FM5001(無(wú)刷直流電機(jī)控制芯片)相關(guān)資料
一．應(yīng)用場(chǎng)合
FM5001是專(zhuān)門(mén)用來(lái)驅(qū)動(dòng)帶霍爾傳感器的三相無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行運(yùn)作的芯片.其主要功能是驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)(包括正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)),調(diào)制電機(jī)轉(zhuǎn)速,并提供一些保護(hù)功能.FM5001的應(yīng)用局限于以下場(chǎng)合:
1． 局限于驅(qū)動(dòng)帶120°霍爾傳感器的三相無(wú)刷直流電機(jī).對(duì)于不帶霍爾傳感器的電機(jī),帶60°霍爾傳感器的電機(jī)或非三相的無(wú)刷直流電機(jī)則不適用.三相霍爾真值表為:
i)FR=0(正轉(zhuǎn))
IN1 IN2 IN3 UH VH WH UL VL WL HP
1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1
2 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0
3 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1
4 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0
5 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1
6 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0
7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
8 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1
ii)FR=1(反轉(zhuǎn))
IN1 IN2 IN3 UH VH WH UL VL WL HP
1 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1
2 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0
3 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1
4 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0
5 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1
6 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0
7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
8 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1
說(shuō)明:
 IN1,IN2,IN3是三個(gè)霍爾輸入信號(hào);UH,VH,WH是三個(gè)上橋驅(qū)動(dòng)信號(hào);UL,VL,WL是三個(gè)下橋驅(qū)動(dòng)信號(hào);HP是霍爾三相合成輸出端,一般不用.
 IN1,IN2,IN3:1表示電壓等于V5,0表示0V.
 UH,VH,WH:1表示電壓等于VB,0表示電壓等于相應(yīng)的UOUT,VOUT或WOUT.
 UL,VL,WL:1表示電壓等于V12,0表示0V.
 HP:由于是集電極開(kāi)路輸出,1表示高阻輸出,0表示0V.
2． 局限于中小功率的無(wú)刷直流電機(jī),額定電壓不超過(guò)45V.
3． 設(shè)計(jì)的原始應(yīng)用對(duì)象是電動(dòng)車(chē),一般采用36V的電池.

二．直流無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng)介紹
在各種伺服電動(dòng)機(jī)中直流電動(dòng)機(jī)的性能最好,它的體積小、效率高、出力大、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、動(dòng)態(tài)性能好、控制方便.因此在高精度、高性能的伺服控制系統(tǒng)中,往往以直流電機(jī)為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件.
一般的有刷直流電機(jī)使用電刷來(lái)達(dá)到換向功能.但是由于存在電接觸部件——電刷和換向器,因而造成一系列的致命弱點(diǎn):結(jié)構(gòu)復(fù)雜,接觸可靠性差,壽命短,換向火花干擾大等.
與有刷直流電機(jī)相比,無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是用電子換向開(kāi)關(guān)和位置傳感器替代電刷和換向器的一種新型直流電動(dòng)機(jī).它由控制器、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)和電機(jī)本體三部分組成,是電子技術(shù)和電機(jī)技術(shù)密切結(jié)合的產(chǎn)物.它具有效率高,調(diào)速范圍寬,啟動(dòng)迅速,機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性好,壽命長(zhǎng)、維護(hù)方便、可靠性高,噪音低、無(wú)換向火花和無(wú)線電干擾等特點(diǎn).但無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作有賴于外界的控制,包括正轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng),反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)速控制等.EC302就起了這種控制作用.
無(wú)刷直流電機(jī)由于其性能優(yōu)越,近來(lái)已得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用.
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的原理簡(jiǎn)圖如下圖所示:

T1~T6是3對(duì)外接功率MOS管,用來(lái)提供驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流.通過(guò)控制這6個(gè)MOS管的柵極,使得在任何時(shí)刻,T1,T3,T5這3個(gè)上橋驅(qū)動(dòng)管只有1個(gè)導(dǎo)通,T2,T4,T6這3個(gè)下橋驅(qū)動(dòng)管只有1個(gè)導(dǎo)通.這樣,通過(guò)切換6個(gè)驅(qū)動(dòng)管中的2個(gè)導(dǎo)通管來(lái)控制電機(jī)的3個(gè)線圈里的電流通路和方向,電機(jī)就被驅(qū)動(dòng)著運(yùn)轉(zhuǎn),并可以進(jìn)行正反轉(zhuǎn)的切換.如果用脈寬調(diào)制(PWM)來(lái)控制通過(guò)線圈的平均電流大小,就可以達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的.

三．FM5001特性
 用于驅(qū)動(dòng)帶120°霍爾傳感器的三相無(wú)刷直流電機(jī).
 外接電源電壓范圍是15V~42V.允許和電機(jī)使用同一組電源.
 芯片提供5V和12V電壓源,可以作為電機(jī)里霍爾器件的電源.
 上橋驅(qū)動(dòng)采用內(nèi)部電壓泵,泵電壓值是VCC+12V,最高可達(dá)60V.使得外接功率MOS管可以都采用NMOS.
 PWM調(diào)速功能.
 正反轉(zhuǎn)控制功能.
 提供過(guò)流保護(hù).
 提供欠壓保護(hù).
四．引腳排列表
1． DIP40封裝

2． TQFP32封裝

五．引腳功能表
管腳名 輸入/輸出 描述
GND 輸入 接地端.
RFGND 輸入 過(guò)流保護(hù)的參考地端.
RF 輸入 過(guò)流保護(hù)端.
WL
VL
UL 輸出 下橋功率FET驅(qū)動(dòng)輸出.
WOUT
VOUT
UOUT 輸入 上橋功率FET參考地端.
WH
VH
UH 輸出 上橋功率FET驅(qū)動(dòng)輸出.
FR 輸入 正/反轉(zhuǎn)選擇輸入端.
IN1
IN2
IN3 輸入 霍爾位置輸入端.
RES 輸入 復(fù)位端.
EIP 輸入 積分放大器正相輸入端.
EIM 輸入 積分放大器反相輸入端.
TOC 輸出 積分放大器輸出端.
PWM 輸入 PWM振蕩頻率設(shè)定輸入端.
FV 輸出 霍爾信號(hào)脈沖輸出.
RC 輸入 單次多脈沖寬度設(shè)定端.
HP 輸出 霍爾信號(hào)3相合成輸出端,集電極開(kāi)路輸出.
CP1
CP2 輸入 電壓泵電容連接端.
LVS 輸入 欠壓保護(hù)檢測(cè)端.
V5 輸出 5V參考電壓源.
V12 輸出 12V參考電壓源.
VCC 輸入 電源端.
VB 輸出 電壓泵輸出端.VB和VCC間接

六．電學(xué)特性
 絕對(duì)最大額定值(T=25℃)
項(xiàng)目 符號(hào) 條件 額定值 單位
電源電壓1 VCC max VCC端 42 V
電源電壓2 VB max VB端 55 V
RF外加電壓 VRF max 4 V
LVS外加電壓 VLVS max 42 V
IN外加電壓 VIN max IN1,IN2,IN3端 V5+0.3 V
RES外加電壓 VRES max V5+0.3 V
TOC外加電壓 VTOC max V5+0.3 V
EIP外加電壓 VEIP max V5+0.3 V
EIM外加電壓 VEIM max V5+0.3 V
RC外加電壓 VRC max V5+0.3 V
FV外加電壓 VFV max V5+0.3 V
HP外加電壓 VHP max 42 V

 電氣特性(T=25℃,VCC=36V)
項(xiàng)目 符號(hào) 條件 最小 標(biāo)準(zhǔn) 最大 單位
5V輸出電壓 V5REG Io=-5mA 4.7 5.0 5.3 V
5V電壓調(diào)節(jié) ΔV5REG1 VCC=15~30V 50 100 mV
5V負(fù)載調(diào)節(jié) ΔV5REG2 Io=-5~-30mA 10 30 mV
12V輸出電壓 V12REG Io=-5mA 11.2 12.0 12.8 V
12V電壓調(diào)節(jié) ΔV12REG1 VCC=15~30V 120 170 mV
12V負(fù)載調(diào)節(jié) ΔV12REG2 Io=-5~-30mA 10 30 mV
輸出部/條件:UOUT=VOUT=WOUT=18V, VB=36V(外加)
輸出H(高)電平電壓1 VOH1 UL,VL,WL端IOH=-10mA V12-1.2 V12-0.8 V
輸出L(低)電平電壓1 VOL1 UL,VL,WL端IOL=10mA 0.8 1.2 V
輸出H(高)電平電壓2   VOH2 UH,VH,WH端IOH=-5mA 34.5 35.3 V
輸出L(低)電平電壓2 VOL2 UH,VH,WH端IOH=5mA 18.2 18.6 V
積分放大器
共模輸入電壓范圍 VICM 0 V5-1.7 V
輸出H(高)電平電壓 VOH(CONT) ITOC=-0.2mA V5-1.1 V5-0.8 V
輸出L(低)電平電壓 VOL(CONT) ITOC=0.2mA 0.8 1.1 V
PWM振蕩器(PWM端)
輸出H(高)電平電壓 VOH(PWM) 3.3 V
輸出L(低)電平電壓 VOL(PWM) 1.0 V
鋸齒波周期 TPWM C=270p 25 us
限流電路(RF端)
限流電壓 VRF 85 100 115 mV
低電壓保護(hù)電路(LVS端)
工作電壓 VSDL 3.6 3.8 4.0 V
解除電壓 VSDH 4.1 4.3 4.5 V
復(fù)位電路(RES端)
復(fù)位電壓 VRESL 1.17 1.27 1.37 V
復(fù)位解除電壓 VRESH 1.37 1.5 1.63 V
滯回寬度 ΔVRES 0.20 0.23 0.26 V
HP端
輸出飽和電壓 VHPL Io=3mA 0.15 0.5 V
輸出漏泄電流 IHPleak VHP=20V 10 uA
IN1端,IN2端,IN3端
H(高)電平輸入電壓 VIH(IN) 4.0 V5 V
L(低)電平輸入電壓 VIL(IN) 0 2.5 V
FR端
H(高)電平輸入電壓 VIH(FR) 4.0 V5 V
L(低)電平輸入電壓 VIL(FR) 0 2.5 V

七．功能描述
1．輸出驅(qū)動(dòng)電路
FM5001是以輸出上下共用NMOS管為前提而設(shè)計(jì)的.采用對(duì)下橋UL,VL,WL的PWM調(diào)制,通過(guò)改變輸出的占空比來(lái)調(diào)整電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功率.
在三相的各個(gè)輸出FET附近為防止因電路板信號(hào)相同而引發(fā)的高頻振蕩,要使用大約0.1uF的電容.電容的容量不能很大,否則會(huì)引起開(kāi)關(guān)速度變慢,NMOS管會(huì)發(fā)熱.


2．限流電路
限流電路的電流由公式:I=VRF/Rf(VRF=0.1Vtyp  Rf是電流檢測(cè)電阻)來(lái)決定,也就是限制最大電流.限制動(dòng)作是通過(guò)減小輸出占空比來(lái)抑制電流.
通過(guò)與RF端和RFGND端間接電流檢測(cè)電阻,可以正確地抑制電流.如果檢測(cè)電阻過(guò)大,也可以把檢測(cè)電阻上的電壓通過(guò)電阻分壓,再?gòu)腞F端輸入.為了抑制RF端的噪聲引起的限流誤動(dòng)作,可以在RF端加低通濾波器.濾波電容不宜太大,否則會(huì)使限流動(dòng)作變慢.

3．PWM振蕩電路
PWM時(shí)鐘頻率由PWM端所接電容的容量決定.
270pF的電容產(chǎn)生的頻率約為25KHZ.PWM的頻率低的話,可以聽(tīng)到轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和電動(dòng)機(jī)的聲音.頻率高的話,會(huì)增加功耗.一般20K~50KHZ為宜.

4．輸出占空比控制方法
輸出的占空比由PWM振蕩三角波和TOC端電壓相比較來(lái)決定.TOC端電壓如果為1V以下的話,輸出占空比為0%;若電壓為3.3V以上的話,輸出占空比是100%.
通常,將積分放大器接為跟隨器形式(EIM端和TOC端相接),EIP端輸入控制電壓(EIP端電壓變高,輸出占空比增加).EIP端會(huì)根據(jù)RES端復(fù)位動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生狀態(tài)變化.將控制電壓通過(guò)電阻分壓后輸入EIP端可使控制輸入的電壓活動(dòng)范圍變大.
下圖是EIM,EIP和TOC端的等效圖.EIP端需要外接一較大電阻,以確保在RESET的時(shí)候EIP端能被有效下拉,使PWM占空比為0.

5．電壓泵電路
CP1和CP2之間接泵電容CP,VCC和VB間接維持電容CB.
充電泵電路的電壓升高是由于在PWM時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下,CP1端和CP2端間電容CP上的電荷被充到VB和VCC端間的電容CB上,使得CB的電荷積聚而產(chǎn)生高電壓.CP和CB的容量值必滿足下面的關(guān)系:
            CB≥5×CP
CP電容的充放電,是根據(jù)PWM時(shí)鐘周期變化的.相對(duì)于CP電容的容量,若CB電容的容量太小,會(huì)造成VB電壓波動(dòng),甚至產(chǎn)生很高的過(guò)沖電壓而毀壞芯片.同時(shí)決不允許只接CP電容而不接CB電容.若CB電容的容量太大,將使VB電壓變得穩(wěn)定需要較長(zhǎng)的時(shí)間,但VB電壓較穩(wěn)定.CP和CB的典型值可采用CP=0.1uF,CB=2.2uF.
VCC電壓若變?yōu)?0V以下,VB源的電流能力急劇下降,造成VB電壓下降.

6．Hall(霍爾)輸入信號(hào)和FR正反轉(zhuǎn)選擇端
霍爾輸入和電機(jī)霍爾IC的輸出端相接.在芯片內(nèi),它和5V電壓源間接有10K左右的上拉電阻,因此外部就沒(méi)有必要再接上拉電阻了.如果霍爾IC使用12V的電源,為了使霍爾輸入的電壓不超過(guò)5V,必須再附加下拉電阻或齊納二極管等來(lái)鉗制輸入電壓到5V左右.
霍爾輸入端提供大約0.9V的遲滯幅度來(lái)增加抗干擾能力.若系統(tǒng)干擾比較大,可以在霍爾輸入和GND之間接一電容.
當(dāng)霍爾信號(hào)的三相都是相同輸入的狀態(tài)時(shí),輸出將全被關(guān)斷.
FR正反轉(zhuǎn)選擇端用來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向,它和5V電壓源間接有10K左右的上拉電阻,如果懸空則默認(rèn)是FR=1.FR端提供一定的遲滯幅度來(lái)增加抗干擾能力.也可在FR端和GND之間接一電容來(lái)增加抗干擾能力.
當(dāng)電機(jī)在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),如果突然切換FR來(lái)改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向,會(huì)使電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的反電動(dòng)勢(shì),可能破壞系統(tǒng)和芯片,因此不推薦這樣做.
霍爾輸入和FR正反轉(zhuǎn)選擇端的譯碼表見(jiàn)下表:
i)FR=0(正轉(zhuǎn))
IN1 IN2 IN3 UH VH WH UL VL WL HP
1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1
2 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0
3 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1
4 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0
5 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1
6 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0
7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
8 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1
ii)FR=1(反轉(zhuǎn))
IN1 IN2 IN3 UH VH WH UL VL WL HP
1 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1
2 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0
3 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1
4 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0
5 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1
6 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0
7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
8 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1

7．欠壓保護(hù)電路
本電路檢測(cè)加在LVS端上的電壓.該電壓在工作電壓以下時(shí),輸出將全被關(guān)斷.為防止保護(hù)動(dòng)作在工作電壓附近不斷開(kāi)關(guān)循環(huán),LVS端提供一定的遲滯幅度.因此,電壓沒(méi)有上升到工作電壓以上0.5V則輸出不會(huì)恢復(fù).還有,處于保護(hù)動(dòng)作時(shí),RES端電壓也變成“L”.
通過(guò)電阻分壓可以使檢測(cè)電平升高.LVS端在芯片內(nèi)部會(huì)有一個(gè)64K歐姆的等效電阻接地.在用電阻分壓時(shí)需要將這個(gè)電阻計(jì)算在內(nèi).

若不使用保護(hù)電路,可給LVS加一個(gè)不動(dòng)作電壓,而不是使LVS端開(kāi)路(因開(kāi)路時(shí),輸出關(guān)閉).

8．RES電路
為使加電時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定,RES端初始時(shí)要復(fù)位.初始復(fù)位時(shí),做下面的動(dòng)作
 輸出全是關(guān)斷
 EIP端電壓為“L“
 FV端電壓為“L“
通常RES端和V5與GND間有電阻電容相接,用以設(shè)定Reset時(shí)間.

9．RC電路和FV電路
RC端是設(shè)定FV端產(chǎn)生的脈沖幅度(高電平時(shí)間)的輸入端.RC端和V5端,GND之間有電阻和電容相接,以設(shè)定脈沖的幅度.該幅度和外接RC成正比.這樣,FV端就可以輸出一個(gè)頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號(hào).這可以用來(lái)測(cè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速,外接F-V轉(zhuǎn)換器后去控制PWM速度設(shè)定電壓的話可以構(gòu)成速度負(fù)反饋.

不使用FV輸出時(shí),RC端接GND,FV端開(kāi)路.

九．芯片內(nèi)部框圖


十．典型應(yīng)用
FM5001主要是為采用直流無(wú)刷電機(jī)的電動(dòng)車(chē)設(shè)計(jì)的.同時(shí)也可以應(yīng)用于其他最高電壓不超過(guò)45V的直流無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng).可以開(kāi)拓的市場(chǎng)估計(jì)有洗衣機(jī),自行車(chē)改裝電動(dòng)車(chē)裝置,工業(yè)中的一些中低功率的電機(jī)控制,一些車(chē)載電子設(shè)備等.EC302基本兼容MC33035和MLX90401.
FM5001提供正/反轉(zhuǎn)選擇,但使用的時(shí)候不推薦在電機(jī)轉(zhuǎn)速較快的時(shí)候突然切換旋轉(zhuǎn)方向.這可能讓電機(jī)產(chǎn)生很大的反電動(dòng)勢(shì),破壞系統(tǒng)或芯片.
下圖為一EC302的典型開(kāi)環(huán)應(yīng)用: