啟動(dòng)直流電機(jī)時(shí)，可能需要大電流，這會(huì)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電源帶來(lái)負(fù)擔(dān)。本文討論了集成到許多電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC中以解決高電流條件的電流調(diào)節(jié)功能。
通常，在啟動(dòng)直流電機(jī)時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電源會(huì)承受大電流的負(fù)擔(dān)。本文使用MonolithicPowerSystems(MPS)的示例，研究集成到無(wú)數(shù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC中以解決高電流條件的電流調(diào)節(jié)功能。在許多情況下，使用電流調(diào)節(jié)可以讓設(shè)計(jì)人員使用更小的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC。
為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，所有示例中均使用有刷直流電機(jī)，但此處描述的過(guò)程也可應(yīng)用于無(wú)刷直流(BLDC)電機(jī)系統(tǒng)。
直流電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)
在討論電流限制和調(diào)節(jié)之前，重要的是要考慮直流電機(jī)的運(yùn)行方式。
簡(jiǎn)而言之，直流電機(jī)可以建模為一個(gè)電壓稱為反電動(dòng)勢(shì)(EMF)與一個(gè)電阻串聯(lián)。圖1顯示了這種設(shè)置。反電動(dòng)勢(shì)是電機(jī)產(chǎn)生的電壓，它與電機(jī)速度成正比。串聯(lián)電阻只是繞組的直流電阻。
1.直流電機(jī)的電氣模型包括電源、串聯(lián)電阻和反電動(dòng)勢(shì)。
轉(zhuǎn)矩，即電機(jī)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力，是在電流流過(guò)電機(jī)時(shí)產(chǎn)生的。
如果沒(méi)有向電機(jī)施加機(jī)械負(fù)載并且向電機(jī)施加電壓(VSRC)，則電機(jī)旋轉(zhuǎn)并加速，直到反電動(dòng)勢(shì)(VBEMF)上升到與VSRC相同的水平。此時(shí)，沒(méi)有電流流動(dòng)。
當(dāng)扭矩施加到軸上時(shí)，電機(jī)減速，導(dǎo)致VBEMF降低，同時(shí)在VSRC和VBEMF之間產(chǎn)生電壓差。該電壓差會(huì)產(chǎn)生從電源流出的電流((VSRC-VBEMF)/RS)。
請(qǐng)注意，這是一種簡(jiǎn)化的理想近似值。實(shí)際上，存在損耗，并且總是有一些電流從源頭流出。
啟動(dòng)馬達(dá)
當(dāng)電機(jī)停止時(shí)，VBEMF為0V。圖1顯示，當(dāng)您第一次向電機(jī)施加電壓時(shí)，電流僅受電機(jī)串聯(lián)電阻的限制。該電阻通常非常小，這會(huì)導(dǎo)致大電流流動(dòng)，直到電機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。電流通常遠(yuǎn)大于電機(jī)的額定連續(xù)電流。圖2顯示了小型直流電機(jī)，下表顯示了電機(jī)的規(guī)格。
2.為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，使用小型直流電機(jī)測(cè)量連續(xù)電流。
該表列出了標(biāo)稱額定連續(xù)電流在1.25A，其對(duì)應(yīng)于最大可允許的連續(xù)扭矩負(fù)載。有了這個(gè)值，人們可能會(huì)認(rèn)為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器只需要支持1.25A的最大電流。
然而，堵轉(zhuǎn)電流（電機(jī)停止時(shí)額定電壓下通過(guò)電機(jī)的電流）為3.3A。這意味著電機(jī)驅(qū)動(dòng)器必須能夠驅(qū)動(dòng)堵轉(zhuǎn)電流以使電機(jī)旋轉(zhuǎn)，或者提供電流限制以軟啟動(dòng)電機(jī)。否則，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可能會(huì)激活過(guò)流保護(hù)(OCP)功能。不提供OCP的設(shè)備可能會(huì)損壞。
另外，啟動(dòng)電機(jī)所需要的大電流，必須要有能夠支持這種大電流的電源。在電池供電的系統(tǒng)中，即使脈沖持續(xù)時(shí)間有限，也會(huì)因吸收高電流脈沖而縮短電池壽命，因此在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)限制電流是有益的。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電流調(diào)節(jié)
許多電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC包括某種形式的電流限制或電流調(diào)節(jié)。圖3顯示了電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC的示例MPS的MP6522，H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。通過(guò)檢測(cè)兩個(gè)低側(cè)MOSFET(LS-FET)中的電流，在IC內(nèi)部測(cè)量電機(jī)電流。該測(cè)量值由電流調(diào)節(jié)電路使用。
3.MP6522是H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，最大輸出電流為3.2A。
測(cè)得的電流通過(guò)RISET引腳上的一個(gè)小型外部電阻器縮放為電壓。該電壓與電機(jī)電流成正比。如果電流達(dá)到1.5V，MP6522在重新啟用之前會(huì)關(guān)閉電機(jī)電流一段固定的時(shí)間。
電動(dòng)機(jī)具有大量的電感。當(dāng)使用電流調(diào)節(jié)來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，當(dāng)H橋打開(kāi)時(shí)電流上升，當(dāng)達(dá)到電流跳變點(diǎn)時(shí)電流下降，隨后驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉電流。結(jié)果是三角電流波形（圖4中的綠色軌跡）。該波形顯示電流由MP6522調(diào)節(jié)在大約1.5A的峰值處。
4.MP6522可有效調(diào)節(jié)電流峰值為1.5A。
電機(jī)啟動(dòng)（失速）電流
MP6522可用于驅(qū)動(dòng)上述小型直流電機(jī)。如果沒(méi)有電流調(diào)節(jié)（RISET電阻器=0Ω）和12V電源，則需要大約3.6A的峰值電流來(lái)啟動(dòng)電機(jī)。圖5顯示了相關(guān)波形。
5、電機(jī)啟動(dòng)電流峰值為3.6A。
當(dāng)電流穩(wěn)定時(shí)，電機(jī)達(dá)到全速。在這種情況下，電機(jī)需要大約50毫秒才能達(dá)到全速。
請(qǐng)注意，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)換向會(huì)導(dǎo)致波形中的電流紋波。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，換向器從一個(gè)段移動(dòng)到下一個(gè)段，并將電流傳輸?shù)较乱粋€(gè)繞組。在這些轉(zhuǎn)換過(guò)程中，電流不斷上升和下降少量。這與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器無(wú)關(guān)。
使用電流調(diào)節(jié)來(lái)限制堵轉(zhuǎn)電流
通過(guò)將RISET電阻器設(shè)置為10kΩ，可以將MP6522設(shè)置為提供1.5A的電流限制。圖6顯示輸出打開(kāi)和關(guān)閉以限制通過(guò)直流電機(jī)的電流。
6.使用10kΩ電阻器，MP6522中的電流可以限制為1.5A。
與電機(jī)在沒(méi)有電流限制的情況下在50毫秒內(nèi)達(dá)到全速相比，在這種情況下電機(jī)需要80毫秒才能達(dá)到全速。
由于電流與施加到電機(jī)的扭矩成正比，因此在啟動(dòng)時(shí)限制電機(jī)電流也會(huì)限制扭矩。由于扭矩將電機(jī)從停止加速到其最終速度，因此限制扭矩也會(huì)限制這種加速，這意味著電機(jī)需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到全速。機(jī)械系統(tǒng)的慣性需要轉(zhuǎn)矩來(lái)加速。因此，如果一個(gè)大的質(zhì)量被耦合到電機(jī)（例如，飛輪），那么時(shí)間會(huì)進(jìn)一步延長(zhǎng)。
機(jī)械系統(tǒng)具有摩擦力，即靜力，也有靜摩擦力。靜摩擦的作用類(lèi)似于摩擦，但一旦系統(tǒng)移動(dòng)，它就會(huì)下降。為了移動(dòng)，電機(jī)必須有足夠的扭矩來(lái)克服摩擦和靜摩擦。這意味著設(shè)計(jì)人員不能將電機(jī)的啟動(dòng)電流設(shè)置得太低。如果電流限制太多，則電機(jī)可能根本無(wú)法啟動(dòng)，或者可能需要很長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到所需的速度。
結(jié)論
本文探討了如何使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（例如MPS的MP6522）提供的電流調(diào)節(jié)功能來(lái)調(diào)節(jié)和控制啟動(dòng)直流電機(jī)時(shí)流過(guò)的大電流。通過(guò)了解如何正確限制電機(jī)的啟動(dòng)電流，設(shè)計(jì)人員不僅可以使用更小的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，還可以優(yōu)化系統(tǒng)的電流傳輸。
