新型DMOS三相PWM電機驅(qū)動器A3936特點及應(yīng)用

　　O 引言

　　無刷直流電動機以其具備交流電動機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點，同時又具備直流電動機的效率高、調(diào)速性能好等諸多特點，而在工業(yè)控制、儀器儀表、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。A3936就是Allegro公司推出的新一代三相無刷直流電動機專用控制/驅(qū)動器芯片。

　　1 A3936的特點功能

　　1.1 主要特點

　　A3936是美國Allegro公司生產(chǎn)的新型DMOS三相PWM電機驅(qū)動器，它主要包括換相邏輯和功率驅(qū)動電路，可通過給定控制電壓信號和方向控制邏輯信號來完成無刷直流電動機的調(diào)速和正反轉(zhuǎn)控制。另外，A3936還具有內(nèi)部欠壓鎖定、交叉電流保護、過熱保護等功能，因而使用非常方便。此外，A3936 還具有±3 A/50 V的連續(xù)輸出;并具有可編程的四種續(xù)流工作模式。包括slow模式、fast模式和2種mixed模式;同時可低功耗同步整流控制。A3936的輸出電阻在拉電流時的典型值為0.55 Ω;灌電流時的典型值為0.35 Ω。A3936芯片內(nèi)部帶有欠壓鎖定、交叉電流保護和過熱保護功能，并有睡眠及空閑模式，以及可制動功能和死區(qū)設(shè)置。

　　1.2 引腳介紹

　　A3936芯片采用44腳PLCC封裝型式，其引腳排列如圖l所示。各引腳的功能如下：

　　引腳1、2、11、12、13、22、23、24、33、34、35、44(GND)：接地端;

　　引腳3、4、5、6、7、8(HA、HB、HC)：無刷直流電動機HALL元件信號輸入端;

　　引腳9(VDD)：+5 V電源;

　　引腳10(REF)：參考電壓VREF輸入端，通過控制該電壓可控制PWM占空比;

　　引腳14(BRAKE)：制動控制端，當該腳為高電平時，無刷直流電動機內(nèi)的電流會瞬間釋放，電機突然停轉(zhuǎn);而在正常使用時，該腳接低電平;

　　引腳15(SENSE)：采樣電阻RS引腳，其數(shù)值一般取0.1 Ω。該采樣電阻與VREF可決定電動機的負載電流。

　　引腳16(SR)：同步整流輸入，高電平有效;

　　引腳17、2l、28(OUT)：無刷直流電動機A、B、C相驅(qū)動輸出端;

　　引腳18 (HBIAS)：HALL元件的負極;

　　引腳19、26(VBB)：負載電源;

　　引腳20、25 (LSS)：通過采樣電阻RS與負載電源地相連;

　　引腳27 (TACH)：速度輸出，一般懸空不用;

　　引腳29 (VCP)：充電電容連接端，應(yīng)通過0.22μF/50 V電容與VBB相連;

　　引腳30、3l(CPl、CP2)：電荷泵電容連接端，二者應(yīng)通過0.22μF/100 V電容相連;

　　引腳32 (SLEEP)：睡眠模式邏輯控制輸入端，低電平輸入時，進入睡眠模式;

　　引腳36 (OSC)：振蕩信號連接端，可通過51kΩ電阻與VDD相連;

　　引腳37 (VREG)：整流去耦端，應(yīng)外接0.22 μF/50V去耦電容;

　　引腳38 (DIR)：方向控制邏輯輸入端，低電平為順時針旋轉(zhuǎn)，高電平為逆時針旋轉(zhuǎn);

　　引腳39 (ENABLE)：使能控制邏輯輸入端;

　　引腳40 (EXTMODE)：外接PWM控制模式邏輯輸入端。使用外接PWM控制模式時，若輸入高電平，為電流慢衰減模式;若輸入低電平，則為電流快衰減模式;

　　引腳41 (BLANK)：為死區(qū)邏輯控制輸入端;若輸入高電平，死區(qū)時間為12/fosc;若輸入低電平，死區(qū)時間為6/fosc;

　　引腳42、43(PFD)：PFD邏輯控制輸入端，二者組合可用于決定采用哪一種續(xù)流控制模式。

　　2 A3936的工作原理

　　2.1 通電控制規(guī)律

　　A3936內(nèi)部具有全橋驅(qū)動的功率邏輯開關(guān)單元和位置傳感器的信號處理單元，可用來控制電動機定子上各相繞組通電的順序和時間。全橋驅(qū)動的功率邏輯開關(guān)單元可將電源的功率以一定的邏輯關(guān)系分配給電動機定子上的各相繞組，以使電動機產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。位置傳感器的信號處理單元可將電動機轉(zhuǎn)子的位置信號轉(zhuǎn)換為電信號，以便為功率邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息，控制電動機定子繞組換相。同時，電動機的轉(zhuǎn)向還受到38腳方向控制邏輯的控制。三者之間的邏輯關(guān)系如表1所列。

　　表l中，在HALL傳感器部分： “+”表示高電平; “-”表示低電平;輸出部分：“+”表示正向通電：“-”表示反向通電。

　　2.2 負載電流調(diào)節(jié)

　　負載電流可通過A3936內(nèi)部的固定低電平(使用4MHz晶振時，典型值為24μs)PWM電路進行調(diào)節(jié)。當H橋正常工作時，電動機繞組電流上升，直到到達閾值為止，該閾值由下式?jīng)Q定：

　　達到閾值時，邏輯電路將關(guān)閉H橋，負載電流在感應(yīng)電動勢的作用下進行續(xù)流，其續(xù)流時的流通路徑由slow/mixed續(xù)流模式和同步整流模式?jīng)Q定。

　　2.3 續(xù)流控制模式

　　A3936的輸入引腳PFD1和PFD2的電平信號決定了過流關(guān)斷或PWM斬波時負載電流的不同續(xù)流模式。根據(jù)PFDl和PFD2電平信號的不同，A3936共有四種續(xù)流控制模式：slow模式、fast模式和兩種mixed模式，不同的續(xù)流模式?jīng)Q定了不同的負載電流波形。PFD電平信號與續(xù)流模式之間的關(guān)系如表2所列。

　　2.4 同步整流模式

　　當A3936的SR引腳為高電平時，使能同步整流模式，此時負載電流按照控制邏輯選定續(xù)流模式進行續(xù)流。在續(xù)流期間，同步整流控制電路開通對應(yīng) MOSFET管，以使得負載電流同時可以通過MOSFET管續(xù)流，從而降低續(xù)流時的導(dǎo)通電壓，減小導(dǎo)通損耗。同時，該同步整流控制電路還考慮了死區(qū)保護，故可防止橋臂直通。

　　3 A3936的應(yīng)用電路

　　A3936無刷直流電動機驅(qū)動集成電路由于其集成度高，外圍元件少，使用起來非常簡便。其外圍電路連接圖如圖2所示。

　　電路連接后，便可設(shè)置續(xù)流控制模式和同步整流模式(也可不用)。之后，只需給出電動機旋轉(zhuǎn)的方向(由38腳的控制邏輯決定)和旋轉(zhuǎn)的速度(由10腳REF 的電壓決定)，即可完成對電動機的控制。某型船載衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)的伺服驅(qū)動控制需要對接收天線的水平、俯仰和橫滾三個方向進行伺服驅(qū)動控制，其控制核心采用PC104計算機，并利用其I/O口(25針并口)實現(xiàn)對A3936的控制。由于PC104的輸出為數(shù)字量且需控制三臺無刷直流電動機，因此，本設(shè)計增加了4路8位D/A轉(zhuǎn)換電路MAX505和8位選通開關(guān)CD4099。MAX505用于控制電動機轉(zhuǎn)速;CD4099則用于控制電動機的轉(zhuǎn)向。其電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

　　PC104標準并口具有12個輸出位和5個輸入位，其中8位數(shù)據(jù)位DO～D7中的D0～D6是送給MAX505的數(shù)據(jù)，可經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后用于控制無刷直流電機的轉(zhuǎn)速。A0、A1是MAX505的地址線，可由PC104并口的14、17引腳控制，用于決定DO～D6應(yīng)當轉(zhuǎn)換到VOUTA、VOUTB、 VOUTC中的哪個輸出端。WR為寫控制端，由PC104并口的16引腳控制，但當數(shù)據(jù)寫操作完成后，必須將WR端置1。D7代表轉(zhuǎn)動方向(D7為0代表順時針轉(zhuǎn)動;D7為1代表逆時針轉(zhuǎn)動)，D7通常連接到CD4099的引腳3上，可以使CD4099根據(jù)A0、A1的地址數(shù)據(jù)將此方向的信息送到相應(yīng)的輸出端，從而控制相應(yīng)A3936，并最終實現(xiàn)對相應(yīng)無刷直流電動機的方向控制。當需要對無刷直流電動機進行控制時，只需對相應(yīng)的地址(0X378、 0X37A)寫入控制字，便可實現(xiàn)對電動機的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)速的控制。

　　4 結(jié)束語

　　A3936獨特的續(xù)流控制模式，可使無刷直流電動機在不同負載時均可獲得不同的負載電流波形，從而保證較高的控制精度。同步整流模式則可降低續(xù)流時的導(dǎo)通電壓和功耗。由于A3936器件與計算機接口兼容，控制方式簡單靈活，因而具有較高的應(yīng)用價值。