电机控制专用集成电路

电机控制、运动控制系统可分为开环控制和闭环控制。对于 闭环控制，控制系统的作用是使被控机械的运动与输入指令、期 望的运动参数相吻合。典型的控制系统见图1-2。它表示了一个完  整的电机控制系统，包含A 、B 、C等8个基本的功能单元。控制 环前进通道有3个单元：接口单元A 、控制单元B 和功率驱动单 元C。外接的指令信号源有多种形式，可能是由计算机、微处理器、 运动控制器发出的数字指令，接口电路的总线、 D/A  转换器  (DAC) 的接收和转换；也可能是由人工操作的开关或调节的电位  器，向B 单元送入相应的控制信息；还有就是各种传感器送来的 运动参数实测值的反馈信息。控制单元B 利用这些信息，以模拟  或数字方式进行比较、运算、变换、放大和校正，向C 单元输出 变化的电平信号，或PWM  开关信号，或一定时序的换相信号。功  率驱动单元C, 则按被驱动电机和工作模式不同，选择不同的电路  结构：功率放大器，单侧功率开关，半桥、全桥或三相逆变桥等。 控制环的反馈通道包括4个单元，它们是局部反馈单元D 和E, 系 统反馈单元F 和 G 。D 单元实际是指电流负反馈(或电压负反  馈),形成内环，以改善系统运行性能。而E 单元是专为无刷直流  电动机、开关磁阻电动机而设的转子位置传感器信息通道，它向  控制单元B 提供转子位置实时信号，产生正确的换相顺序，在梯  形波控制方式的同步型交流伺服电动机控制系统中，还为合成电  流反馈信号的形成提供必要的信息，也为合成模拟型测速电压提  供必要的信息。由E 单元给出的信息，在F 单元可以转换为正比 于转速的频率信息。而系统反馈单元G 是指利用测速装置和位置  传感器等产生系统外环反馈信号。最后一个H 单元是自保护单  元，它是双向的，对半导体器件或电机的温度、电流、电压等进  行检测和监视，对故障进行判断，或产生报警信号向上位机作出  报告，或直接关断功率输出级。

这8个功能单元的电机控制系统都可以用一片或多片集成电 路来完成，这些集成电路就是本书将要介绍的电机控制专用集成 电路。包含功率驱动单元C 和某余全部或部分单元的是电机专用 控制-驱动器集成电路，它们也是智能功率集成电路的一类。由于 输出能力的限制，它们目前还只能用于小功率电动机的控制和驱 动。不包含功率驱动单元C,但包含其余若干个功能单元的是电机 专用控制器集成电路，虽然在应用时需要外加功率器件(可以是 分立的功率器件，也可以是集成的功率器件),但增加了使用灵活 性，可用于更大功率电动机的控制。

美国 MOTOROLA  公司的智能功率集成电路取名为 SMARTMOS。其输出级电压范围是儿～几百伏，电流是几百毫安 ~几安，最大功率为60W 。MOTOROLA 在日本的公司，生产了 SMARTMOSJ   系列智能功率集成电路，用于下列电子机械产品 的电动机控制：

OA 机 器 ：FDD 、HDD 、ODD 、CDROM 、CDI 等；

AV (音像)机器：便携式的VTR、CD、MD、   摄像机；光学机器：摄像机、变焦距镜头驱动。

图1-3表示此系列产品的原理框图。从此图可以初步了解当 代电机控制用智能功率集成电路的基本构成。它具有一定的典型 性。集成电路内部包括6个基本电路部分。它的输入电路通常接  收从CPU  来的数字信号指令，接口电路是TTL/CMOS   电平兼容  的。输出级是采用功率MOSFET  的功率开关电路，它可能是H 桥  结构(1～4个H 桥不等),可用来驱动一台或多台有刷直流电动 机、音圈电动机、多相步进电动机；也可能是三相逆变桥结构，可 用来驱动三相无刷直流电动机。在栅极驱动电路中，包含有电平  移动和充电泵电路，产生功率开关桥上侧N 沟道 MOSFET  需要  的栅极驱动电平。控制电路含模拟控制、PWM 控制或其他控制。 保护电路包括输出过电压、过电流、控制电源欠电压、输出短路  和过热等保护。辅助电路是供选用的，可能包括串联调压稳压电  路、DC/DC 转换电路等。

美国、日本和欧洲许多知名半导体厂商生产了大量的电机控 制、运动控制专用集成电路。以日本东芝公司为例，它生产了各 种小功率电动机(如直流电动机、音圈电动机、无刷直流电动机、 步进电动机)的专用集成电路、控制用F/V  变换电路、频率  (F)  伺服电路、锁相伺服电路 (PLL)   和专用电机功率驱动电路 等。表1-3给出了该公司的电机控制专用集成电路在一些电子机 械应用情况。从表可知，计算机外围设备、办公室自动化设备、音 像娱乐设备、家用电器等机电一体化电子机械是电机专用集成电 路的重要应用领域。这些电子机械往往要求体积小、重量轻、控 制功能复杂、精度要求高、耗电小(特别是由电池供电的)、工作 可靠耐用，这正是电机专用集成电路大显身手的地方。表中的 “霍尔电动机”是指用霍尔元件为转子位置传感器的无刷直流电动 机；“桥式驱动”是供给直流电动机驱动用的桥式功率驱动集成电 路 。

每一类电机的专用集成电路中，相当一部分是 为特定电子机器设计的，另外一些则是通用型的，特别是那些不 带功率驱动级的控制器集成电路，使用起来会有更大的灵活性。读 者可按照自己要控制对象的不同，进行选用。通常的设计工作只 是选择好外围元件参数及前后接口，就可以方便地构成一个需要 的控制系统。硬件工作量大大减轻了，主要精力可转向控制软件的设计。

此外，各厂商推出的专用集成电路，其电气原理图是经过优 选的，经过实践证明是优良的，有较高的先进性、典型性和可靠 性。我们学习和分析这些集成电路的原理框图、组成部分的结构、 设计思路、控制方法，就可以了解到此类电机的当代比较优秀的 控制方式，为在相关的电机控制、运动控制设计提供有益的启示和借鉴。

日本东芝公司电机控制专用IC在电子机械中应用示例