MC33030微型直流伺服电动机控制器/驱动器

MOTOROLA  公司生产的MC33030 是一种适用于微型直流 伺服电动机闭环位置控制和速度控制的单片专用集成电路。它包 括了从接收反馈输入信号的误差放大器和参考输入端，直至末级 H 桥功率放大器，过电流和过电压保护在内的完整电路，只要少 量外围元器件即可构成整个系统，实现对直流伺服电动机四象限 开关式控制。

从图2-6框图可见，本芯片主要由下列几部分组成： ·误差放大器。有宽共模输入范围

*窗口比较器。有一定的死区，自动调中基准输入

·有方向记忆的驱动/制动逻辑

·H  桥功率开关。IA  的驱动能力 ·可设置的过电流监测器

·可设置时延的过电流停机 · 过电压保护(18V 动作)

该芯片采用16脚DIP 塑料封装。其中4、5、12、13脚是接 地端，也可接至电路板铜散热片上，以帮助散热。图2-7中给出芯 片热阻、最大允许功耗与铜散热器尺寸的关系。

图2-7 芯片热阻、最大允许功耗与铜散热器尺寸的关系

2.工作原理和在位置何服控制中的应用示例 在图2-6中 给出的典型电气位置伺服系统中，从1脚输入表示指令位置信号 的基准电压。一台微型直流伺服电动机接至H 桥驱动输出的A 和 B 端(14脚和10脚)。它经过齿轮箱等减速机构去带动负载。同 时它还带动一个电位器，作为实际位置反馈。反馈信号从8脚输 入，经误差放大器缓冲后，送给3脚的窗口比较器输入端。

窗口比较器是由两个带滞后回环的比较器A 和 B 组成的。它 们从2脚接收基准输入信号，送至比较器B的同相输入端和比较 器A 的反相输入端。而3脚表示的反馈信号经两个30k2 电阻送 入比较器B 和 A 的另一输入端。同时比较器B 和 A 输入端还受 两个35 μA 电流源的控制产生偏置，以形成死区。窗口比较器的工 作下面将详述。

为了增加系统的柔性，芯片内设置有一个误差放大器。它可 对实际位置信号起缓冲或放大作用。起放大作用时，使控制死区 范围变窄。此放大器输出电流能力为1.8mA, 吸入电流为250 μA。 在本应用示例中，它作为跟随器，驱动窗口比较器输入端。

末级H 开关桥直接驱动直流电动机，并可实现制动。其输出 或吸入电流能力为1A。当需要更大驱动电流时，需外接更大功率 的晶体管开关。后述的速度控制应用将给出这样的例子。

过电流监视电路对电动机起动或堵转时可能出现过大电流进 行监视和保护。H 桥两个上桥臂输出电流的一部分送至电流比较 器反相端。比较器的同相端是接电流的基准值。过电流基准值大 小由15脚的外接电阻Roc决定。此过电流基准值应稍大于正常负 载下的连续工作电流值。当出现过电流时，比较器翻转，有5.5μA 的内部恒电流向接于16脚的延迟电容Cplv充电。待它充电达到 7.5V 的阈值时，将过电流锁存器触发为高电平输出，关闭了H 桥 输出。过电流延迟时间tpl.y(s)由 Cny(paF)    决定。tpLY=1.36CpLY

例如，取Roc=15kΩ,CDLr=0.01μF 。 由产品说明书的输出电流与 过电流基准电阻关系图，查得允许过电流值约500mA。由上式得 tp.y≈1.36×0.01=14ms。

由于上述过电流监视器作用，允许本芯片H 桥在短时间内向 电动机提供较大的起动电流。如果电动机堵转，则经短时间后停 机。采用此芯片的伺服系统不必设置限位开关。当电动机到达极 限位置而堵转时，系统会自动停止供电。应注意CpLy不可过大，过 长时间的过电流可能引起该芯片的过热，甚至永久性失效。过电 流锁存器的复位可采用下列方法：电源重新合闸，或调节接1脚的电位器，使3脚信号进入或穿过死区等。

过电压监视电路使芯片和电机在Vcc大于18V 时关闭H 桥 输出，正常工作电压为7.5～17.4V,   推荐工作电压为14V。

中，波形(1)表示窗口比较器的有关信号。 其中VPIN₂——2脚电压即设置的基准输入电压  V₁~V₄—— 比较器A 和 B的输入门槛电压 V₂——比 较 器A 返回到ON 的门槛电压V——  比较器 A 翻转到OFF 的门槛电压 V₁一—比较器B 翻转到OFF  的门槛电压 V₄——比较器B 返回到ON 的门槛电压  (V₂-V₃)—— 比 较 器A 的输入滞后电压 (V₁-V₄)——   比 较 器B的输入滞后电压 (V₂-V₄)——     窗口比较器输入死区范围I(V₂-VpIN₂)     一 (VpIN₂-V₄)|——     窗口比较器输入的失调电压。只要从3脚输入的信号在共模电压范围之内，V₁ ~V₄   电压总 是跟踪着2脚的基准电压，并以此基准电压为中心，如图2-9的滞 后特性与死区示意图所示。它们的典型值是：滞后电压为35mV,  死区范围为210mV,  失调电压为25mV。

在信号时序图最下方，将时序从左到右分为四种工作状态。假 如，最初实际位置未达到预定位置，即3脚电压VPIna尚低于V₄,比较器B 是 ON 状 态 ，Q 驱动，使驱动输出B 高电平而驱动输出 A 为低电平，有电流从10脚经电动机流向14脚，使电动机正向 旋转加速。待Vpin₃上升到大于V₁,  则进入“死区”状态。比较器 B 翻转到OFF 状 态 ，VpIN₃在图中的虚线范围内时比较器 A 和 B 都是OFF 状态，使制动有效，波形〔6〕的Q 制动为高电平，使 驱动输出A 为高电平，驱动输出B 为高阻态。系统惯性使电动机 继续转动产生反电动势 ·并在下列回路形成续流：从10脚到输出 B的续流二极管，再经Vc 母线到输出 A 的上侧晶体管，回到14 脚。此时电动机就像其两端被短接一样，制动电流产生的制动转 矩使电动机停转。此时VPIN₃停在“死区”波形〔1〕虚线的某个位 置上。

如果系统惯性过大，上述制动不足以使电动机停下来，VpIN;继 续增加，大于V₂ 而冲出了“死区”,进入了“方向A”  状态。此 时，比较器A 为ON 状态，驱动输出A 为高电平，输出B 为低电 平，电动机反向供电。使电动机反转，VPIn₃返回“死区”,如波形 〔1〕虚线所示。类似于方向 B 情况分析那样，又冲出死区进入方 向 B 状态。在两个方向上超越死区，过大超调量使电动机摆动振 荡，应调整系统参数使之改善。

电动机运转方向是存储在方向锁存器的，以确定当VPN;进入 死区之后是Q 制动还是Q 制动。波形〔8〕和〔9〕中的虚线表示 出现起动过电流时的情况，经过电流时延后，系统保护动作，驱 动输出A 和 B 均进入高阻态。

误差放大器和窗口比较器输入处都有内部串接电阻和外部并 接电容，以滤除电刷换向时的电噪声。电刷噪声频率范围是从直 流至200MHz,  应使用高品质RF  旁路电容，容量为0.001~ 0.1μF,   由试验确定。

在位置伺服应用中，除了上例用电位器作反馈传感器之外，还  可以用光电、温度、磁通、压力等传感器，只需将它们转换成与 之成正比的电压信号即可构成一个完整的定位系统，或光、温度、

压力……闭环控制系统。因此该芯片有广泛用途，如机器人控制、 空气调节器、太阳跟踪、天线旋转系统等。

MC33030用作双极限位置控制见图2-10。被控机械设置两个  机械限位机构。输入0和1对应于两位置的指令信号。当电动机 被驱动到某一极限位置时，堵转使过电流监视动作，电动机停转， 等待下一个反向指令到来再反向起动。

3. 在闭环速度控制中的应用 下列两个例子是MC33030 在

直流电动机开关型速度闭环控制中的应用。速度基准电压从2脚 引入。获得反馈速度电压有两种方法：一种方法是用单相交流测 速发电机，其输出经整流、滤波和整定用电位器送至8脚(见图 2-11);另一种方法是从电动机一端引出与电动机反电动势相关的 信号(见图2-12),经放大取平均值后作为3脚输入。利用驱动输 出A 作为单端输出，外接TIP42  功率晶体管，驱动直流电动机，增 大了控制功率。这两个例子表示了MC33030 在单转向电动机中 的应用。

电动机起动时，在VPIN₃低于VA+ 驱动输出A(14 脚)为低电 平，使TIP42 饱和，电动机加速。至VPIN₃达到V₁  后，14脚为高 阻态，使电动机停止供电。电动机由惯性转动至VpN₃低于V₄ 才又 重新驱动。由内部比较器B 滞后回环作用，电动机处于 PWM 控 制下维持于一定转速下工作。使用测速发电机的系统，在低速下 仍有较好的稳速性能。