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（EvaluationKit）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7x7mmTQFP48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/24VBLDC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。可通过调节R2/C1参数使电机实现软启动特性FT310评估板输入宽电压范围6至28V，工程师可根据不同输入电压的电机来快速完成设计任务，输出电流可根据具体MOSFET/IGBT的驱动能力来驱动电动机，允许工作的电流范围仅需要通过电阻来设定即可，注意，对于大功率输出场合，由于MOSFET功率和散热有限，使用FT310评估板难以满足设计要求。电机驱动应用中，采用本评估板来控制电机，用户应参考表1所示的跳线设定，表2电机接线和表3的电机调试选择接口。表一：FT310评估板的跳线设置：跳线电机控制J0,J1,J2,J3,J4,J5,J6电机模式选择JP1上位机智能接口J8,J9,J10地信号SW12电源开关表二：FT310评估板的电机接线：标识电机控制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（DutyCycle）大小决定，详细的控制方法见FT310芯片datasheetpage56.SpeedControlmethods。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4FT3xx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5PWM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。SREFVDD6R1C1FT3XX3.3K10KFGPWMMCUIO5V10K速度信号检测图7FG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8SMIN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