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R₂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L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Ⅱ象限),无制动状态。控制开关的图2-3单开关驱动PWM信号可由TL494等开关电源脉宽调制器集成电路产生(参见第10章10.2节示例)。

(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，VF,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VF,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VF)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VF.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，VF₂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Vf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。

表2-1部分直流电动机控制专用集成电路一览表