Микросхемы привода бесконтактных двигателей постоянного тока NJR, SITI, ONS

Существует несколько названий БДПТ (в английской терминологии BLDC — Brushless DC Motor), например: вентильные двигатели (ВД), синхронные электрические машины с возбуждением от постоянных магнитов (СДПМ), вентильно-индукторные двигатели (ВИД) и другие. Диапазон мощностей БДПТ простирается от нескольких милливатт до многих киловатт. На рис. 1 показан БДПТ тяговый двигатель типа ДСМ-4-5000 с блоком управления (мощность на валу — 4 кВт, напряжение питания — 48 В), предназначенный для электропривода специализированных электромобилей (рис. 2). Этот двигатель разработан Томским госуниверситетом систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) [1].

Рис. 1. Тяговый двигатель ДСМ-4-5000 с блоком управления

Рис. 2. Специализированный автомобиль

Наибольшее распространение получили одно-, двух- и трехфазные БДПТ, реже применяются четырехфазные двигатели. Одно- и двухфазные двигатели обычно используются в приложениях, не требующих поддержания высокой точности скорости вращения, трех/четырехфазные двигатели (совместно с системами авторегулирования) обеспечивают высокую точность скорости вращения ротора при изменении нагрузки.

Для привода БДПТ в основном используются отдельные микросхемы, однако в последнее время драйверы БДПТ стали встраивать непосредственно в микропроцессоры (NEC, Atmel и др.). Микросхемы для привода одно- и двухфазных двигателей выпускает большое число фирм, в том числе New Japan Radio (NJR) и Silicon Touch Technology Inc. Не меньшее число компаний выпускает и микросхемы для привода 3-фазных БДПТ, а фирма ON Semiconductor (ONS) в настоящее время предлагает высокоэффективные драйверы БДПТ, пригодные для промышленных, автомобильных и специальных приложений.

Фирма NJR (Токио) была образована на базе подразделения одной из старейших японских компаний Japan Radio Corporation (JRC) в 1959 году, с 1961 года носит современное название. В 1994 г. компания сертифицирована по стандарту ISO-9001, в 1997 г. — по стандарту ISO-14001, в 2007 г. — по стандарту ISO/TS16949. Объем продаж — 45,719 млрд. йен (за 2008 г.), численность персонала — 3178 чел. (на март 2009 г.). Президент NJR — Кадзуо Хирата (Kazuo Hirata). Основная продукция — полупроводниковые приборы, кроме того, фирма выпускает мощные вакуумные СВЧ-приборы и СВЧ-компоненты. Следует отметить, что техническая документация компании отмечена логотипом JRC, такая же маркировка наносится и на корпуса многих микросхем, однако в настоящее время сама JRC полупроводниковые приборы не выпускает.

В каталог фирмы 2009 года включено 30 наименований микросхем привода БДПТ [2], их классификационные параметры приведены в таблице 1. Микросхемы серии NJM264ххх предназначены для привода двухфазных БДПТ, серии NJU73ххх — однофазных, NJM262ххх — трехфазных. Основное назначение микросхем — электропривод вентиляторов телекоммуникационной аппаратуры, но они могут быть использованы и для привода исполнительных двигателей систем автоматики, аппаратуры с батарейным питанием, автомобильной автоматики и в других приложениях. Рассмотрим особенности неко-торых микросхем фирмы более подробно.

Таблица 1. Классификационные микросхемы привода БДПТ фирмы NJR

NlM2640/41/44/46 — двухфазные пред-драйверы БДПТ с однополярным питанием, микросхемы NlM2640/41/44 рассчитаны на подключение внешних биполярных n-р-n-транзисторов, NlM2646 — полевых транзисторов с изолированным затвором. Структура микросхемы NlM2646 приведена на рис. 3. В ее состав входят: усилитель сигналов датчика положения ротора двигателя (ДПР) DA1, выполненный на элементе Холла; формирователь тока смещения; схема управления; детектор блокировки двигателя и схема автоперезапуска; формирователь сигнала тревоги; компараторы DA2, DA3 для управления выходными ключами Q1-Q4. В структуре микросхем NlM2640/41/44 компараторы DA2, DA3 и ключи Q2, Q4 отсутствуют, а управление ключами Q1, Q4 осуществляется непосредственно схемой управления. Назначения и нумерация выводов всех микросхем одинаковы.

Рис. 3. Структура микросхемы NJM2646

Временные диаграммы, поясняющие работу схем автоперезапуска и детектора блокировки двигателя, приведены на рис. 4. Размах сигнала датчика Холла должен находиться в пределах 8-20 мВ (рис. 4а), при заклинивании двигателя или отсутствии сигналов с датчика Холла детектор блокировки формирует импульс запрета длительностью t_on (рис. 4б). В течение интервала t_off схема автоперезапуска находится в режиме ожидания (рис. 4в). В конце интервала формируется импульс запуска. Если сигналы с датчика Холла не обнаруживаются, схема остается в режиме ожидания, формируется следующий импульс запрета и т. д., до появления сигналов с датчика. На выводе 3 микросхемы при заклинивании двигателя формируется сигнал тревоги LA (вывод должен быть соединен с выводом питания через резистор 5-10 кОм), который может быть подан на схему, управляющую электроприводом (рис. 4г). Длительность интервалов t_on, t_off определяется емкостью конденсатора С и величиной напряжения питания V_CC. При V_CC. = 12 В и С = 0,47 мкФ длительность импульса запуска t_on ≈ 0,18 с, длительность интервала ожидания t_off ≈ 1,82 с. Для микросхемы NlM2646 при использовании датчика Холла HW101A фирмы АКМ и напряжении питания 12 В резисторы R₁, R₂ по рекомендациям изготовителя должны иметь сопротивление 1,2 кОм. Для микросхемы NlM2640 при напряжении V_CC = 48 В с тем же датчиком Холла и емкостью С = 0,47 мкФ при длительности интервалов t_on ≈ 0,22 c, t_off ≈ 1,13 с резисторы R₁ = R₂ = 4,8 кОм.

Рис. 4. Временные диаграммы микросхем NJM2640/41/44/46

Однофазные БДПТ в последнее время получили заметное распространение, причина этого, очевидно, кроется в простоте и легкости реализации драйверов для них. Одна из конструкций плоского однофазного БДПТ приведена в патенте WIPO (World Intellectual Property Organization) [3]. Особенностью однофазных БДПТ является наличие у них только двух выводов от обмотки: подача на них чередующихся импульсов различной полярности вызывает вращение ротора двигателя в одну сторону.

Микросхемы серии NJU73xxx рассчитаны для работы в устройствах с низкими питающими напряжениями (2,40-5,5 В), не требуют применения внешних транзисторов и могут обеспечивать управление двигателями мощностью порядка 2-5 Вт. К наиболее простым микросхемам серии относятся NJU7325/26/32/42. На рис. 5 приведено типовое включение микросхемы NJM7326. В ее состав входят 2 мощных ОУ DA1, DA2, резисторы обратной связи RF (22-33 кОм) и резистор смещения для элемента Холла двигателей RH (240-360 Ом). Наличие резисторов обратной связи обеспечивает работу ОУ в линейном режиме. Сигнал датчика Холла имеет форму, близкую к синусоидальной, выходные сигналы ОУ имеет трапецеидальную форму (сигналы на выходах ОУ противофазны). Работа драйверов в линейном режиме обеспечивает меньший уровень излучаемых помех. Микросхема NJM7325 отличается отсутствием резисторов RF, RH, поэтому драйверы работают в импульсном режиме. Микросхема NJU7332 выполнена в корпусе TVSP8, а NJU7332PB1 — в миниатюрном корпусе FFP12 (2·2·0,85 мм) и отличается отсутствием резистора RH. В составе микросхемы NJU7342 также отсутствует резистор RH.

Рис. 5. Типовое включение микросхемы NJM7326

Типовое включение микросхемы NJU7327 приведено на рис. 6. Кроме ОУ АМР А и АМР В, в состав микросхемы входят: распределитель импульсов INT, два инвертора, усилитель сигналов датчика Холла, формирователь импульсов FG (тахогенератор) и детектор блокировки двигателя LOCK DETECT. В нормальном режиме на выводе 2 микросхемы формируются импульсы (меандр), частота следования которых пропорциональна скорости вращения ротора двигателя (вывод 2 необходимо соединить с шиной питания V_DD через резистор 10 кОм). Временные диаграммы, поясняющие работу схемы автоперезапуска (на рис. 6 она не показана) и детектора блокировки, соответствуют диаграммам на рис. 4а-в.

Рис. 6. Типовое включение микросхемы NJU7327

В структуру микросхем NJU4343/44/45/47 дополнительно (в сравнении с рис. 5) входят схема температурной защиты TSD и формирователь импульсов FG, резистор RH отсутствует. В состав микросхемы NJU7356 дополнительно входит схема защиты от перегрузки по выходу, а в состав микросхемы NJU7357 — формирователь импульсов и вход PWM_in, подачей на который ШИМ-сигнала осуществляется регулировка скорости вращения двигателя. Регулировку скорости вращения двигателя обеспечивают и микросхемы NJU7360/7361. Структура последней приведена на рис. 7, соответствующие временные диаграммы — на рис. 8. Однофазные БДПТ выпускают многие фирмы, в том числе известный производитель высокоэффективных и прецизионных двигателей NIDEC [4].

Рис. 7. Структура микросхемы NJUГ7361

Рис. 8. Временные диаграммы микросхем NJU7360/61

Одна из последних разработок фирмы — 3-фазные преддрайверы серии NJM26ххх. На рис. 9 представлено типовое включение микросхемы NJM2625A (листы данных 2009 года). В состав микросхемы входят: компараторы сигналов датчиков Холла двигателя DA1-DA3; декодер сигналов ДПР; формирователь образцового напряжения V_ref (6-6,8 В, типовое значение — 6,4 В); схема защиты от пониженного напряжения UVLO; генератор пилообразного напряжения (частота генерации 20-30 кГц, типовое значение — 25 кГц при С_Т = 1000 пФ); буфер и ШИМ-компараторы DA4, DA5; формирователь импульсов FG; схема управления; выходные ключевые каскады DA6-DA11; усилитель сигнала обратной связи схемы защиты внешних выходных транзисторов DA12.

Рис. 9. Типовое включение микросхемы NJM2625A

Частота вращения двигателя определяется напряжением на делителе R1/R2. Стабильность частоты вращения зависит в первую очередь от стабильности образцового напряжения V_ref (типовая нестабильность AV_ref ≈ 1,5 мВ при изменении напряжения питания в пределах 8-18 В). Частота «пилы» определяется емкостью конденсатора С_Т, при С_Т = 3000 пФ частота снижается примерно до 10 кГц. Переключение направления вращения двигателя осуществляется управляющим напряжением на выводе 20 микросхемы, режим вперед реализуется при напряжении VF в пределах ±2 В, режим назад — при напряжении VR, не превышающем 2 В. Использование внешних ключевых транзисторов позволяет разработчикам выбирать двигатели в достаточно широком диапазоне мощностей. Электропривод на основе рассматриваемой микросхемы вполне пригоден для использования совместно с высококачественными промышленными двигателями, например, распространенными в России БДПТ фирмы Changzhou Fulling Motor. Каталог двигателей приведен в [5].

Компания STTI (Silicon Touch Technology Inc., Синчу (Hsinchu), Тайвань) основана в 1996 году, дистрибьютор фирмы в России — «Неон-ЭК» (Санкт-Петербург). Фирма разрабатывает и выпускает аналоговые и цифровые микросхемы, процессоры для обработки изображений (Image processing), интерфейсы для оптоэлектроники, микросхемы для источников питания, драйверы дисплеев, драйверы БДПТ и шаговых двигателей, драйверы двигателей цифровых видео- и фотокамер. Классификационные параметры микросхем БДПТ фирмы из каталога 2009 года [6] приведены в таблице 2. Рассмотрим особенности микросхем фирмы, разработанных в последние годы, более подробно.

Таблица 2. Классификационные параметры микросхем БДПТ фирмы STTI из каталога 2009 года

FD177 (листы данных 2008 г.) — это драйвер однофазных БДПТ с «мягкой» коммутацией.

Особенности микросхемы:

• привод однофазных полноволновых БДПТ;
• встроенный усилитель сигналов датчиков Холла;
• низкое напряжение запуска (2 В);
• высокая нагрузочная способность;
• детектор заклинивания и схема автоперезапуска;
• защита от неправильной полярности напряжения питания и температурная защита.

Перечислим основные параметры микросхемы (не вошедшие в таблицу 2):

• максимальный выходной ток — 500 мА;
• мощность рассеяния P_d — 568 мВт;
• коэффициент усиления Gio — 45-51 дБ;
• время включения детектора заклинивания Ton — 110-190 мс, время выключения (перезапуска) — 0,75-1,35 с;
• диапазон рабочих температур — -30…85 °C.

Типовое включение микросхемы и временные диаграммы на входах и выходах приведены на рис. 10. В состав микросхемы входят: стабилизатор напряжения; управляемый генератор; детектор вращения двигателя; усилитель сигналов датчика Холла; схема управления; образцовый генератор; схема мягкой коммутации. Микросхема может работать при напряжении питания в пределах 2-6,5 В, однако оптимальные характеристики драйвера реализуются при напряжении 5 В.

Рис. 10. Типовое включение и временные диаграммы микросхемы FD177

Микросхемы FD178/B/C (данные 2009 г.) отличаются от FD177 наличием дополнительного входа для подачи ШИМ-сигнала регулировки скорости (вывод 6). Частота следования ШИМ-импульсов должна находиться в пределах 25-50 кГц, амплитуда импульсов — в пределах 2/3 V_DD — V_DD (лог. «1»), 0-1/3 V_DD (лог. «0»). Временные диаграммы на входах и выходах микросхемы при работе в режиме ШИМ приведены на рис. 11.

Рис. 11. Временные диаграммы микросхем FD178/B/C

ST1112S (данные 2009 г.) — драйвер одно-фазных БДПТ со встроенным датчиком Холла. Эта микросхема предназначена для установки непосредственно в двигателях. Размеры корпуса LFCSP8 — 2·2·0,45 мм. Типовое включение микросхемы приведено на рис. 12. В ее состав входят: стабилизатор напряжения; элемент Холла; тахогенератор; схема управления; детектор заклинивания; выходные драйверы. Встроенные датчики Холла применены и в микросхемах FD212, FD216.

Рис. 12. Типовое включение микросхемы ST1112S

В каталоге 2009 года [8] компании ONS (Феникс, Аризона, США) представлены следующие контроллеры БДПТ: MC33033DWG/DWR2G (корпус S0IC-20WB), NCV33033DWG/DWR2G (S0IC-20WB), MC33035DWG/DWR2G (SOIC-24 LEAD), NCV33035DWG/DWR2 (SOIC-24 LEAD), а также адаптеры БДПТ для работы в системах авторегулирования с замкнутой ОС (Closed Loop Brushless Motor Adapter) MC33039DG/DR2G, NCV33039DR2G (SOIC-8 Narrow Body). Микросхемы МС/NCV33033 являются вторым поколением универсальных высокоэффективных контроллеров БДПТ и могут найти применение в ответственных промышленных приложениях (первое поколение представлено микросхемами MC33034/MC33035). Применение микросхем совместно с внешними ключевыми транзисторами может обеспечить прецизионный электропривод БДПТ средней и большой мощности. Микросхемы серии NCV предназначены для автомобильных приложений, они обеспечивают работоспособность в тяжелых температурных режимах (-40…+ 125 °C).

Возможна реализация следующих конфигураций систем электропривода БДПТ:

• трехфазный шестишаговый полноволно-вый контроллер;
• трехфазный трехшаговый полуволновый контроллер;
• четырехфазный четырехшаговый полно-волновый контроллер;
• четырехфазный четырехшаговый полу-волновый контроллер;
• контроллер для систем с замкнутой ОС в комплекте с адаптером МС33039;
• полномостовой контроллер коллекторных двигателей.

Особенности микросхем (Features, листы данных — ноябрь 2007 г.):

• Напряжение питания — 10-30 В.
• Образцовое напряжение — 6,25 В.
• Открытый доступ к усилителю ошибки для систем с замкнутой ОС.
• Управление мощными двигателями при использовании внешних полевых транзисторов.
• Ограничение тока по каждому циклу.
• Встроенная термозащита.
• Коммутация порядка переключения фаз ДПР 60°/300° или 120°/240°.
• Управление коллекторными двигателями с внешними полевыми транзисторами в конфигурации Н-моста.
• NCV серия микросхем для автомобильных приложений.
• Отсутствие свинца в составе DWG, DWR2G.

Включение микросхем в конфигурации трехфазного шестишагового полноволно вого драйвера БДПТ приведено на рис. 13. В состав микросхем входят: декодер сигналов ДПР; источник образцового напряжения; схема защиты от пониженного напряжения; усилитель ошибки; ШИМ-компаратор; генератор пилообразного напряжения; схема температурной защиты; компаратор сигнала ОС — ограничитель тока (I_LIMIT); логические схемы и буферные выходные транзисторы. Регулировка скорости вращения двигателя может осуществляться в ручном режиме — переменным резистором Speed set или внешним кодом. На рис. 14 приведена схема регулировки скорости вращения с использованием 10-разрядного дешифратора 10·1 SN74LS145, коды 0000-1001 перекрывают 90% диапазона регулировки скорости. Назначения выводов микросхем:

• 1, 2, 20 (Bt, At, Ct) — выходы с открытым коллектором для управления верхними ключами мостов (р-n-р-транзисторами);
• 2 (Fwd//Rev) — вход выбора направления вращения двигателя вперед/назад;
• 4, 5, 6 (Sa, Sb, Sc) — входы сигналов ДПР;
• 7 (Reference Output) — выход формирователя образцового напряжения;
• 8 (Oscillator) — вывод для подключения времязадающей цепи Rt, Ct;
• 9 (Error Amp Noninverting Input) — неин-вертирующий вход усилителя сигнала ошибки;
• 10 (Error Amp Inverting Input) — инвертирующий вход усилителя сигнала ошибки;
• 11 (Error Amp Out/PWM Input) — вход ШИМ-компаратора (используется в системах с замкнутой ОС);
• 13 — корпус;
• 14 — V_M (V_CC) — напряжение питания;
• 15, 16, 17 (Св, Вв, Ав) — «тотемные» выходы для управления нижними ключами мостов (MOSFET-транзисторами);
• 18 (60°/120° Select) — вход управления режимами 6 шагов/3 шага;
• 19 (Output Enable) — вход запуска двигателя.

Рис. 13. Включение микросхем MC33033/NCV33033

Рис. 14. Схема регулировки скорости вращения

Основные параметры микросхем

Секция формирователя образцового напряжения:

• образцовое напряжение V_ref — 5,9-6,5 В;
• порог срабатывания схемы защиты от пониженного напряжения — 4-5 В. Секция усилителя ошибки:
• сдвиг входного тока смещения — не более 0,5 мкА (типовое значение — 8 нА);
• входной ток смещения — не более -1 мкА (типовое значение—46 нА);
• КУ с разомкнутой ОС — не менее 70 дБ;
• коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) — не менее 55 дБ (типовое значение — 86 дБ);
• коэффициент подавления изменений напряжения питания (PSRR) — не менее 65 дБ (типовое значение — 105 дБ). Секция генератора пилообразного напряжения:
• частота генерации — 22-28 кГц (определяется параметрами Rt, Ct);
• отклонение частоты при изменении напряжения питания в пределах 10-30 В — 0,01%;
• размах «пилы» (Sawtooth Peak Voltage) — 4,1-5 В.

Логические входы (выводы 3, 4, 5, 6, 18, 19):

• порог лог. «1» — более 3 В (типовое значение — более 2,2 В);
• порог лог. «0» — менее 0,8 В (типовое значение — менее 1,7 В).

Компаратор сигнала ОС:

• порог срабатывания — 85-115 мВ, ток смещения —(0,9-5) мкА.

Выходная секция и источник питания:

• напряжение насыщения открытых верхних транзисторов при = 25 мА — не более 1,5 В (типовое значение — 0,5 В);
• ток утечки верхних закрытых транзисторов при и_кэ = 30 В — не более 100 мкА (типовое значение — 0,06 мкА);
• длительность переднего/заднего фронта/спада импульса переключения верхних транзисторов — не более 300 нс (типовые значения — 107/26 нс);
• напряжение высокого уровня нижних «тотемных» каскадов — VCCC — 1,1 B (не менее VCC — 2 B);
• напряжение низкого уровня нижних «то-темных» каскадов — не более 2 В (типовое значение — 1,5 В);
• длительность фронта/спада импульсов переключения «тотемных» каскадов — не более 0,2 мкс (типовые значения — 38/30 нс);
• порог срабатывания схемы защиты от пониженного напряжения — 8,2-10 В;
• ток потребления ICC — не более 22 мА. Общие и предельные параметры:
• V_CC — 30 B, напряжение на цифровых входах — не более Vf;
• и_кэ верхних транзисторов — не более 40 В, — не более 50 мА;
• I_max нижних транзисторов — не более 100 мА;
• мощность рассеяния — 619 или 865 мВт (в зависимости от исполнения);
• температура выводов — 150 °C;
• диапазон рабочих температур: -40…85 °C, для исполнений NCV: -40…+ 125 °C.

Особенности применения микросхем подробно приведены в их листах данных. Чертежи корпусов рассмотренных в статье микросхем приведены на сайте — http://www.kit-e.ru/draits_2.rar.

Литература

1. Тяговый двигатель для экологически чистых транспортных систем — http://www.tusur.ru/ru/science/elaborations/elaborations/stage/05/vedvposttokekts.html
2. Product Information — http://www.njr.co.jp/index_e.htm
3. (WO/2007/073083) Flat-Type Single Phase Brushless DC Motor — http://www.wipo.int/pctdb/en/wo.jsp?wo=2007073083
4. NIDEC Brushless DC motors — http://www.nidec.com/motors.html
5. FULLING MOTOR, Brushless DC Motors — http://fulling.com.ua/jsp/upload/070112092107.pdf
6. FUN Drivers — http://www.siti.com.tw/product/product5_en.html
7. Устройства управления двигателями — http://www.onsemi.com/PowerSolutions/parametrics.do?id=407