FM5001(無刷直流電機控制芯片)相關資料
一．應用場合
FM5001是專門用來驅動帶霍爾傳感器的三相無刷直流電機進行運作的芯片.其主要功能是驅動電機運轉(包括正轉和反轉),調制電機轉速,并提供一些保護功能.FM5001的應用局限于以下場合:
1． 局限于驅動帶120°霍爾傳感器的三相無刷直流電機.對于不帶霍爾傳感器的電機,帶60°霍爾傳感器的電機或非三相的無刷直流電機則不適用.三相霍爾真值表為:
i)FR=0(正轉)
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)
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
說明:
 IN1,IN2,IN3是三個霍爾輸入信號;UH,VH,WH是三個上橋驅動信號;UL,VL,WL是三個下橋驅動信號;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:由于是集電極開路輸出,1表示高阻輸出,0表示0V.
2． 局限于中小功率的無刷直流電機,額定電壓不超過45V.
3． 設計的原始應用對象是電動車,一般采用36V的電池.

二．直流無刷電機系統(tǒng)介紹
在各種伺服電動機中直流電動機的性能最好,它的體積小、效率高、出力大、起動轉矩大、動態(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,往往以直流電機為驅動執(zhí)行元件.
一般的有刷直流電機使用電刷來達到換向功能.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:結構復雜,接觸可靠性差,壽命短,換向火花干擾大等.
與有刷直流電機相比,無刷直流電動機是用電子換向開關和位置傳感器替代電刷和換向器的一種新型直流電動機.它由控制器、轉子位置檢測和電機本體三部分組成,是電子技術和電機技術密切結合的產物.它具有效率高,調速范圍寬,啟動迅速,機械特性和調節(jié)特性好,壽命長、維護方便、可靠性高,噪音低、無換向火花和無線電干擾等特點.但無刷直流電動機的工作有賴于外界的控制,包括正轉驅動,反轉驅動和轉速控制等.EC302就起了這種控制作用.
無刷直流電機由于其性能優(yōu)越,近來已得到越來越廣泛的應用.
無刷直流電動機的原理簡圖如下圖所示:

T1~T6是3對外接功率MOS管,用來提供驅動電機的電流.通過控制這6個MOS管的柵極,使得在任何時刻,T1,T3,T5這3個上橋驅動管只有1個導通,T2,T4,T6這3個下橋驅動管只有1個導通.這樣,通過切換6個驅動管中的2個導通管來控制電機的3個線圈里的電流通路和方向,電機就被驅動著運轉,并可以進行正反轉的切換.如果用脈寬調制(PWM)來控制通過線圈的平均電流大小,就可以達到改變電機轉速的目的.

三．FM5001特性
 用于驅動帶120°霍爾傳感器的三相無刷直流電機.
 外接電源電壓范圍是15V~42V.允許和電機使用同一組電源.
 芯片提供5V和12V電壓源,可以作為電機里霍爾器件的電源.
 上橋驅動采用內部電壓泵,泵電壓值是VCC+12V,最高可達60V.使得外接功率MOS管可以都采用NMOS.
 PWM調速功能.
 正反轉控制功能.
 提供過流保護.
 提供欠壓保護.
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 過流保護的參考地端.
RF 輸入 過流保護端.
WL
VL
UL 輸出 下橋功率FET驅動輸出.
WOUT
VOUT
UOUT 輸入 上橋功率FET參考地端.
WH
VH
UH 輸出 上橋功率FET驅動輸出.
FR 輸入 正/反轉選擇輸入端.
IN1
IN2
IN3 輸入 霍爾位置輸入端.
RES 輸入 復位端.
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振蕩頻率設定輸入端.
FV 輸出 霍爾信號脈沖輸出.
RC 輸入 單次多脈沖寬度設定端.
HP 輸出 霍爾信號3相合成輸出端,集電極開路輸出.
CP1
CP2 輸入 電壓泵電容連接端.
LVS 輸入 欠壓保護檢測端.
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．電學特性
 絕對最大額定值(T=25℃)
項目 符號 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)
項目 符號 條件 最小 標準 最大 單位
5V輸出電壓 V5REG Io=-5mA 4.7 5.0 5.3 V
5V電壓調節(jié) ΔV5REG1 VCC=15~30V 50 100 mV
5V負載調節(jié) ΔV5REG2 Io=-5~-30mA 10 30 mV
12V輸出電壓 V12REG Io=-5mA 11.2 12.0 12.8 V
12V電壓調節(jié) ΔV12REG1 VCC=15~30V 120 170 mV
12V負載調節(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
復位電路(RES端)
復位電壓 VRESL 1.17 1.27 1.37 V
復位解除電壓 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．輸出驅動電路
FM5001是以輸出上下共用NMOS管為前提而設計的.采用對下橋UL,VL,WL的PWM調制,通過改變輸出的占空比來調整電動機驅動功率.
在三相的各個輸出FET附近為防止因電路板信號相同而引發(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,否則會引起開關速度變慢,NMOS管會發(fā)熱.


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

3．PWM振蕩電路
PWM時鐘頻率由PWM端所接電容的容量決定.
270pF的電容產生的頻率約為25KHZ.PWM的頻率低的話,可以聽到轉換開關和電動機的聲音.頻率高的話,會增加功耗.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端會根據RES端復位動作會產生狀態(tài)變化.將控制電壓通過電阻分壓后輸入EIP端可使控制輸入的電壓活動范圍變大.
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時鐘驅動下,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的電荷積聚而產生高電壓.CP和CB的容量值必滿足下面的關系:
            CB≥5×CP
CP電容的充放電,是根據PWM時鐘周期變化的.相對于CP電容的容量,若CB電容的容量太小,會造成VB電壓波動,甚至產生很高的過沖電壓而毀壞芯片.同時決不允許只接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)定需要較長的時間,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)輸入信號和FR正反轉選擇端
霍爾輸入和電機霍爾IC的輸出端相接.在芯片內,它和5V電壓源間接有10K左右的上拉電阻,因此外部就沒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5V,必須再附加下拉電阻或齊納二極管等來鉗制輸入電壓到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.
當霍爾信號的三相都是相同輸入的狀態(tài)時,輸出將全被關斷.
FR正反轉選擇端用來控制電機轉動的方向,它和5V電壓源間接有10K左右的上拉電阻,如果懸空則默認是FR=1.FR端提供一定的遲滯幅度來增加抗干擾能力.也可在FR端和GND之間接一電容來增加抗干擾能力.
當電機在高速轉動時,如果突然切換FR來改變電機旋轉方向,會使電機系統(tǒng)產生巨大的反電動勢,可能破壞系統(tǒng)和芯片,因此不推薦這樣做.
霍爾輸入和FR正反轉選擇端的譯碼表見下表:
i)FR=0(正轉)
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)
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．欠壓保護電路
本電路檢測加在LVS端上的電壓.該電壓在工作電壓以下時,輸出將全被關斷.為防止保護動作在工作電壓附近不斷開關循環(huán),LVS端提供一定的遲滯幅度.因此,電壓沒有上升到工作電壓以上0.5V則輸出不會恢復.還有,處于保護動作時,RES端電壓也變成“L”.
通過電阻分壓可以使檢測電平升高.LVS端在芯片內部會有一個64K歐姆的等效電阻接地.在用電阻分壓時需要將這個電阻計算在內.

若不使用保護電路,可給LVS加一個不動作電壓,而不是使LVS端開路(因開路時,輸出關閉).

8．RES電路
為使加電時運行穩(wěn)定,RES端初始時要復位.初始復位時,做下面的動作
 輸出全是關斷
 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,用以設定Reset時間.

9．RC電路和FV電路
RC端是設定FV端產生的脈沖幅度(高電平時間)的輸入端.RC端和V5端,GND之間有電阻和電容相接,以設定脈沖的幅度.該幅度和外接RC成正比.這樣,FV端就可以輸出一個頻率和電機轉速成正比的脈沖信號.這可以用來測定電機的轉速,外接F-V轉換器后去控制PWM速度設定電壓的話可以構成速度負反饋.

不使用FV輸出時,RC端接GND,FV端開路.

九．芯片內部框圖


十．典型應用
FM5001主要是為采用直流無刷電機的電動車設計的.同時也可以應用于其他最高電壓不超過45V的直流無刷電機的驅動.可以開拓的市場估計有洗衣機,自行車改裝電動車裝置,工業(yè)中的一些中低功率的電機控制,一些車載電子設備等.EC302基本兼容MC33035和MLX90401.
FM5001提供正/反轉選擇,但使用的時候不推薦在電機轉速較快的時候突然切換旋轉方向.這可能讓電機產生很大的反電動勢,破壞系統(tǒng)或芯片.
下圖為一EC302的典型開環(huán)應用: