三相PWM电机驱动器A3936及其应用

摘要：A3936是美国Allegro公司生产的一种DMOS三相PWM电机驱动器，文中详细介绍了A3936的主要特点、引脚功能和工作原理，给出了基于PCI04的某型船载卫星电视接收系统中三维伺服驱动控制系统的硬件电路设计方法。
关键词：无刷直流电动机；驱动器；A3936；并行接口

O 引言
    无刷直流电动机以其具备交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，同时又具备直流电动机的效率高、调速性能好等诸多特点，而在工业控制、仪器仪表、航空航天等领域的应用日益广泛。A3936就是Allegro公司推出的新一代三相无刷直流电动机专用控制／驱动器芯片。

1 A3936的特点功能
1．1 主要特点
    A3936是美国Allegro公司生产的新型DMOS三相PWM电机驱动器，它主要包括换相逻辑和功率驱动电路，可通过给定控制电压信号和方向控制逻辑信号来完成无刷直流电动机的调速和正反转控制。另外，A3936还具有内部欠压锁定、交叉电流保护、过热保护等功能，因而使用非常方便。此外，A3936还具有±3 A／50 V的连续输出；并具有可编程的四种续流工作模式。包括slow模式、fast模式和2种mixed模式；同时可低功耗同步整流控制。A3936的输出电阻在拉电流时的典型值为0．55 Ω；灌电流时的典型值为0．35 Ω。A3936芯片内部带有欠压锁定、交叉电流保护和过热保护功能，并有睡眠及空闲模式，以及可制动功能和死区设置。
1．2 引脚介绍
    A3936芯片采用44脚PLCC封装型式，其引脚排列如图l所示。各引脚的功能如下：

    引脚1、2、11、12、13、22、23、24、33、34、35、44(GND)：接地端；
    引脚3、4、5、6、7、8(HA、HB、HC)：无刷直流电动机HALL元件信号输入端；
    引脚9(VDD)：+5 V电源；
    引脚10(REF)：参考电压VREF输入端，通过控制该电压可控制PWM占空比；
    引脚14(BRAKE)：制动控制端，当该脚为高电平时，无刷直流电动机内的电流会瞬间释放，电机突然停转；而在正常使用时，该脚接低电平；
    引脚15(SENSE)：采样电阻RS引脚，其数值一般取0．1 Ω。该采样电阻与VREF可决定电动机的负载电流。
    引脚16(SR)：同步整流输入，高电平有效；
    引脚17、2l、28(OUT)：无刷直流电动机A、B、C相驱动输出端；
    引脚18 (HBIAS)：HALL元件的负极；
    引脚19、26(VBB)：负载电源；
    引脚20、25 (LSS)：通过采样电阻RS与负载电源地相连；
    引脚27 (TACH)：速度输出，一般悬空不用；
    引脚29 (VCP)：充电电容连接端，应通过0．22μF／50 V电容与VBB相连；
    引脚30、3l(CPl、CP2)：电荷泵电容连接端，二者应通过0．22μF／100 V电容相连；
    引脚32 (SLEEP)：睡眠模式逻辑控制输入端，低电平输入时，进入睡眠模式；
    引脚36 (OSC)：振荡信号连接端，可通过51kΩ电阻与VDD相连；
    引脚37 (VREG)：整流去耦端，应外接0．22 μF／50V去耦电容；
    引脚38 (DIR)：方向控制逻辑输入端，低电平为顺时针旋转，高电平为逆时针旋转；
    引脚39 (ENABLE)：使能控制逻辑输入端；
    引脚40 (EXTMODE)：外接PWM控制模式逻辑输入端。使用外接PWM控制模式时，若输入高电平，为电流慢衰减模式；若输入低电平，则为
电流快衰减模式；
    引脚41 (BLANK)：为死区逻辑控制输入端；若输入高电平，死区时间为12／fosc；若输入低电平，死区时间为6／fosc；
    引脚42、43(PFD)：PFD逻辑控制输入端，二者组合可用于决定采用哪一种续流控制模式。

2 A3936的工作原理
2．1 通电控制规律
    A3936内部具有全桥驱动的功率逻辑开关单元和位置传感器的信号处理单元，可用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间。全桥驱动的功率逻辑开关单元可将电源的功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子上的各相绕组，以使电动机产生持续不断的转矩。位置传感器的信号处理单元可将电动机转子的位置信号转换为电信号，以便为功率逻辑开关电路提供正确的换相信息，控制电动机定子绕组换相。同时，电动机的转向还受到38脚方向控制逻辑的控制。三者之间的逻辑关系如表1所列。

    表l中，在HALL传感器部分： “+”表示高电平； “-”表示低电平；输出部分：“+”表示正向通电：“-”表示反向通电。
2．2 负载电流调节
    负载电流可通过A3936内部的固定低电平(使用4MHz晶振时，典型值为24μs)PWM电路进行调节。当H桥正常工作时，电动机绕组电流上升，直到到达阈值为止，该阈值由下式决定：
   
    达到阈值时，逻辑电路将关闭H桥，负载电流在感应电动势的作用下进行续流，其续流时的流通路径由slow／mixed续流模式和同步整流模式决定。
2．3 续流控制模式
    A3936的输入引脚PFD1和PFD2的电平信号决定了过流关断或PWM斩波时负载电流的不同续流模式。根据PFDl和PFD2电平信号的不同，A3936共有四种续流控制模式：slow模式、fast模式和两种mixed模式，不同的续流模式决定了不同的负载电流波形。PFD电平信号与续流模式之间的关系如表2所列。

2．4 同步整流模式
    当A3936的SR引脚为高电平时，使能同步整流模式，此时负载电流按照控制逻辑选定续流模式进行续流。在续流期间，同步整流控制电路开通对应MOSFET管，以使得负载电流同时可以通过MOSFET管续流，从而降低续流时的导通电压，减小导通损耗。同时，该同步整流控制电路还考虑了死区保护，故可防止桥臂直通。

3 A3936的应用电路
    A3936无刷直流电动机驱动集成电路由于其集成度高，外围元件少，使用起来非常简便。其外围电路连接图如图2所示。

    电路连接后，便可设置续流控制模式和同步整流模式(也可不用)。之后，只需给出电动机旋转的方向(由38脚的控制逻辑决定)和旋转的速度(由10脚REF的电压决定)，即可完成对电动机的控制。某型船载卫星电视接收系统的伺服驱动控制需要对接收天线的水平、俯仰和横滚三个方向进行伺服驱动控制，其控制核心采用PC104计算机，并利用其I／O口(25针并口)实现对A3936的控制。由于PC104的输出为数字量且需控制三台无刷直流电动机，因此，本设计增加了4路8位D／A转换电路MAX505和8位选通开关CD4099。MAX505用于控制电动机转速；CD4099则用于控制电动机的转向。其电路结构图如图3所示。

    PC104标准并口具有12个输出位和5个输入位，其中8位数据位DO～D7中的D0～D6是送给MAX505的数据，可经D／A转换后用于控制无刷直流电机的转速。A0、A1是MAX505的地址线，可由PC104并口的14、17引脚控制，用于决定DO～D6应当转换到VOUTA、VOUTB、VOUTC中的哪个输出端。WR为写控制端，由PC104并口的16引脚控制，但当数据写操作完成后，必须将WR端置1。D7代表转动方向(D7为0代表顺时针转动；D7为1代表逆时针转动)，D7通常连接到CD4099的引脚3上，可以使CD4099根据A0、A1的地址数据将此方向的信息送到相应的输出端，从而控制相应A3936，并最终实现对相应无刷直流电动机的方向控制。当需要对无刷直流电动机进行控制时，只需对相应的地址(0X378、0X37A)写入控制字，便可实现对电动机的转动方向和转速的控制。

4 结束语
    A3936独特的续流控制模式，可使无刷直流电动机在不同负载时均可获得不同的负载电流波形，从而保证较高的控制精度。同步整流模式则可降低续流时的导通电压和功耗。由于A3936器件与计算机接口兼容，控制方式简单灵活，因而具有较高的应用价值。