直流无刷电机FT310应用手册

概述
该应用手册描述了Fortior的 FT310芯片在三相直流无刷电机驱动上的应用设计，给出了典型应用电路实例。

FT310芯片是一款是三相无位置传感器无刷直流电机控制器，提供直接外部驱动换向和电流控制。

FT310芯片无位置传感器无刷直流电机驱动可以去除转子位置传感器如霍尔元件，并且简化了电机的结构，在节省成本的同时又提高了电机系统的可靠性和稳健性。

FT310具有很强的启动适应性，无需HALL传感器，通过简单的调节和极少的外部器件，使电机驱动器可以直接安装在各电机本身，设计更灵活，应用推广更方便。

Fortior电机驱动芯片采用LDMOS先进工艺设计实现，具有宽电压、耐高温、长寿命等特点，非常适合要求苛刻的电机控制应用。

目前已在很多要求严苛的市场（包括汽车、工业、通讯和办公设备）中得到应用。

Fortior 的产品可应用于诸如汽车气筒、油泵、电子动力转向系统(EPS)、工业风机、电动工具、电玩（航模）、按摩设备、打印机（喷墨式和激光式）等电机驱动器应用以及各种冷却风扇的应用。

FT310芯片评估板
FT310评估板（Evaluation Kit）是完全组装并经过测试的PCBA，用来演示FT310驱动控制芯片在驱动各种电机时的启动、带载及功能保护的特性。

可用来做为各种BLDC电机驱动的开发、调试和方案定型。

FT310使用峰岹独有的控制算法引擎，具有使电机高效率和低功耗运行的特点，采用硬
件设计实现驱动与外部之间的控制和高速切换，避免了其他类似器件需要反复调试和编码的过程。

FT310评估板采用FT310主控芯片，内置了驱动Pre-driver电路，外接电路由3个P管、3个N管的全桥MOSFET驱动和外围保护电路及开关组成，输入电压范围从6至28V，可驱动高达20A以上的电机负载可靠运转，并且可以同时具备过流/限流保护、过热保护、电机正反转、堵转保护及速度调节控制。

FT310评估板具有板上跳线设置，允许用户设置和选择多种控制模式，以提高大多数电机的适应性，满足用户手上各种不同类型的电机调试任务，
快速推出适应市场需求的高性能产品。

FT310评估板具有电位调节器，可对电机的启动特性进行调节，调试完成后用分压电阻代替电位器即可，从而实现BLDC电机的最优化启动。

特性
6.0V至28V宽电压输入范围
输出端预置20A的承受电流，根据MOSFET选择
可驱动更大负载
高速PWM输出，独特的驱动引擎，实现内外电路的快速开关切换
芯片内部集成高速Pre-driver，外部只需增加
MOSFET，进一步节省PCB空间
支持电位器线性调速和PWM数字调速
可选择模式控制DMS0~DMS6，可适应驱动多种类BLDC电机
软启动
输出过载保护
可限制电流
热保护
预置启动/复位开关
预留智能控制接口（速度检测、堵转报警、智能调速等）；
封装7x7mm TQFP48
无铅（Pb）并符合RoHS标准
完全组装并经过测试
硬件验证（快速入门）
FT310评估板经过完整的安装和测试，请按照以下步骤验证电路板的工作状况：
1)将可调直流电源输出调节在+12V或+24V，关闭电源。

注意：在完成所
有连接之前，请勿打开电源。

2)将电源的正/负极接通，或直接将电源线的火牛接口接入评估板，打开
电源开关SW2。

3)将数字万用表正极输入端连到+6V和+1.8V测试点焊盘，负极输入端连
到GND焊盘，测量芯片输出电压，确保芯片工作正常。

4)关闭电源，将电机的三相引线接入评估板输出端的U/V/W焊盘之间。

5)打开电源，按下启动/复位开关SW1。

6)确认电机是否有反应（抖动/旋转等），未能正常启动，请迅速关闭启
动/复位开关SW1，等待调试。

7)硬件检测完毕，进入调试阶段。

（后续章节将详细介绍驱动板的应用
步骤和电机调试过程）
所需硬件
FT310评估板（图1）
一个电压可调的直流电源，提供6V至28V电压、20A电流、数字万用表、电流表、12V/24V BLDC电机
硬件详细说明
图1为三相直流无刷驱动芯片FT310评估板PCBA 图2为FT310评估板的功能框图
◆该电路图为三相直流无刷控制芯片FT310的典型应用电路结构图。

◆通过跳线选择电动机驱动模式，可适应大多数BLDC电机应用。

◆ ,; 通过一个电位器线性调速或PWM数字调速。

通过电阻分压R6/R7、R8/R9、R10/R11采集相端反馈电压来检测反电动势（BEMF），内部自适应ZCP过零检测电压，BEMF反馈端电压峰值不超过6V。

◆电动机启动特性由R12/R13、R14/R15分压电阻调节。

电流限制、过热保护均由芯片内部的运放来实现，通过外部给定的电压大小决定具体的电流/温度工作范围。

◆过流检测通过相端输出采样电阻R18，由外部开关电路产生FAULT信
号给芯片，使芯片停止工作。

VR4（RSF）电机启动换相频率调节
VR7（RPI）电机启动力矩调节
VR1 电机调速电位器
SW1 电机复位按钮
FT310驱动板功能说明及电机调试：
电机启动调节
∙
●∙模式选择
针对不同类型的BLDC电机，因为启动要求的力矩，时间，速度等特性差异很大，FT310芯片给出了典型应用下的电机驱动最佳模式，以保证电机的高效率运转，见表四。

表四：电机驱动模式选择
选择序号DMS0~DMS6应用电机类型备注
11000010电玩、无叶风扇、电动工具21000101泵类、打印机、电动窗帘、无叶风扇31001010电玩、电动工具、按摩设备41001110各类风扇、风机
51011000冷却风扇
61011010吊扇
71011011大负载泵、风机等81011100超大负载泵、风机等
Notes：1代表DMS模式引脚置高电平（+6V），0代表DMS模式引脚置低电平（0V）。

当用户调试模式固定后，PCB设计时可通过直接悬空或接地处理来完成模式的配置（DMS 端引脚悬空代表置高电平）。

启动特性调试（对应RPI/RSF引脚）
1. RPI和RSF的作用
RPI的电压决定了电机启动电流的大小，RPI电压越大，电机的启动电流越大，RPI电压越小，启动电流越小。

而电机的启动电流决定了电机在启动时产生的转动力矩T，启动电流越大，启动时电机产生的转动力矩T越大；反之越小。

RSF的电压决定了电机启动时换向频率的大小，RSF电压越大，电机启动时的换相频率越小，反之越大。

对于负载大、转速慢的电机，换向频率都比较小，加在RSF上的电压都比较大，例如风扇类的电机RSF值都在4.5V以上；对于负载小、转速高的电机，换相频率都比较大，加在RSF上的电压都比较小，例如水泵和航模类的电机RSF值都在3.5V以下。

2. RPI和RSF在调试电机时具体操作方法
由于无感BLDC电机在启动时需要定位转子的的位置，如果电机启动时注入电机的电流过大或者换相频率不匹配，都会造成电机启动时产生抖动和反转现象，严重的导致电机启动不了或者引起较大的电流冲击，烧毁驱动端MOSFET电路。

具体调试过程：
首先将电位器VR2/RSF引脚电压调至6V，电位器VR3/RPI引脚电压调至2V，启动电机，观察电机启动时的现象。

如RSF/RPI参数设置不当，则会表现为以下几类现象：
A、启动时反转几次然后正常运转。

B、启动过程中停顿几下然后正常运转，严重时直接停止。

C、启动时电机轻微抖动，转不起来。

D、启动时剧烈抖动几下，引起电源电流较大的波动。

针对以上现象，RPI和RSF应做如下调整：
a、针对A现象，将RPI引脚上的电压减小，同时将RSF引脚上的电压增大，直到不反转
为止。

b、针对B现象，将RSF引脚上的电压减小，直到启动的过程中没有停顿为止。

c、针对C现象，将RPI引脚上的电压慢慢增大，直到可以顺利启动为止。

d、针对D现象，将RPI引脚上的电压减小，直到电机启动时不会引起电流的波动为止。

调速和转速闭环控制
电机速度控制由芯片输出的PWM占空比（Duty Cycle）大小决定，详细的控制方法见FT310芯片datasheet page5<6.Speed Control methods>。

电位器无级调速
图3 电位器无级调速电路图
大多数电机调速需要通过电位器无级调速，在此应用中的电路图如图3，当SREF的电压等于VDD6时，电机的转速最高；当SREF的电压等于GND时，电机停止转动，一般情况下，电机正常启动的需要加在SREF引脚端的电压为3～4V左右，速度曲线如图4，x轴代表SREF引脚电压，y轴代表速度百分比。

图4 FT3xx速度VS电压曲线图
●∙软启动（推荐用户使用）
R1和C1的作用是实现电机的软启动，时间常数τ=R1×C1，一般设置为R=1MΩ，C=2.2uF，启动时间约3～6秒。

●∙PWM调速
图5 PWM调速电路图
PWM数字信号调速电路如图5，由MCU端给出不同占空比大小的PWM信号，来控制三极管通断，再将PWM数字信号通过R/C充放电回路转换为模拟电平给到SREF引脚端，再控制芯片的输出PWM占空比，芯片内部PWM信号的频率固定为25K，此处MCU输入给电机控制芯片的PWM频率至于SREF引脚端的R/C取值有关，当MCU/PWM频率较低时，R/C充放电时间常数选择小些，当MCU/PWM频率选择较高时，R/C充放电时间常数要适当大些。

∙
●∙闭环速度控制
图6 闭环控制电路框图
闭环控制电路如图6，通过外接控制器检测芯片FG引脚上信号的频率，以此来确定电机的转速，再通过PWM来调节电机的转速，达到速度闭环控制的目的。

SREFVDD6R1C1FT3XX3.3K10KFGPWM MCU IO5V10K速度信号检测
图7 FG信号引脚逻辑图
FG信号的内部电路如图7，使用外部控制器检测FG信号时，需要将FG信号上拉到控制端的数字高电平。

转速（ns）与FG频率信号（f）的计算公式为：转速ns=60*f/p，其中p 为电机极对数。

最小速度设置（SMIN）
对于无感BLDC电机，在使用无级调速时，可以使电机在很低的速度运行，但是当速度极低的时候，就会出现不连续转动的状态，即转一下停一下，为了防止这种状态，使SMIN 引脚的电压大于使电机保持连续运转所需的SREF引脚端电压。

当速度继续降低时，即SREF 引脚上的电压小于SMIN引脚的电压时，驱动器直接关掉输出，电机停止工作。

如果不需要限制最低转速，可将SMIN引脚置低电平，则电机速度由外部速度控制引脚电平决定，如图8。

图8 SMIN引脚电路接线图
限流功能设置
限流的作用可以帮助在一些场合要求严格限制转速或负载电流的情况下使用到，开启限流功能，倘若电机转速要继续增大，此时不管是提高PWM调节脉宽还是增加SREF端电压，电机的工作电流会始终保持在限制的门限值范围内。

图9 限流功能电路图
电路连接框图如图9，通过电阻R1和R2设置限流的门限。

Rsense为电机工作电流采样电阻。

过流保护（OCP）
当电机的工作电流超出设定的门限值或者电机系统发生短路时，直接由FAULT信号关闭芯片输出。

使其处于待机状态，需要重启（RESET）或者重新上电才能开启，自动重启的时间由RSD设置，即自动重启时间等于堵转重启所需的时间。

图10 过流保护功能电路图
电路接法如图10，电容3.3K和10nF根据电路保护时间要求，可以进行适当的调整；FAULT 正常情况为高电平，芯片内部检测FAULT引脚上有下降沿时，就认为是过流，立即关闭输出。

过热保护（OTP）
过热保护为芯片外部温度检测保护功能，当被检测的环境温度超过设定的温度门限时，控制器关闭输出。

图11 过热保护功能电路图
电路接法如图11，当VTH电压大于VLIMIT电压时，控制器正常工作；当VTH电压小于VLIMIT 电压时，进入过热保护状态，芯片关闭输出；当环境温度恢复时，芯片自动恢复工作。

2、芯片内部温度保护
FT310芯片内部有温度检测模块，当芯片的工作温度超过150°时，芯片自动关闭输出；当温度恢复后，芯片自动恢复工作。

过压保护（OVP）
过压保护电路：
1. 推荐使用外部运放电路。

2. 当系统不需要过热保护功能时，可与过热保护功能电路复用，设置VTH为参考门限电压，VLIMIT为输入判决电压，当电压超过门限时，关闭输出，当电压恢复时，芯片自动恢复工作。

参考电路图如图12：
图12 过压保护电路
欠压保护（UVLO）
FT310芯片内部可以自动判断欠压状态，当VDD6引脚电平低于+3V，芯片停止工作。

如果用户需要VCC外部输入欠压保护，可通过外部接入运算放大器电路来实现。

堵转功能
堵转功能包括堵转检测和堵转重启处理，当电机被堵转后，堵转信号状态检测由RD引脚给出，芯片内部会输出高电平状态，外部MCU检测时，需要外接10K上拉电阻，如图13：
图13 堵转检测信号内部电路图
堵转检测信号：电机正常运行时，RD信号是低电平，电机堵转，RD信号为高电平。

但是RD 信号在电机启动过程保持2至3秒的高电平（启动时间与电机特性有关），电机正常启动后变成低电平，随后在发生堵转时才变为高电平，堵转信号状态如图14：
图14 堵转检测信号状态图
注意：当需要对堵转信号检测时，请在电机正常启动后开始检测，因为电机在启动的过程中，RD有变化，会导致误检测，可能会造成上位机误操作。

堵转重启时间通过RSD引脚外接分压电阻来决定，如图15所示，堵转重启时间定义：从电机停转，到电机恢复运行的时间，堵转重启时间Time（秒）=[R2/(R1+R2)]*63。

图15 堵转检测信号状态图
正反转功能
在电路结构不变，电机接线端子不变的情况下，FT310可以实现电机正反转。

如图16：
图16 堵转检测信号状态图
F/R悬空时，默认电平为高电平，需要反转时，将F/R直接接地。

在正反转切换时，需要先通过RESET引脚关闭电机的输出，再将F/R的电平变化，然后通过RESET引脚启动电机，实现电机反转。

注意：因直接切换F/R电平实现正反转可能会导致负载电流急剧增大而损坏外部驱动端电路。