直流无刷电机控制方案及磁编码器的应用_MPS_2015_11_18
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Zr 1 K 2 pm m
A相对齐时（3相步进电机为例）
The Future of Analog IC Technology®
无刷直流电机分类及其不同控制技术 步进电机控制原理： • 电周期的通电拍数与步距角的关系（N拍转一个齿距）：
360o s NZ r N Cm
N为一个电周期通电拍数； M为相数； C=1（单拍或者双拍方式），C=2（单双拍方式） 单拍工作方式：每拍只有一相绕组通电； 双拍工作方式：每拍同时有两相绕组通电； 单双拍工作方式：每拍单拍、双拍交替进行；
• MPS转子角度位置传感器特点及应用
• 基于MPS永磁同步电机方案的机器人抛球装置介绍
The Future of Analog IC Technology®
单相直流无刷电机控制技术及方案 单相直流无刷电机原理
• • • 需要检测转子磁场位置 根据位置信息决定通电顺序，以产生持续旋转的磁场 调节H桥占空比从而控制绕组电流大小
MP9518
1 VCC 2 GND FG 3 OUT1 6 5 OUT2 4 PWM
Straight Lead TSOT23-6
PCB PCB
Rotor Magnet
The Future of Analog IC Technology®
单相直流无刷电机控制技术及方案
• 单相直流应用实例：（MP9518为例）
The Future of Analog IC Technology®
磁角度传感器供应商比较
vs.
Monolithic Power Systems
®
… feasible with the same device
The Future of Analog IC Technology®
转子与传感器的摆放方式
• 三相永磁同步电机原理及应用
• • • 各相磁场及BEMF为正弦波 利用3/2旋转变化，把三相交流变量(A/B/C)转化为旋转的2相直流量(d/q) 用相邻基本矢量+零矢量利用面积等效原理所需矢量
The Future of Analog IC Technology®
矢量控制技术在永磁同步电机中的应用 转子磁场定向矢量控制技术（MPS方案）：
永磁同步电机矢量控制技术及方案
• 转子磁场定向矢量控制技术（打印机方案）：
(VIN/3.3V/GND/EN/DIR/CLKIN/BRAKE/FG/FT/SPI/I2C)
From System Controller 3.3V LDO (optional)
MPS Controller QFN4x4mm
• 混合式步进电机：
步距角可以很小 有定位转矩 结构复杂
The Future of Analog IC Technology®
无刷直流电机分类及其不同控制技术 步进电机控制原理： • 电脉冲信号与角度位移成正比 • 两相邻相磁极轴线与转子齿数的关系： Zr为转子齿数，p为极对数，为m相数，K为正整数。
绕组最大电流设定 开关频率设置
The Future of Analog IC Technology®
无刷直流电机分类及其不同控制技术 步进电机控制实例（MP6501A）：
例：32拍（Eight Step）
The Future of Analog IC Technology®
永磁同步电机矢量控制技术及方案
单相直流无刷电机控制技术及方案
• 单相直流无刷电机控制技术实例：（MP9518）
• 检测输入PWM占空比 • 查表获取输出PWM占空比 • 查表可任意数字编程
PWM IN
8-bit
Duty Cal.
BEMF Io
Linear Table Lookup
8-bit PWM_ OUT
HALL
OUT1 θson(45o) θoff(max. 45o) θsoff(45o) OUT2 θson θoff
• 3V to 18V 输入，21V过压保护 • 输入防插反
Top View 1
CIN VCC OUT1
• 软换相抑制电流过冲和噪声 • BEMF和电流自动锁相提高效率
6 5 4
D1 Motor
2 3
GND
OUT2
D2
FG
PWM
• 输出FG/RD可选择
• 内部集成霍尔检测 (min. ± 3mT)
The Future of Analog IC Technology®
• 软换相抑制电流过冲和 噪声 • BEMF和电流自动锁相 提高效率
The Future of Analog IC Technology®
三相直流无刷电机控制技术及方案
三相直流无刷电机原理（三相两两导通六状态）
• • • 根据三相霍尔德位置决定导通相，以产生旋转的定子磁场 每60o有两相导通，另外一相悬空 每相电流导通240o
nSLEEP ENA ENB ENC PWMA PWMB PWMC VREG
VCP
LDO
VREG
• 全集成驱动和三相桥 • QFN5x5mm • MP6540: 60V/5A/30mΩ • MP6541: 35V/8A/13m Ω
SA SB SC
Timing and Control Logic
VCP
单相直流无刷电机控制技术及方案
• 单相直流无刷电机控制技术实例：（MP9518）
PWM IN 8-bit
Duty Cal.
Linear Table Lookup
8-bit PWM_ OUT
Tcase_rise=10º C @VIN=12V, IIN=0.31A Room. Temp,
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TSD
VREF(MCU)
• 实时输出三相电流检测
The Future of Analog IC Technology®
步进电机控制技术及方案 步进电机分类： • 反应式步进电机：
利用磁阻转矩，结构简单 无定位转矩 步距角小
• 永磁式步进电机：
利用电磁转矩，效率高 有定位转矩 步距角度不宜做小
001 101 100 110 010 011 001 101 100 110 010 011
EA IA
EB
IB EC IC
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三相直流无刷电机控制技术及方案
• 三相直流无刷电机控制实例：（MP6530）
• 5V-60V输入
VDD Cdd FAULT CPA 0.47uF CPB CREG VCP VIN CIN VIN
Monolithic Power Systems
®
直流无刷电机控制方案及磁编码器的应用
__秦鸿强/陆桢 2015.11.17
MPS Confidential – Don’t Distribute
内容简介
• 单相直流无刷电机控制技术及方案 • 三相直流无刷电机控制技术及方案 • 步进电机控制技术及方案 • 永磁同步电机矢量控制技术及方案
kp(s+wz1)(s+wz2) s(s+wp1)(s+wp2)
iq * iq
uq* θe
uc*
160MHz MUX &SH
ib
ic
3s/2r
θe p0
10-bit ADC
θm
TM
AccuFilter
The Future of Analog IC Technology®
永磁同步电机矢量控制技术及方案
Fast Normal Brake Brake
Controlled by MP6570 • Brake un-controlled and slow! • More energy lost on diode, winding resistance! Brake controlled and fast!
永磁同步电机矢量控制技术及方案
• 转子磁场定向矢量控制技术（MPS方案）：
速度：20到60000RPM 位置：0.2o 分辨率, 2^32圈
Id Ref (0)
置霍尔检测
id* id
PI
ud* ua*
a
2r/3s ub*
PI
SVPWM b c
Speed/ Postion
Setting Time Control
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无刷直流电机分类及其不同控制技术 步进电机控制实例（MP6501A）：
STEP: 步进命令 DIR: 方向控制
MS2 L L H H MS1 L H L H 模式 Full Half Quarter Eight 拍 数 4 8 16 32
a=0->1
a=1
a=0
a=1->0
The Future of Analog IC Technology®
单相直流无刷电机控制技术及方案
• 单相直流应用实例：（MP9518为例）
• 外围器件少 • 单层PCB设计容易PCB • 控制/H桥/霍尔集成
PWM VCC GND OUT1 FG OUT2
D1 CIN R1 0Ω
Fra Baidu bibliotek
MP6540/1 3-phase bridge
QFN5x5mm
The Future of Analog IC Technology®
转子角度位置传感器
• 磁角度传感器：
Magnet on end of shaft
Angle information: - U, V, W like Hall sensors - A, B, I like optical encoder - SPI readout
• MP6540: 60V/5A/30mΩ • MP6541: 35V/8A/13m Ω
System Controller
ENA/B/C PWMA/B/C nSLEEP iA/B/C
MP6540/1
3-phase Bridge ia/b/c Sense
A
UA UB UC
C
B
0.8V
The Future of Analog IC Technology®
VIN(+) VIN(+)
VIN VIN VIN VINMAX MAX
More energy recycle!
OFF PWM
OFF PWM
OFF PWM
a
IIN IINMAX MAX
c
b
IIN IIN
OFF PWM
OFF PWM
OFF PWM
VIN(-) VIN(-)
The Future of Analog IC Technology®
• 三相驱动可独立控制
• 外部MOSFET，功率应用灵活 •输出驱动可100%占空比工作
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三相直流无刷电机控制技术及方案
• 三相直流无刷电机控制实例：（MP6532）
• 三相驱动可独立控制 • 支持三相霍尔+PWM接口输入
• 5V-60V输入
FB DT RDEAD
MP6530
SLEW Exposed GND PAD GHA SA OC_REF SLEEP ENA ENB ENC PWMA PWMB PWMC GND To Phase B To Phase C GLA
RSLEW
• 死区可调
LSS
Phase A (repeat for B and C)
HS Gate Driver LS Gate Driver
OC_REF nFAULT
Fault Handling
LSS
OCP Comparator VIN UVLO_REF UVLO Comparator G G SOB SOC G SOA Current Measurement (to ADC)
AGND
end-of-shaft
Sensor on-axis of magnet
side-shaft
Sensor off –axis of magnet
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• 死区可调
• 外部MOSFET，功率应用灵活 •输出驱动可100%占空比工作
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三相直流无刷电机控制技术及方案
• 三相直流无刷电机控制实例：（MP6540/1）
• 三相桥臂可灵活单独控制
VIN
CP1
CP2
VCP
VIN
VREG
Charge Pump
• 集成高精度位置传感器 • I2C/SPI数字通讯接口 • FOC控制算法 • 位置/速度/转矩模式 • 非易失储存器存储参数
PVIN LDO 3.3V
MPS
CLKIN DIR EN I2C/SPI FG nFAULT
Non-Volatile Memory 10-bit ADC I2C&SPI Angular Sensor Sinewave FOC Position Speed/Torque
A相对齐时（3相步进电机为例）
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无刷直流电机分类及其不同控制技术 步进电机控制原理： • 电周期的通电拍数与步距角的关系（N拍转一个齿距）：
360o s NZ r N Cm
N为一个电周期通电拍数； M为相数； C=1（单拍或者双拍方式），C=2（单双拍方式） 单拍工作方式：每拍只有一相绕组通电； 双拍工作方式：每拍同时有两相绕组通电； 单双拍工作方式：每拍单拍、双拍交替进行；
• MPS转子角度位置传感器特点及应用
• 基于MPS永磁同步电机方案的机器人抛球装置介绍
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单相直流无刷电机控制技术及方案 单相直流无刷电机原理
• • • 需要检测转子磁场位置 根据位置信息决定通电顺序，以产生持续旋转的磁场 调节H桥占空比从而控制绕组电流大小
MP9518
1 VCC 2 GND FG 3 OUT1 6 5 OUT2 4 PWM
Straight Lead TSOT23-6
PCB PCB
Rotor Magnet
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单相直流无刷电机控制技术及方案
• 单相直流应用实例：（MP9518为例）
The Future of Analog IC Technology®
磁角度传感器供应商比较
vs.
Monolithic Power Systems
®
… feasible with the same device
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转子与传感器的摆放方式
• 三相永磁同步电机原理及应用
• • • 各相磁场及BEMF为正弦波 利用3/2旋转变化，把三相交流变量(A/B/C)转化为旋转的2相直流量(d/q) 用相邻基本矢量+零矢量利用面积等效原理所需矢量
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矢量控制技术在永磁同步电机中的应用 转子磁场定向矢量控制技术（MPS方案）：
永磁同步电机矢量控制技术及方案
• 转子磁场定向矢量控制技术（打印机方案）：
(VIN/3.3V/GND/EN/DIR/CLKIN/BRAKE/FG/FT/SPI/I2C)
From System Controller 3.3V LDO (optional)
MPS Controller QFN4x4mm
• 混合式步进电机：
步距角可以很小 有定位转矩 结构复杂
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无刷直流电机分类及其不同控制技术 步进电机控制原理： • 电脉冲信号与角度位移成正比 • 两相邻相磁极轴线与转子齿数的关系： Zr为转子齿数，p为极对数，为m相数，K为正整数。
绕组最大电流设定 开关频率设置
The Future of Analog IC Technology®
无刷直流电机分类及其不同控制技术 步进电机控制实例（MP6501A）：
例：32拍（Eight Step）
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永磁同步电机矢量控制技术及方案
单相直流无刷电机控制技术及方案
• 单相直流无刷电机控制技术实例：（MP9518）
• 检测输入PWM占空比 • 查表获取输出PWM占空比 • 查表可任意数字编程
PWM IN
8-bit
Duty Cal.
BEMF Io
Linear Table Lookup
8-bit PWM_ OUT
HALL
OUT1 θson(45o) θoff(max. 45o) θsoff(45o) OUT2 θson θoff
• 3V to 18V 输入，21V过压保护 • 输入防插反
Top View 1
CIN VCC OUT1
• 软换相抑制电流过冲和噪声 • BEMF和电流自动锁相提高效率
6 5 4
D1 Motor
2 3
GND
OUT2
D2
FG
PWM
• 输出FG/RD可选择
• 内部集成霍尔检测 (min. ± 3mT)
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• 软换相抑制电流过冲和 噪声 • BEMF和电流自动锁相 提高效率
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三相直流无刷电机控制技术及方案
三相直流无刷电机原理（三相两两导通六状态）
• • • 根据三相霍尔德位置决定导通相，以产生旋转的定子磁场 每60o有两相导通，另外一相悬空 每相电流导通240o
nSLEEP ENA ENB ENC PWMA PWMB PWMC VREG
VCP
LDO
VREG
• 全集成驱动和三相桥 • QFN5x5mm • MP6540: 60V/5A/30mΩ • MP6541: 35V/8A/13m Ω
SA SB SC
Timing and Control Logic
VCP
单相直流无刷电机控制技术及方案
• 单相直流无刷电机控制技术实例：（MP9518）
PWM IN 8-bit
Duty Cal.
Linear Table Lookup
8-bit PWM_ OUT
Tcase_rise=10º C @VIN=12V, IIN=0.31A Room. Temp,
The Future of Analog IC Technology®
TSD
VREF(MCU)
• 实时输出三相电流检测
The Future of Analog IC Technology®
步进电机控制技术及方案 步进电机分类： • 反应式步进电机：
利用磁阻转矩，结构简单 无定位转矩 步距角小
• 永磁式步进电机：
利用电磁转矩，效率高 有定位转矩 步距角度不宜做小
001 101 100 110 010 011 001 101 100 110 010 011
EA IA
EB
IB EC IC
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三相直流无刷电机控制技术及方案
• 三相直流无刷电机控制实例：（MP6530）
• 5V-60V输入
VDD Cdd FAULT CPA 0.47uF CPB CREG VCP VIN CIN VIN
Monolithic Power Systems
®
直流无刷电机控制方案及磁编码器的应用
__秦鸿强/陆桢 2015.11.17
MPS Confidential – Don’t Distribute
内容简介
• 单相直流无刷电机控制技术及方案 • 三相直流无刷电机控制技术及方案 • 步进电机控制技术及方案 • 永磁同步电机矢量控制技术及方案
kp(s+wz1)(s+wz2) s(s+wp1)(s+wp2)
iq * iq
uq* θe
uc*
160MHz MUX &SH
ib
ic
3s/2r
θe p0
10-bit ADC
θm
TM
AccuFilter
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永磁同步电机矢量控制技术及方案
Fast Normal Brake Brake
Controlled by MP6570 • Brake un-controlled and slow! • More energy lost on diode, winding resistance! Brake controlled and fast!
永磁同步电机矢量控制技术及方案
• 转子磁场定向矢量控制技术（MPS方案）：
速度：20到60000RPM 位置：0.2o 分辨率, 2^32圈
Id Ref (0)
置霍尔检测
id* id
PI
ud* ua*
a
2r/3s ub*
PI
SVPWM b c
Speed/ Postion
Setting Time Control
The Future of Analog IC Technology®
无刷直流电机分类及其不同控制技术 步进电机控制实例（MP6501A）：
STEP: 步进命令 DIR: 方向控制
MS2 L L H H MS1 L H L H 模式 Full Half Quarter Eight 拍 数 4 8 16 32
a=0->1
a=1
a=0
a=1->0
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单相直流无刷电机控制技术及方案
• 单相直流应用实例：（MP9518为例）
• 外围器件少 • 单层PCB设计容易PCB • 控制/H桥/霍尔集成
PWM VCC GND OUT1 FG OUT2
D1 CIN R1 0Ω
Fra Baidu bibliotek
MP6540/1 3-phase bridge
QFN5x5mm
The Future of Analog IC Technology®
转子角度位置传感器
• 磁角度传感器：
Magnet on end of shaft
Angle information: - U, V, W like Hall sensors - A, B, I like optical encoder - SPI readout
• MP6540: 60V/5A/30mΩ • MP6541: 35V/8A/13m Ω
System Controller
ENA/B/C PWMA/B/C nSLEEP iA/B/C
MP6540/1
3-phase Bridge ia/b/c Sense
A
UA UB UC
C
B
0.8V
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VIN(+) VIN(+)
VIN VIN VIN VINMAX MAX
More energy recycle!
OFF PWM
OFF PWM
OFF PWM
a
IIN IINMAX MAX
c
b
IIN IIN
OFF PWM
OFF PWM
OFF PWM
VIN(-) VIN(-)
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• 三相驱动可独立控制
• 外部MOSFET，功率应用灵活 •输出驱动可100%占空比工作
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三相直流无刷电机控制技术及方案
• 三相直流无刷电机控制实例：（MP6532）
• 三相驱动可独立控制 • 支持三相霍尔+PWM接口输入
• 5V-60V输入
FB DT RDEAD
MP6530
SLEW Exposed GND PAD GHA SA OC_REF SLEEP ENA ENB ENC PWMA PWMB PWMC GND To Phase B To Phase C GLA
RSLEW
• 死区可调
LSS
Phase A (repeat for B and C)
HS Gate Driver LS Gate Driver
OC_REF nFAULT
Fault Handling
LSS
OCP Comparator VIN UVLO_REF UVLO Comparator G G SOB SOC G SOA Current Measurement (to ADC)
AGND
end-of-shaft
Sensor on-axis of magnet
side-shaft
Sensor off –axis of magnet
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• 死区可调
• 外部MOSFET，功率应用灵活 •输出驱动可100%占空比工作
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三相直流无刷电机控制技术及方案
• 三相直流无刷电机控制实例：（MP6540/1）
• 三相桥臂可灵活单独控制
VIN
CP1
CP2
VCP
VIN
VREG
Charge Pump
• 集成高精度位置传感器 • I2C/SPI数字通讯接口 • FOC控制算法 • 位置/速度/转矩模式 • 非易失储存器存储参数
PVIN LDO 3.3V
MPS
CLKIN DIR EN I2C/SPI FG nFAULT
Non-Volatile Memory 10-bit ADC I2C&SPI Angular Sensor Sinewave FOC Position Speed/Torque