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几～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。

表1-2给出了此系列产品的主要技术数据和在电子机械中应用的例子。

表1-2MOTOROLA公司的SMARTMOSJ系列智能功率集成电路主要技术数据与应用

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。

在本书介绍的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。

表1-3日本东芝公司电机控制专用IC在电子机械中应用示例