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通过电流调节优化直流电机驱动器解决高电流问题

发表时间:2021-09-19 16:00【 阅读量:-

  启动直流电机时,可能需要大电流,这会给电机驱动器和电源带来负担。本文讨论了集成到许多电机驱动器IC中以解决高电流条件的电流调节功能。


  通常,在启动直流电机时,电机驱动器和电源会承受大电流的负担。本文使用MonolithicPowerSystems(MPS)的示例,研究集成到无数电机驱动器IC中以解决高电流条件的电流调节功能。在许多情况下,使用电流调节可以让设计人员使用更小的电机驱动器IC。


  为简化起见,所有示例中均使用有刷直流电机,但此处描述的过程也可应用于无刷直流(BLDC)电机系统。


  直流电机基础知识


  在讨论电流限制和调节之前,重要的是要考虑直流电机的运行方式。


  简而言之,直流电机可以建模为一个电压——称为反电动势(EMF)——与一个电阻串联。图1显示了这种设置。反电动势是电机产生的电压,它与电机速度成正比。串联电阻只是绕组的直流电阻。

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  1.直流电机的电气模型包括电源、串联电阻和反电动势。


  转矩,即电机产生的旋转力,是在电流流过电机时产生的。


  如果没有向电机施加机械负载并且向电机施加电压(VSRC),则电机旋转并加速,直到反电动势(VBEMF)上升到与VSRC相同的水平。此时,没有电流流动。


  当扭矩施加到轴上时,电机减速,导致VBEMF降低,同时在VSRC和VBEMF之间产生电压差。该电压差会产生从电源流出的电流((VSRC-VBEMF)/RS)。


  请注意,这是一种简化的理想近似值。实际上,存在损耗,并且总是有一些电流从源头流出。


  启动马达


  当电机停止时,VBEMF为0V。图1显示,当您第一次向电机施加电压时,电流仅受电机串联电阻的限制。该电阻通常非常小,这会导致大电流流动,直到电机开始旋转。电流通常远大于电机的额定连续电流。图2显示了小型直流电机,下表显示了电机的规格。

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  2.为简化起见,使用小型直流电机测量连续电流。


  该表列出了标称额定连续电流在1.25A,其对应于最大可允许的连续扭矩负载。有了这个值,人们可能会认为电机驱动器只需要支持1.25A的最大电流。


  然而,堵转电流(电机停止时额定电压下通过电机的电流)为3.3A。这意味着电机驱动器必须能够驱动堵转电流以使电机旋转,或者提供电流限制以软启动电机。否则,电机驱动器可能会激活过流保护(OCP)功能。不提供OCP的设备可能会损坏。


  另外,启动电机所需要的大电流,必须要有能够支持这种大电流的电源。在电池供电的系统中,即使脉冲持续时间有限,也会因吸收高电流脉冲而缩短电池寿命,因此在电机启动时限制电流是有益的。


  电机驱动器电流调节


  许多电机驱动器IC包括某种形式的电流限制或电流调节。图3显示了电机驱动器IC的示例——MPS的MP6522,H桥电机驱动器。通过检测两个低侧MOSFET(LS-FET)中的电流,在IC内部测量电机电流。该测量值由电流调节电路使用。

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  3.MP6522是H桥电机驱动器,最大输出电流为3.2A。


  测得的电流通过RISET引脚上的一个小型外部电阻器缩放为电压。该电压与电机电流成正比。如果电流达到1.5V,MP6522在重新启用之前会关闭电机电流一段固定的时间。


  电动机具有大量的电感。当使用电流调节来驱动电机时,当H桥打开时电流上升,当达到电流跳变点时电流下降,随后驱动器关闭电流。结果是三角电流波形(图4中的绿色轨迹)。该波形显示电流由MP6522调节在大约1.5A的峰值处。

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  4.MP6522可有效调节电流峰值为1.5A。


  电机启动(失速)电流


  MP6522可用于驱动上述小型直流电机。如果没有电流调节(RISET电阻器=0Ω)和12V电源,则需要大约3.6A的峰值电流来启动电机。图5显示了相关波形。

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  5、电机启动电流峰值为3.6A。


  当电流稳定时,电机达到全速。在这种情况下,电机需要大约50毫秒才能达到全速。


  请注意,当电机旋转时,电机换向会导致波形中的电流纹波。当电机旋转时,换向器从一个段移动到下一个段,并将电流传输到下一个绕组。在这些转换过程中,电流不断上升和下降少量。这与电机驱动器无关。


  使用电流调节来限制堵转电流


  通过将RISET电阻器设置为10kΩ,可以将MP6522设置为提供1.5A的电流限制。图6显示输出打开和关闭以限制通过直流电机的电流。

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  6.使用10kΩ电阻器,MP6522中的电流可以限制为1.5A。


  与电机在没有电流限制的情况下在50毫秒内达到全速相比,在这种情况下电机需要80毫秒才能达到全速。


  由于电流与施加到电机的扭矩成正比,因此在启动时限制电机电流也会限制扭矩。由于扭矩将电机从停止加速到其最终速度,因此限制扭矩也会限制这种加速,这意味着电机需要更长的时间才能达到全速。机械系统的惯性需要转矩来加速。因此,如果一个大的质量被耦合到电机(例如,飞轮),那么时间会进一步延长。


  机械系统具有摩擦力,即静力,也有静摩擦力。静摩擦的作用类似于摩擦,但一旦系统移动,它就会下降。为了移动,电机必须有足够的扭矩来克服摩擦和静摩擦。这意味着设计人员不能将电机的启动电流设置得太低。如果电流限制太多,则电机可能根本无法启动,或者可能需要很长时间才能达到所需的速度。


  结论


  本文探讨了如何使用电机驱动器(例如MPS的MP6522)提供的电流调节功能来调节和控制启动直流电机时流过的大电流。通过了解如何正确限制电机的启动电流,设计人员不仅可以使用更小的电机驱动器,还可以优化系统的电流传输。

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