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作者:Yuji Hishiki
介绍
由于控制器硬件和驱动方法的不断改进，直流电机在效率方面的优势不断增加，因此，这些天来，直流电机被越来越频繁地使用，经常取代传统的交流电机。
在直流电动机中，无刷直流电动机在工业应用和一些消费应用中非常普遍，因为它没有刷的物理接触产生的磨损。亚博国际官网平台网址相反，您需要根据磁传感器感知的旋转角度来控制驱动时序。霍尔传感器是最常用的传感器之一。
图1描述了一个简单的直流电动机(左边)和一个无刷直流电动机(右边)的基本工作原理。
一个直流电动机(在左边)有一个电刷开关的方向电流在转子线圈。
这改变了磁场的方向，以控制转子的一端被拉扯，另一端被定子磁铁排斥。对于无刷直流电机(右侧)，需要通过与磁传感器(霍尔传感器)同步的驱动器而不是电刷来控制电流切换。传感器输出被输入控制器，控制器处理定子线圈中电流的时间和方向。
典型的直流电机霍尔传感器输出波形如图2所示。这个信号与转子的转动频率相同。通常振幅VH为几十毫伏，偏置电压范围很宽。
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为了补偿偏移和从霍尔信号获得方波，建议使用外部运放或比较器。
方波的上升沿用于产生驱动信号的时序，如下所述。
本文讨论了单相无刷直流电动机的应用。
图3显示了该系统中使用的无刷直流电机原理图及其连接的示例。HP和HM来自目标电机的霍尔传感器，代表目标电机的旋转角度和速度。
比较HP和HM电压水平，产生一个方波HP-HM。这个信号作为锁相环的参考信号，作为预驱动器输出的选择信号。
OUT1到OUT4连接到驱动目标电机的h桥。
保护旋转卡滞，过流，过热和UVLO被纳入关闭h桥FET。
在GreenPAK前放置一个压控振荡器(VCO)，与霍尔传感器信号同步。这种同步的目的是为PWM驱动信号的软启动和软停止计时。软启动可以由霍尔传感器信号的过渡边缘触发，而软停止需要在霍尔传感器信号结束前的某个点触发。与霍尔信号同步的计数器，您应该能够编程计数器的值，从哪里开始控制驱动信号的PWM占空比。
在恒定转速应用锁相环是不必要的。你只需要程序计数器的PWM占空比控制。
上电
在上电时，GreenPAK的所有I/ o都变成高阻抗，直到内部POR (power ON Reset)输出从低变为高。当CE输入超过0.9V时，内部电路变为有源驱动PWM输出。图4为启动时的操作。
首先，电机没有转动，没有霍尔传感器信号输出。在这种状态下，压控振荡器以其自由运行频率振荡。利用这个VCO时钟GreenPAK输出50%占空比的PWM信号在OUT1和OUT2。由这个方波驱动，电机开始旋转产生霍尔信号。
图5为启动运行时HP-HM和VCO时钟除以计数器锁入的情况。相位比较器(PCMP)输出馈给外部压控振荡器，通过LPF(低通滤波器)控制其频率。当LPF输出电压增加时，VCO频率增加，反之亦然。LPF输出电压是一个PCMP输出的平均值。当VCO分时钟比霍尔信号慢(低频率)时，PCMP输出的高周期增大，从而提高LFP输出电压。这个反馈回路不断调整VCO频率，直到PCMP输出变得恒定。这是VCO与霍尔信号同步的地方。计数器和相位比较器如图7所示。
霍尔传感器信号检测
霍尔传感器信号连接到HP-HM，以显示频率和旋转角度。在驱动初始状态下，驱动器输出占空比为50%的PWM信号。
当霍尔传感器输入信号频率变为5Hz或更高时，PWM输出由50%占空比切换为软启动操作(PWM占空比斜坡)。
启动时与霍尔信号和锁相锁同步的h桥驱动输出分别如图4和图5所示。
5Hz检测由以下顺序执行。有一个200ms定时器(CNT5/DLY5)和一个400ms延迟单元(CNT6/DLY6)用于5Hz霍尔信号检测。上电后CE断言，霍尔传感器输入信号通过上升沿检测器馈入CNT5/DLY5复位。如果霍尔传感器信号频率低于5Hz, CNT5复位DFF0和DFF1;否则，它们的输出保持高，GreenPAK检测到的电机频率超过5Hz。
另一方面，当电机频率降至5Hz以下时，CNT5将DFF0和DFF1复位。除非霍尔传感器信号在200ms内有两个上升边，否则DFF1输出保持低电平以抵消DLY6输出。
图6给出了具体的时序。如图7所示。
时钟同步
为了获得与霍尔信号同步的时钟，锁相环由外部压控振荡器和低通滤波器、内部计数器和相位比较器组成。
VCO时钟除以32,768与HP-HM波形进行相位比较。时钟分压器的数目为32,768，在旋转周期的一半内有128个PWM周期，因此在周期内控制PWM占空比的增加、保持和减少是有意义的。VCO时钟也提供给控制逻辑产生PWM软启动/停止波形。
在恒定旋转频率电机应用的情况下，您将不需要锁相环。亚博国际官网平台网址你只需要编程PWM软启动/停止计时计数器。
由于GreenPAK (SLG46620V)具有固定的程控时间，霍尔信号输入频率被假定在5到10Hz范围内，这表明VCO频率大约在160k到320kHz之间。在锁相环中有一个延时时移，这取决于锁的频率。因此，用于定时调节的霍尔信号的输入频率范围是有限的。
软启动操作
软启动逐渐增加驱动信号的PWM占空比，在本设计中，在每个HP-HM上升/下降沿触发。该操作通过与HP-HM同步初始化FSM0和FSM1来控制。FSM1时钟慢于FSM0时钟。初始化时，FSM0和FSM1都被设置为可编程计数器值。通过DCMP0进行比较，产生PWM占空比。在CNT7/DLY7中，PWM占空比增加率由计数值控制。
恒脉宽调制占空比操作
当PWM占空比达到DCMP1寄存器定义的值时，PWM参考计数器CNT4/DLY4保持其值，直到DFF6输出(保持CNT4/DLY4信号)复位。
软停止操作
PWM软停止是由与图8中的锁定信号同步定时触发的，在那里你开始降低PWM占空比向霍尔传感器信号过渡。
这个时间依赖于锁相环锁延迟。因此，在外部器件选择好，锁相环波形确定后，需要对其进行调整。当占空比达到由DCMP1寄存器定义的最低时，占空比保持不变，直到下一个软启动触发器发生。
PWM控制配置
在这个应用中有三种PWM: 50%占空比产生，最小和最大占空比定义和PWM驱动信号产生。PWM周期由图4中计数值和时钟源到FSM0所决定。PWM占空比由图9中的FSM1控制，其时钟源为CNT7/DLY7。如果你想要不同的斜坡速度增加和减少负荷，增加另一个CNT/DLY单元。此CNT/DLY和CNT7/DLY7必须按照FSM1的UP引脚复用。
保护功能
有三种保护功能包括:锁定(旋转卡死)检测，过流检测和欠压锁定(UVLO)。还有一个热关闭输入引脚，以抵消所有的输出引脚与“高”输入。
转速用霍尔信号频率表示。当霍尔信号频率小于5Hz时，认为电机处于锁定状态。
当直流电动机的扭矩大于它所能容纳的扭矩时，旋转停止，电源电流增加。为了避免过多的电流漏出，锁检测是通过一系列的逻辑块来实现的，其中霍尔信号频率与400ms频率信号相比较。
如果旋转卡住，输出驱动器将暂停至少4秒。
保护的基本思想是通过压低闸极来关闭h桥晶体管。在正常运行时，OUT3和OUT4在每次HP-HM过渡后驱动高栅1ms，让再生电流流动。
h桥的过流检测是通过与h桥串联到GND的外部分流电阻实现的。在图10中，分流电阻两端的电压由ACMP1监测，在其输出端实现了微秒的短延迟，以便在切换后立即忽略涌流。
图4中的ACMP0为UVLO，其中VDD除以内部分压器与参考电压进行比较。TSD(热关闭)是一个逻辑输入，对h桥的所有输出驱动器引脚进行负向。你也可以使用另一个ACMP来检测热敏电阻的模拟电平。
波形
PWM软启动/停止操作截图分别如图11和图12所示。在霍尔传感器信号(HP-HM)过渡时，PWM输出(OUT2)开始增加占空比。
在一个点，由管道延迟定义，PWM输出开始减少其占空比。通过对该延迟进行经验调整，使软停止在下一次HP-HM过渡之前完成。
在这种情况下，PWM占空比的增加/减少率由CNT7/DLY7计数值决定。您可以通过使用两个不同的计数器值来独立设置这些比率。
CH1(黄色):着干活
CH2(浅蓝色):OUT2
甲基(粉红色):OUT3
CH4(蓝色):OUT4
结论
采用SLG46620V (GreenPAK4)设计了一种适用于单相无刷直流电机的GreenPAK配置。为了灵活性，VCO和锁相环被合并，以输出与旋转角度同步的驱动信号。利用计数器和PWM控制器实现了PWM软启动/停止操作。