Интегрални драйвери за постояннотокови електродвигатели

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 1, 2012

Масовото разпространение на съвременните постояннотокови електродвигатели с малка и средна мощност, управлявани от електронни устройства, доведе до създаването на множество специализирани интегрални схеми (ИС) за тяхната реализация, както и на нови начини на използване за целта на универсалните ИС. Един от класовете специализирани ИС са драйверите, на които е посветена статията.

Мястото на драйверите в управлението
То може да бъде изяснено чрез опростената структура (фиг.1) на управляващо устройство на постояннотоков електродвигател. Мощното стъпало Pwr осигурява необходимото напрежение и ток на намотките на електродвигателя М, като за работата му от предварителното стъпало Predr се подават подходящи електрически сигнали. Техният вид и последователност във времето се определят от контролера Contr и свързаните към входовете му In външни блокове, например памет със записана програма или мрежов модул. Филтърът F не позволява възникващите по време на работата смущения в блоковете да се прехвърлят към свързания на входа DC източник на захранване.

Съществуват два основни начина за реализация на блоковете Predr и Pwr. Първият е те да представляват една ИС с наименование драйвер за електродвигатели (Motor Driver), който се използва за неголеми мощности. При втория само Predr е ИС, докато Pwr се реализира с дискретни мощни транзистори, които в съвременните устройства са най-често MOS с индуциран канал или биполярни с изолиран гейт (IGBT). Очевидно, чрез този начин могат да се управляват значително по-мощни електродвигатели.
Полезно е да се има предвид, че вече се появяват ИС, съдържащи блоковете Contr, Predr и Pwr, което е сериозна крачка към по-нататъшно намаляване на размерите на управляващите устройства. Пример е анонсът на ZMDI за предстоящо пускане в масово производство на интегралната схема ZAMC4100, съдържаща два чипа в корпуса си и управлявана чрез широкоразпространения в автомобилостроенето интерфейс LIN (вход In на фиг. 1, повече подробности за LIN интерфейса можете да намерите в статията “Мрежата LIN”, бр. 2/2010 на сп. Инженеринг ревю). Схемата осигурява едновременното управление на три електродвигателя и четири активни товара (нагревател и светодиодни лампи).

Универсални драйвери
Това, в известна степен, условно наименование (DC Motor Driver) показва, че те могат да бъдат използвани не само за управление на различни видове постояннотокови електродвигатели, но и на други товари, например за задействане на електромагнитите на изпълнителни механизми (Actuator), осветителни тела и нагреватели. Идея за основната структура на техните ИС е дадена на фиг. 2, където S1-S4 са мощните транзистори, които обикновено са MOS с индуциран канал и сравнително по-рядко - биполярни транзистори.

Те са свързани по мостова схема (H-Bridge), в единия диагонал на която (извод +Us и GND) се подава постоянното напрежение за захранване на електродвигателя, а той се свързва в другия (изводи OUT1 и OUT2). Транзисторите образуват блока Pwr на фиг. 1, а останалата част е блокът Predr. Те работят като ключове, чието отваряне и затваряне се управлява от изхода CLOUT на логическия блок CL, който от своя страна реагира на логическите нива на входната шина CON. Свързването на електродвигателя се прави по такъв начин, че при затваряне на S1 и S4 токът им от извод +Us и през резистора RCS към масата GND да завърти ротора в права посока (Forward). Когато се затворят S2 и S3 токът сменя посоката си и роторът се завърта обратно (Reverse). Смяната за кратко време на посоката на тока обикновено се използва за бързо спиране (Fast Decay Mode) на електродвигателя, но има възможност и за по-бавно спиране (Slow Decay Mode), или режим “спирачка“. То се осигурява чрез затваряне на S1 и S2, при което електродвигателят се дава накъсо и електромагнитната енергия в намотките се превръща в механична за спирането. В много практически случаи управлението на S1-S4 предвижда едновременното им отваряне за изключване на електродвигателя (Free, Coast).

Оборотите на електродвигателя са правопропорционални на неговия ток, който от своя страна създава напрежение върху резистора RCS, подавано между извод CS (от Current Sensing) и GND. То може да се използва за измерване на оборотите. На фиг. 2 резисторът е вграден в ИС, но има и случаи на външното му свързване. Съществуват ИС с два резистора поотделно за токовете на S1 и S2, т. е. в права и обратна посока на въртене на електродвигателя.

Зависимостта на оборотите от тока позволява и регулирането им в широки граници. Това се прави като токът представлява правоъгълни импулси с променлив коефициент на запълване d, т. е. оборотите се регулират чрез широчинно-импулсна модулация (PWM) с две разновидности. При първата (Sign/Magnitude PWM) чрез логическото ниво на един от изводите на шината CON се задава посоката на въртене (горната времедиаграма на фиг. 3а, като означената номерация на изводите е за ИС от ред 5 на табл. 1), а на втори извод постъпват импулсите (втората времедиаграма). Увеличаването на техния d означава по-голяма средна стойност на тока и, съответно, на оборотите. Това се вижда от последната времедиаграма, като лявата й част е за въртене в права посока, а дясната - в обратна.

Втората разновидност (Locked Anti-Phase PWM) осигурява въртене в права посока при d>0,5 (средните времедиаграми на фиг.3б) и в обратна посока при d<0,5 (десните времедиаграми), докато при d=0,5 средната стойност на тока е 0 (левите времедиаграми) и въртенето спира. От действието на мощните полеви транзистори с индуциран канал е известно, че между дрейна и сорса им реално има диод (Body Diode), който се отпушва при отрицателно напрежение дрейн-сорс. В някои от режимите на работа на S1-S4 тези диоди се отпушват и токът през тях води до значителна отделена мощност поради напрежението им (около 0,6 V). За нейното намаляване се използва специфичен вид управление (Synchronous Rectification), при който се отпушва съответният транзистор и токът протича през малкото му съпротивление RDSON. Така мощността и отделяната топлина намаляват.

За предпазване на Pwr и, съответно, на целия драйвер е предвиден блокът PR с две разновидности. Първата е максималнотоковата защита (Overcurrent Protection, OCP), която прекъсва веригата на товара при ток през него над определена стойност. Втората разновидност е с аналогично действие, но при температура във вътрешността на ИС над определена стойност. В някои ИС е предвидена допълнителна възможност - при по-малък ток или по-ниска температура на извод PRO да се получи логическо ниво (“предупреждение“) без работата да спира. Веднага трябва да се прибави, че при конструкцията на корпуса и ползването (например монтиране върху радиатор) се взимат мерките, познати от други полупроводникови прибори. В някои каталози се дават препоръки за охлаждането на ИС, един пример за каквато е на фиг. 4, показваща монтирането на ИС от ред 1 на табл. 1 върху 4-слойна печатна платка. В зависимост от модела на драйвера се използва една от защитите, а в немалко случаи - и двете.
Необходимите захранващи напрежения UR на блоковете на драйвера се осигуряват от стабилизатора REG на фиг. 2, а даденият с прекъсната линия блок СР се използва само когато S1-S4 са MOS транзистори. Той представлява преобразувател с натрупване на заряд (Charge Pump), който превръща UR в необходимото за гейтовете на S1 и S2 по-високо постоянно напрежение (на извод HSG). За нормалната му работа между изводи СР1 и СР2 трябва да се свърже кондензатор с капацитет десетина nF (стойността му се дава в каталозите).

Съществуват ИС, които вместо мост съдържат няколко двойки транзистори (полумост, Half-Bridge), всяка със свързване както S1-S3 и S2-S4 на фиг. 2. Те се използват главно за управляване на два или повече електродвигателя, пример за което е даден на фиг. 5. При затварянето на S1 и S4 завърта М1 в права посока, а при затваряне и на S5 се завърта М2 в обратна посока. Така за управляването на двата електродвигателя са достатъчни 6 транзистора вместо 8 при използването на два моста.

В табл. 1 са дадени основните параметри на ИС на универсални драйвери. Минималната стойност Usmin на напрежението Us обикновено се определя от блок UVLO (Undervoltage Lockout) в ИС, който при по-малко напрежение изключва електродвигателя. Консумираният ток от ИС е Is, максималният осигуряван ток на електродвигателя за неограничено време е Io, а най-голямата му импулсна стойност Iop е с продължителност, която се дава в техническата документация - обикновено няколко десети от секундата. С RDSON е означено съпротивлението на затворените ключове, което нараства с температурата, а fPWM е максималната честота на импулсите с PWM. Вместо RDSON в драйверите с биполярни транзистори се дава тяхното напрежение на насищане колектор-емитер Usat. С tPU в колона 8 е отбелязано времето от подаване на захранващото напрежение на ИС до започване на нормалната й работа, а tUV е от получаване на напрежение под UVLO до изключване на товара.

Особеност на ИС в ред 2 е управляването й с интерфейса SPI, докато импулсите с PWM се подават отвън. Високата й максимална работна температура се дължи на технологиятата й на изработка SOI (силиций върху изолатор). Токът Io на драйвера в ред 4 може да се програмира в дадените в колона 6 граници чрез двуразредно двоично число. Драйверите в редове 7 и 10 са с LDMOS мощни транзистори, като S1 и S2 на фиг. 2 са NMOS, а S3 и S4 - РMOS. За драйвери от подобен тип е прието като RDSON да се дава сумата на съпротивленията на последователно свързаните с електродвигателя NMOS и PMOS транзистор. Драйверът в ред 9 използва n-p-n биполярни транзистори, всеки с диод между колектора и емитера.

Драйвери за колекторни електродвигатели
Принципна разлика между тези драйвери (Brushed DC Motor Drive) и универсалните няма, но за изменение на оборотите се използват и други видове PWM, освен класическата. Най-често използваното управление е с неизменен ток (Constant-Current Control), при който отрицателните управляващи импулси са с фиксирана продължителност (Off-Time). В табл. 2 са дадени основните параметри на драйвери, като тези в редове 2 и 3 използват като S1-S4 биполярни n-p-n транзистори. Друга особеност са драйверите в редове 4 и 5 с по два моста, позволяващи независимо управляване на два електродвигателя. В драйвера на ред 3 не е предвидена възможност за регулиране на оборотите. Даденият в ред 5 може да работи с външни импулси с PWM (максималната честота е в табл. 2), но има и вграден генератор с 50 kHz. Освен това, чрез двуразредно двоично число могат да се задават 4 стойности (едната е 0) като части от тока Io в табл.2.

Драйвери за безколекторни електродвигатели
Тези електродвигатели имат за ротор постоянни магнити с редуващи се и равномерно разположени по периферията им полюси, а колекторът е от разположени на равни разстояния намотки, чийто брой е равен на този на магнитите. Чрез сензори на Хол или използване на обратното е. д. н. на намотките, те се активират в подходящи моменти от времето с необходимата полярност, за да привличат полюсите, с което се осигурява въртенето на ротора. За захранване на намотките могат да се използват универсални драйвери или опростени техни разновидности, но съществуват и специализирани ИС (BLDC Motor Driver). Най-често те са за електродвигатели с една (Single-Coil), две (Two-Coil) и три (Three-Coil) намотки. Примери за тях са дадени в табл. 3.

Драйверът в ред 1 е с вграден сензор на Хол и е предназначен за еднополюсни електродвигатели, създаващи вибриращ сигнал в мобилни устройства (например GSM апарати). Посоката на тока през единствената намотка периодично се променя (както се сменя посоката на въртене от универсалните драйвери) така, че създаденото магнитно поле да привлича близкостоящия полюс на ротора. Оборотите могат да се регулират чрез импулси с PWM, като наличието им включва електродвигателя, а липсата им го спира.

Драйверите в редове 2, 3 и 5 също са с вградени сензори на Хол, но са предназначени за електродвигатели на вентилатори, съответно, с една, две и три намотки. Първата им специфична особеност - реакцията при механично блокиране на вентилатора, е изяснена чрез вида на изходните импулси на фиг. 6. До момента t1 е нормалната работа и в него електродвигателят блокира или оборотите му намаляват под 60 в минута, но токът през намотката продължава да тече. След времето TON токът спира и след TOFF драйверът опитва да включи електродвигателя. Ако блокировката не е премахната, процесът се повтаря.

Допълнителна особеност на драйвера в ред 2 е наличието на изход за импулси с честотата на въртене на електродвигателя. Драйверът в ред 3 е с аналогично действие, но на допълнителния извод има логическа 0 при нормална работа и логическа 1 при спиране. Драйверите в редове 4-7 са за 3-фазни електродвигатели, всяка от намотките на които се задейства от един от полумостовете. Вместо чрез сензори, положението на ротора се определя от възникващото обратно е. д. н. в намотките и управлението (от Contr на фиг. 1) се осъществява в съответствие с широко разпростанения метод Field Oriented Control (FOC). Оборотите на драйвера от ред 4 се регулират чрез захранващото напрежение или импулси с PWM на специален извод на ИС, тези на драйвера в ред 6 се регулират чрез честотата на импулсите от Contr, а на този в последния ред - подобно на драйвера от ред 1, но коефициентът на запълване на импулсите се задава чрез външно постоянно напрежение и има 128 стойности.

Други драйвери
Те са основно с битови приложения и затова ще бъде даден само по един пример от всяка разновидност. Първата са електродвигателите за фотоапарати и камери, които могат да се използват и за маломощни (до около 1 W) нисковолтови електродвигатели. Пример е SiP42104 на Vishay Siliconics, която съдържа стъпалата Contr, Predr и Pwr на фиг. 1, като последното е мост с NMOS транзистори с индуциран канал. Работи с Us между 2,3 V и 4,2 V, осигурява Io=0,25 А и има размери 1,6x1,6x0,6 mm. Втората разновидност са драйвери за дискови устройства с пример BD7998EFS на ROHM Semiconductor. Блокът PWR на ИС е с 6 изхода, например за захранване на три електродвигателя (единият с три намотки) и намотките на два изпълнителни механизма. За работата на ИС са необходими две напрежения от +5 и +12 V, сумарният ток на всички изходи е 3,5 А, а размерите са 18,9x9,5x1 mm. Третата разновидност са драйверите за електродвигатели с постъпателно движение (Voice Coil Motor) с основно приложение за задвижване обективите на фотоапарати и камери. Пример е A3904 на Allegro Microsystems, която осигурява на товара напрежение между 2,4 V и 5,5 V и ток до 127 mA, чиито стойности се задават чрез I2C интерфейс със стъпка 0,5 mA.

Предварителни стъпала за драйвери
В зависимост от вида на мощните транзистори в блока Pwr, те се разделят на две групи – за NMOS транзистори и за IGBT, но някои от последните могат да управляват и NMOS. Основната разлика между двете групи е, че стъпалата за NMOS транзистори обикновено се захранват със същото напрежение както Pwr и товара, което е под 100 V. Стъпалата за IGBT имат отделно захранване от това на Pwr и товара, тъй като последното достига 1200 V.

Предварителните стъпала съдържат блока Predr на фиг. 1 и част от Contr, а другата му част се свързва външно и в зависимост от типа на стъпалото може да е микроконтролер, DSP, интерфейсен модул или специализиран управляващ блок. Важна особеност в структурата и действието на стъпалата се дължи на факта, че управляващите транзистори изискват достатъчно положително напрежение на гейта си спрямо сорса (при NMOS) и емитера (при IGBT), за да работят като затворен ключ. За управляване на замасен товар транзисторът се свързва между него и захранващото напрежение UCC (High Side Connection) и за прилагането му върху товара трябва напрежение на гейта UG по-голямо от UCC (поне с няколко волта повече от праговото напрежение на транзистора). Тъй като в гейта практически не протича ток, необходимото UG се получава от вграден в ИС преобразувател с натрупване на заряд. Това позволява при нужда ИС да работи със значително по-малко напрежение от това на товара, което е особено важно при управление на високоволтови товари чрез IGBT.

За много приложения е особено важна простата схема на управление (включително блока Contr на фиг. 1). Такъв пример за управление на колекторни електродвигатели е даден на фиг. 7. Микроконтролерът е от една от фамилиите PIC на Microchip, а диодът е за предпазване на електродвигателя. Подобна е ИС LT1910 на Linear Technology също за управление на MOS транзистор, която се захранва с напрежение между 8 и 48 V, в които граници е и напрежението на електродвигателя и разполага с вградена максималнотокова защита. От същата разновидност е 1ED020I12-F2 на Infineon, предназначена за управление чрез IGBT на товари с напрежение до 1200 V. Управляващите сигнали са галванично отделени от изхода чрез вградени в ИС миниатюрни трансформатори. Чрез специфично схемно решение максималнотоковата защита се реализира с помощта на резистор в гейта на IGBT.

Втората разновидност на предварителните стъпала е за управление на 3-фазни електродвигатели чрез Pwr, реализирано като троен полумост, идея за чието свързване е дадена на фиг. 8. Тук S1-S6 могат да са NMOS транзистори или IGBT, като S2, S4 и S6 образуват т. нар. Low Side Connection. Вижда се, че ИС има отделни изводи (HS_G) за гейтовете на трите горни транзистора, за техните сорсове (HS_S) и за гейтовете на долните транзистори (LS_G), докато сорсовете на последните са на общ извод, свързан с RSC. За контрол на тока на товара или за задействане на максималнотоковата защита напрежението върху този резистор чрез R1-R2 се подава на усилвател, вграден в интегралната схема.

Пример на стъпало за захранване на NMOS транзистори е АТА6844 на Atmel, работещо с напрежение между 5,25 V и 32 V и температура на чипа до 200 °С. Шината му CON се свързва към микроконтролер, но има и споменатия допълнителен интерфейс LIN. За същия тип транзистори е и ИС 33937А на Freescale Semiconductor с напрежение 6 – 58 V, чиято шина CON се свързва към микроконтролер или цифров сигнален процесор, но има и друга шина за управление чрез интерфейса SPI. За IGBT е серията 6ED Family отново на Infineon, съдържаща шест ИС, различаващи се само по управляващата логика, като електродвигателят може да се захранва с напрежения до 600 V.

Третата разновидност са стъпала за захранване на мостове, чието свързване е аналогично на фиг. 8 (вместо три полумоста има два). Пример за захранване на NMOS транзистори е ИС А4930 на Allegro Microsystems, предвидена основно за управление на BLDC електродвигатели с една намотка и сензор на Хол. Тя и електродвигателят се захранват с напрежение между 8 и 36 V, като схемата има вграден усилвател за сигнала от сензора.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top