直流电动机控制专用集成电路

尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其他电动机的 挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置  伺服控制最优先的选择。因为它具有良好的线性特性、优异的控 制性能、高的效率等优点。特别是在中小功率系统中，常采用永  磁直流电动机，只需对电枢回路一个回路进行控制、电子控制电  路相对较简单。而无刷直流电动机、步进电动机、交流异步电动 机或开关磁阻电动机都是多回路的控制，电路要复杂得多，由于  需要更多的功率开关器件，使成本相应增大。虽然直流电动机存  在电刷磨损、换向火花等对可靠性不利的因素和需要较多的维护， 但对于许多实际的应用来说，用现代技术制造的直流电动机的可  靠性还是足够的。为适应小型直流电动机的广泛应用需要，各国 半导体厂商推出了大量的直流电动机控制专用集成电路。

对于永磁直流电动机或他 励直流电动机，其等效电路见图 2-1。反电动势E, 可看作可变电 压源，它和电动机转速n 成正比 关系。电磁转矩T.  与电枢电流 1.也呈正比关系。电枢电阻R   通常较小，在电动机起动和堵转

图2-1 直流电动机等效电路

时有一定的限流作用。电枢电感La对动态性能有影响，当电动机 以开关式驱动，例如，以脉宽调制方式驱动时，对电流脉动起平 滑作用。如果对直流电动机外施电压V,   其电压方程式为

式中 KE 、KT—— 反电动势常数和转矩常数。

1.线性放大型驱动和开关型驱动方式  为了控制直流电动 机，需用半导体功率器件进行驱动。对于微小功率，数瓦以下的 电动机，常采用线性放大型驱动方式。如2.10节所述的小型收录 机的电动机驱动，功率器件工作于线性放大区，因此系统效率较 低。大多数直流电动机驱动集成电路则采用开关型驱动方式。其 中，又以定频脉宽调制 (PWM)    为常见。

按照直流电动机转矩(电流)-转速图，可区分此种电动机的 四个运行象限，见图2-2。第 I 和 第I 象限是正转或反转电动机运 行状态，第IV和 第I 象限分别是正转或反转再生制动运行状态。由 于控制系统主电路结构不同和控制方式不同，可实现单象限、二 象限、四象限工作，和单极性、双极性工作方式。

(1)单极性单开关管驱动：图2- 3所示的驱动电路，只需要-一个功率 开关管 VF 和一个续流二极管 VD。 当VF 导通 (ON)  时，电流上升。当 VF 截止(OFF)  时，电动机与二极管 VD 组成续流回路，在反电动势作用 下，电流续流并逐渐下降。改变开关 占空比，调节电动机端电压平均值  从而可进行调速。由于电流单向，转 速方向不变，故此电路称为单极性斩 波电路。它只在单象限工作 (I   或

象限),无制动状态。控制开关的PWM 信号可由TL494 等开关电源脉宽调制器集成电路产生。

(2)双极性H 桥驱动：若要求被控电动机可在双方向工作，即 能正反转运行，可采用T 型主电路或H 桥主电路驱动。T 型电路 是两个功率开关串接到两个电源之间(正电源和负电源),其中点 接电动机，电动机另一端接地，相当于半桥驱动方式。此种方式 在集成电路驱动中用得很少。

最常见的集成电路驱动双向工作的是H 桥方式。由于控制方 法不同，它又可分为两象限工作和四象限工作两种情况。

图2-4表示了一种两象限H 桥驱动电路。在此电路中，外来 两个控制信号：PWM  和 Fwd。由 PWM  信号调制下桥臂开关，而  方向信号Fwd 用来控制上桥臂两个开关。当Fwd 为高电平时， VF₃ 和 VF₂ 两个开关截止，VF, 导 通 ，V₄ 被斩波调制，电动机电  流从左到右。反之，Fwd 为低电平时，VF₁ 和 VF₄ 截止，VF₃ 导  通，VF₂ 被斩波调制，电流反向流过电动机。实际上，在正转或反  转情况下，与上述单开关管驱动相类似，没有制动状态。它工作 在第I 或Ⅱ象限。对这种方式，要注意一个问题，需要电动机反  转必须待转速降到零后，才能实施Fwd 改变的命令、否则会引起大电流出现，损坏功率器件和电动机，而且此大电流用图2-4所示 的限流方法不能奏效。安全的反转程序应这样：先将 PWM 信号 变为零电平，延迟一段时间，使电动机足以停下来，或对反电动 势进行检测监视，确实到零后，才改变Fwd, 再起动电动机。对 于像风机、泵类负载，用两象限工作比较合适，加速性能、效率 都比四象限工作方式要高。

对于有较大转动惯量、较小摩擦转矩、希望快速反转的场合， 适宜采用四象限工作方式。此时四个桥臂开关都被PWM 控制。动  态制动使电动机能快速反转。

从H 桥 PWM  控制的角度来看，通常按照四桥臂功率开关在 正向和反向驱动时的通断组合方式不同，分为双极方式、单极方 式和受限单极方式。

图2-4所示的H 桥结构部分，由四个功率开关和四个续流二  极管组成。双极方式的特点是四桥臂对角线两组开关分别控制， VF₁   和 VF₁   为一组同时导通或关断，VF₂    和 VF₃   为一组，也同时  导通和关断，在任一时刻最多只允许有一组是导通的。最简单的 控制是，在一个开关周期内，首先是第一组 (VF₁  和 VF₄)  导通， 电动机两端A 和 B 施加正向电压，然后转变为第二组 (VF₂  和VF₃) 导通，电动机两端施加反向电压。由此两种状态所占时间份  额多少决定平均电压是正还是负，平均电流是正向还是反向。当 两种状态相等时(1:1),相当于平均电压为零，电动机停转。双  极方式存在可能出现上下桥臂直通问题。为此两状态之间插入  “死区”状态，即短时间四桥臂都截止的状态。像 MC33030 的  PWM 控制那样，采用双比较器的窗口比较器产生对四桥臂控制， 实现带死区的双极方式PWM 开关控制。双极方式PWM 控制在  直流电动机专用集成电路中用得最多，例如后述的UC3637 、 L292、TAL955等。

单极方式PWM 控制是这样的：要正转时，将VF, 导通，VF,    和VF₂ 交替开关，由占空比决定正转平均电压；要反转时，改换  成VF₂ 导通，VF₃ 和 VF₄ 交替开关，由占空比决定反转平均电压。 分别观察在正转或反转两种情况工作时，电动机端电压的极性不  会改变，因此称为单极方式(参见SG1731 集成电路的说明)。

对于受限单极方式PWM 控制.在正转时，VF₄ 导通，VF, 和 VF₃ 截止，仅VFi 受 PWM 调制；在反转时，VF₂ 导 通 ，VF,  和 VF₄ 截止，仅VF₃ 受 PWM 调制。这样，上下桥臂没有直通的危 险。这种方式可靠性比较高，但没有制动状态，只可工作于I、

两个象限。这就是图2-4所示的工作方式。

2.速度控制与速度信号的检测 如上所述，利用专用集成电 路控制直流电动机，开环控制是简便的。通常向集成电路输入可  变指令电压，即可控制功率级输出给电动机的电压幅度，有些电  路甚至可输入带极性指令电压，可控制电动机正反转及其转速。对  于有电流环的电路，由输入指令电压可控制电动机输出正的或负 的转矩。L292 就是这样的例子。由于是开环控制，转速稳定度差。

但是，大多数应用中还是要求被控转速有一定的稳定度，闭 环控制经常被采用。高精度的稳速闭环控制，其中之一是采用锁 相环控制技术，这部分内容在第4章中叙述。稳定度要求一般的， 例如士1%左右或以下的，通常应用模拟型速度闭环控制，典型框  图见图2-5。在这样的系统中，需要一个反映转速实际值的模拟量电压，它的幅值与实际转速成正比，极性反映转向。此测速电压 与代表给定转速的基准电压相比较，产生误差电压。后者经放大 和校正后去控制功率级，驱动电动机。闭环结果，使给定转速与 实际转速之差减小。这是传统的闭环反馈概念。现在已集成的专 用电路大多数包含了此反馈系统的主要环节。

在本章所述的应用专用IC 组成的速度控制系统中，速度检测 方法大体可分为两大类：

(1)模拟电压测速：它包括最常见的直流测速发电机。它给 出能反映转速大小和方向的双极性直流电压。对于对测速精度要  求稍低而注重考虑成本的场合，另一个办法是采用“测速桥”技  术。它的实质是从电路中检测出电动机的反电动势，因为直流电  动机反电动势与转速成正比关系(参见2.9节和2.10节的说明)。

(2)频率测速：用增量式光电编码器测速是常见的方式。它 的输出频率与转速成正比关系，再利用它输出的两个正交通道信 号相位关系可确定转向。其他相似功能的测速器，包括使用开槽 圆盘和光电接收器的光电脉冲发生器，用霍尔集成电路和钢制齿 轮构成的霍尔测速脉冲发生器，或结构简单的单相永磁交流同步 测速机等，这些统称为频率发生器(FG) 。这些FG 通常只给出单 通道频率信号，适用于单转向速度控制。在TDA7272 集成电路 (参见2.8节)中，利用少槽微型直流电动机电流中包含的转速频 率信息，将此交变分量分离出来获得测速频率信息。

通常利用F/V  变换电路将FG 频率信号变换成模拟电压信 号。目前有许多专用的高精度F/V 变换集成电路(如 LM2917  等),供用户选择。而在直流电动机专用集成电路中，例如 TDA7272 、M51970L 、TCA955 等使用FG 作频率式速度检测的 集成电路，内部已包含了一个F/V  环节。这些F/V  环节的工作原 理是利用FG 频率形成脉冲来触发一个单稳态电路，单稳态电路 输出一个脉宽恒定的，频率与FG 相同的脉冲方波信号，此信号占 空比与频率呈正比关系。此方波送入低通滤波器，经滤波后得到 的直流分量电压与转速成正比关系。在下一章无刷直流电动机专 用集成电路中介绍的MC33039 电子测速器，其中也包含由单稳 态触发器组成的F/V  变换电路(详见有关集成电路的说明)。

L290 转速/电压变换器集成电路的F/V  变换原理有独特之 处。它接收从增量式光电编码器送来的两路正交正余弦波形信号， 经微分网络、乘法器和加法器运算处理，得到有极性的测速电压 信号(详见第2,3节)。与由上述FG 单稳态触发器构成的F/V  变 换电路相比，L290 的转速/电压变换有明显的优点：

(1)输出电压纹波小，纹波频率是输入频率的4倍，可以采 用较小时间常数的滤波器，对系统带宽影响较小。

(2)转速检测快速性较好，使系统动态性能良好。作为对照 的，像TAL955  电路那样，为了解决低通滤波器带来的响应迟缓 问题，增加了一个预充电环节(详见此电路的说明)。

(3)输出电压极性反映了转向。因而可用于双向速度控制和 位置伺服系统。

3.保护电路 在直流电动机控制专用集成电路中，或多或少 地设置了一些保护功能电路，例如限流电路、欠电压或过电压保 护电路、输出短路保护电路、芯片过温保护电路等，以保障系统 能正常工作，保护本芯片及关键器件不受非正常工作损坏。

由于直流电动机自身特性，在起动过程或过载时，会出现过 电流。因此系统设置限流电路是首要的。如MC33030 、TDA7272、UC3637 、L292 等集成电路都有限流功能。其原理可用图2-4的例 子来说明。电动机负载电流流经R.,此电阻作为电流检测电阻，过  电流引起此电阻压降上升，在比较器中与预先设定的基准电压  Vre比较，超过此阈值后，比较器翻转，触发RS 触发器，封锁PWM   信号，使后面的H 桥四桥臂开关断开。待下一个PWM  信号前沿  到来，RS 触发器返回，电路才恢复。如果在新的 PWM 周期里， 电流上升又超过预定值，则再一次重复关闭过程。通过这种方式  可实现斩波限流。要注意的是，对于不同的电路结构，这样的电  流采样方式，也许不能检测出制动状态、电动机突然反转时出现  的过电流。此时，需另外设法检测和限流。

上述限流电路只是限制输出电流，因而只限制了电动机输出 转矩，而没有停机。另一种电流保护控制，是过电流停机保护。当 电动机过电流时，经过一段时延，如果过电流仍然存在，就会把 过电流信号触发RS 触发器翻转，封闭末级的功率开关，让电动机 停转。此触发器作为过电流记忆用。只有外界施加复位信号方能 重新起动工作。这里设计了一段时延，是为了避免因电动机正常 起动过电流而引起系统停止工作。显然，功率开关必须有短时耐 受起动过电流能力，这是要注意的。MC33030 集成电路采用了这 种过电流延时关闭的方案。

表2-1是各国半导体厂商生产的部分直流电动机控制、驱动 专用集成电路一览表。这些电路中，有些属于控制器电路，需外 接功率开关才能驱动直流电动机；有些已包含功率驱动部分，一 般驱动能力为0.5～2A(连续工作电流),它们已属于智能功率开 关集成电路范畴。其中三洋电气公司生产的STK  厚膜电路模块可 提供更大电流和功率。

表2-9还给出日本松下电子公司一些直流电动机控制集成电 路，表2-10给出收录机常用直流电动机稳速驱动集成电路主要技 术数据。

部分直流电动机控制专用集成电路一览表