【導(dǎo)讀】直流電機(jī)啟動(dòng)時(shí)可能需要大電流，這會(huì)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電源帶來(lái)負(fù)擔(dān)。許多電機(jī)驅(qū)動(dòng) IC 中都集成了電流調(diào)節(jié)功能，本文將討論如何利用該功能，同時(shí)以MPS的產(chǎn)品為例來(lái)說(shuō)明如何解決大電流問(wèn)題。在很多情況下，設(shè)計(jì)人員可以利用電流調(diào)節(jié)功能選用更小的電機(jī)驅(qū)動(dòng) IC。
為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本文所有示例均采用有刷直流電機(jī)，但文中描述的過(guò)程也同樣適用于無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)系統(tǒng)。
直流電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)
在討論電流限與調(diào)節(jié)之前，需要先了解直流電機(jī)的運(yùn)行方式。
最簡(jiǎn)單的直流電機(jī)模型為一個(gè)電壓（稱(chēng)為反電動(dòng)勢(shì) ，EMF）與一個(gè)電阻的串聯(lián)（見(jiàn)圖 1）。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；而串聯(lián)電阻就是繞組的直流電阻。
圖1: 直流電機(jī)的電氣模型
扭矩（即電機(jī)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力）由電流流過(guò)電機(jī)時(shí)產(chǎn)生。
在電機(jī)沒(méi)有機(jī)械負(fù)載時(shí)，向電機(jī)施加電壓 (VSRC)，電機(jī)將旋轉(zhuǎn)并加速，直到反電動(dòng)勢(shì) (VBEMF)上升到與 VSRC相同。此時(shí)，電機(jī)中沒(méi)有電流。當(dāng)我們施加扭矩到電機(jī)軸時(shí)，電機(jī)開(kāi)始減速，這導(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)生成電流 （(VSRC - VBEMF) / RS)從電源流出。
注意，這只是一個(gè)簡(jiǎn)化的理想近似值；現(xiàn)實(shí)中會(huì)存在損耗，電源也始終都會(huì)有一些電流流出。
啟動(dòng)電機(jī)
當(dāng)電機(jī)停止時(shí)，VBEMF 為 0V。如圖 1 所示，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)帶來(lái)較大的電流，直到電機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。該電流通常比電機(jī)的額定連續(xù)電流大很多。圖 2 顯示了一個(gè)小型直流電機(jī)。
圖2 ：小型直流電機(jī)
表1所列為該電機(jī)的規(guī)格。
表1: 小型直流電機(jī)規(guī)格
如表 1所示，該電機(jī)具有1.25A 的標(biāo)稱(chēng)額定連續(xù)電流，其對(duì)應(yīng)于允許的最大連續(xù)扭矩負(fù)載。看到這個(gè)值，人們可能會(huì)認(rèn)為，電機(jī)驅(qū)動(dòng)只需要支持 1.25A 的最大電流即可。但是，堵轉(zhuǎn)電流（電機(jī)停止時(shí)，額定電壓下的電機(jī)電流）為 3.3A。 這意味著電機(jī)驅(qū)動(dòng)必須能夠驅(qū)動(dòng)堵轉(zhuǎn)電流以使電機(jī)旋轉(zhuǎn)，或者必須提供電流限制以軟啟動(dòng)電機(jī)。否則，電機(jī)驅(qū)動(dòng)可能會(huì)激活過(guò)流保護(hù) (OCP) 功能。而如果沒(méi)有過(guò)流保護(hù)功能，設(shè)備將可能被損壞。
此外，啟動(dòng)電機(jī)需要大電流，也需要能夠支持這種大電流的電源。在電池供電系統(tǒng)中，盡管大電流脈沖持續(xù)的時(shí)間有限，電池仍會(huì)因?yàn)槲者@些脈沖而縮短壽命，因此在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，限流是有益的。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電流調(diào)節(jié)
許多電機(jī)驅(qū)動(dòng) IC 都包含某種形式的電流限制或電流調(diào)節(jié)功能。
我們以MPS 的電機(jī)驅(qū)動(dòng) ICMP6522為例進(jìn)行說(shuō)明。MP6522是一款H 橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)（見(jiàn)圖 3）。它可以對(duì)兩個(gè)下管MOSFET (LS-FET) 中的電流進(jìn)行采樣，從而實(shí)現(xiàn)在IC 內(nèi)部測(cè)量電機(jī)電流。該測(cè)量值將用于電流調(diào)節(jié)電路。
圖3: MP6522功能模塊圖
測(cè)量電流通過(guò) RISET 引腳上的一個(gè)小型外部電阻轉(zhuǎn)換為電壓。該電壓與電機(jī)電流成正比。如果電流達(dá)到 1.5V，MP6522會(huì)在重新啟動(dòng)之前關(guān)閉電機(jī)電流一段時(shí)間。
電機(jī)具有較大的電感值。在使用電流調(diào)節(jié)功能驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，H 橋?qū)ǎ娏魃仙?，?dāng)達(dá)到電流跳變點(diǎn)時(shí)電流下降，然后驅(qū)動(dòng)關(guān)斷電流。最后形成的電流波形為三角波（如圖 4中的綠色跡線(xiàn)所示）?？梢钥吹?，MP6522在大約1.5A 的峰值處對(duì)電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。
圖4: 電流調(diào)節(jié)
電機(jī)啟動(dòng)（堵轉(zhuǎn)）電流
MP6522 可用于驅(qū)動(dòng)上述的小型直流電機(jī)。如果沒(méi)有電流調(diào)節(jié)功能（RISET 電阻 = 0Ω），在12V 電源條件下，啟動(dòng)電機(jī)將需要大約 3.6A 的峰值電流（見(jiàn)圖 5）。
圖5: 電機(jī)啟動(dòng)電流
當(dāng)電流趨于平穩(wěn)，電機(jī)就會(huì)全速運(yùn)轉(zhuǎn)。在這種條件下，電機(jī)大約需要50 毫秒達(dá)到全速。
注意，在電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，波形中的電流紋波是由于電機(jī)換向造成的。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，換向器從一段移動(dòng)到下一段，并將電流傳送到下一個(gè)繞組。在這些轉(zhuǎn)換過(guò)程中，電流不斷上升并少量下降。這些均與電機(jī)驅(qū)動(dòng)無(wú)關(guān)。
利用電流調(diào)節(jié)來(lái)限制堵轉(zhuǎn)電流
通過(guò)將 RISET 電阻設(shè)置為 10kΩ，MP6522可以提供1.5A 的電流限制。圖 6 顯示了輸出的導(dǎo)通和關(guān)斷限制了通過(guò)直流電機(jī)的電流。
圖6: 在1.5A處實(shí)現(xiàn)的電流調(diào)節(jié)
電機(jī)在沒(méi)有限流的情況下于50ms 內(nèi)達(dá)到全速，與之相比，在有限流的情況下，電機(jī)需要 80ms 達(dá)到全速。
機(jī)械因素的考量
由于電流與施加到電機(jī)上的扭矩成正比，因此在啟動(dòng)時(shí)限制電機(jī)電流也會(huì)限制扭矩。而扭矩用于實(shí)現(xiàn)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，也意味著電機(jī)需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到全速。機(jī)械系統(tǒng)的慣性需要扭矩實(shí)現(xiàn)加速，所以如果有一個(gè)大的質(zhì)量塊結(jié)合到電機(jī)上（例如飛輪），則達(dá)到全速的時(shí)間還會(huì)進(jìn)一步延長(zhǎng)。
機(jī)械系統(tǒng)有摩擦力，即靜態(tài)力，也有靜摩擦力。靜摩擦力的作用類(lèi)似于摩擦，只是一旦系統(tǒng)移動(dòng)就會(huì)快速下降。為了動(dòng)起來(lái)，電機(jī)必須有足夠的扭矩來(lái)克服摩擦力和靜摩擦力。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
許多電機(jī)驅(qū)動(dòng)（如 MPS 的MP6522）都提供了電流調(diào)節(jié)功能，本文探討了如何利用該功能來(lái)調(diào)節(jié)和控制啟動(dòng)直流電機(jī)時(shí)產(chǎn)生的大電流。通過(guò)適當(dāng)限制電機(jī)的啟動(dòng)電流，設(shè)計(jì)人員不僅可以采用更小的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，還能優(yōu)化系統(tǒng)的電流傳輸。
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