用模塊內(nèi)部的光耦進(jìn)行隔離，利用上位機來控制方向和剎車，如下圖所示：

圖7 方向控制、剎車控制

其中，R1、R2的取值要求IR≥8mA.

7.5 剎車模式

當(dāng)BRAKE為低時進(jìn)入剎車模式，為高時驅(qū)動正常工作。剎車模式下三個半橋的全部下臂橋MOS都會打開，用以短路電機產(chǎn)生的反向電動勢。BRAKE會屏蔽PWM信號輸入功能與自動堵轉(zhuǎn)保護功能。

需要重點指出的是，當(dāng)剎車態(tài)時，由于電流不流經(jīng)Rsense電阻，內(nèi)部的PWM電流限制此時不起作用，此時的最大電流等于反向電動勢除以負(fù)載電阻。

7.6注意事項

1）在使用DIR進(jìn)行正反轉(zhuǎn)切換時屬于無延時硬換向、以及高速剎車會有很大的沖擊，所以不建議在高電壓全速運行時操作此兩項功能，強行操作有可能損壞功率管和芯片。

2）三相電機驅(qū)動電路模塊功率較小(最大100W內(nèi))過載能力弱，使用時留有余量，不可直接大功率電機工作或試機，強行工作有沖擊損壞功率管的風(fēng)險，建議使用在28V/56W以內(nèi)，如需超過56W功率，建議在U、V、W三相驅(qū)動輸出端和電機之間串入10~33uH的大功率電感，用來扼制對功率管造成的沖擊。

3）三相電機驅(qū)動電路模塊功用于霍爾電角度為120的直流無刷三相有霍爾的電機，電機需有霍爾且接對線序系統(tǒng)才能正常工作。

4) 帶載啟動波形

圖8所示波形為24V供電，0.5A的負(fù)載下帶載啟動的電源電壓和電流波形：

圖8 帶載啟動波形

（藍(lán)色為系統(tǒng)電源電壓，紫色為系統(tǒng)電源電流）

系統(tǒng)內(nèi)部自帶軟啟動電路，由圖8可知，從上電到建立大約需要13ms,在此期間，系統(tǒng)的過沖電流從最大開始逐周期進(jìn)行遞減，到最后趨于穩(wěn)定值。

5) 電機高速運轉(zhuǎn)時切換方向瞬間波形

圖9所示波形為24V供電，0.5A的負(fù)載下正常工作時使用DIR功能進(jìn)行強換向的電源電壓和電流波形：

圖9電機高速運轉(zhuǎn)時切換方向瞬間波形

（藍(lán)色為系統(tǒng)電源電壓，紫色為系統(tǒng)電源電流）

電機在高速工作時使用DIR功能進(jìn)行強換向，瞬間會對電源造成很大的沖擊，對系統(tǒng)電源的能力要求比較高；長此以往會大大降低該模塊的可靠性。嚴(yán)禁在正電源端串入續(xù)流二極管來使用DIR功能進(jìn)行強換向，此舉在較高轉(zhuǎn)速下會瞬間燒毀模塊內(nèi)部控制電路。