發布日期：2022-10-09 點擊率：72
【導讀】直流電機啟動時可能需要大電流，這會給電機驅動和電源帶來負擔。許多電機驅動 IC 中都集成了電流調節功能，本文將討論如何利用該功能，同時以MPS的產品為例來說明如何解決大電流問題。在很多情況下，設計人員可以利用電流調節功能選用更小的電機驅動 IC。
為簡單起見，本文所有示例均采用有刷直流電機，但文中描述的過程也同樣適用于無刷直流 (BLDC) 電機系統。
直流電機基礎知識
在討論電流限與調節之前，需要先了解直流電機的運行方式。
最簡單的直流電機模型為一個電壓（稱為反電動勢 ，EMF）與一個電阻的串聯（見圖 1）。反電動勢是電機產生的電壓，它與電機速度成正比；而串聯電阻就是繞組的直流電阻。
圖1: 直流電機的電氣模型
扭矩（即電機產生的旋轉力）由電流流過電機時產生。
在電機沒有機械負載時，向電機施加電壓 (VSRC)，電機將旋轉并加速，直到反電動勢 (VBEMF)上升到與 VSRC相同。此時，電機中沒有電流。當我們施加扭矩到電機軸時，電機開始減速，這導致VBEMF降低，同時在 VSRC和 VBEMF之間產生電壓差。該電壓差會生成電流 （(VSRC - VBEMF) / RS)從電源流出。
注意，這只是一個簡化的理想近似值；現實中會存在損耗，電源也始終都會有一些電流流出。
啟動電機
當電機停止時，VBEMF 為 0V。如圖 1 所示，第一次向電機施加電壓時，電流僅受電機串聯電阻的限制。該電阻通常非常小，這會帶來較大的電流，直到電機開始旋轉。該電流通常比電機的額定連續電流大很多。圖 2 顯示了一個小型直流電機。
圖2 ：小型直流電機
表1所列為該電機的規格。
表1: 小型直流電機規格
如表 1所示，該電機具有1.25A 的標稱額定連續電流，其對應于允許的最大連續扭矩負載。看到這個值，人們可能會認為，電機驅動只需要支持 1.25A 的最大電流即可。但是，堵轉電流（電機停止時，額定電壓下的電機電流）為 3.3A。 這意味著電機驅動必須能夠驅動堵轉電流以使電機旋轉，或者必須提供電流限制以軟啟動電機。否則，電機驅動可能會激活過流保護 (OCP) 功能。而如果沒有過流保護功能，設備將可能被損壞。
此外，啟動電機需要大電流，也需要能夠支持這種大電流的電源。在電池供電系統中，盡管大電流脈沖持續的時間有限，電池仍會因為吸收這些脈沖而縮短壽命，因此在電機啟動時，限流是有益的。
電機驅動的電流調節
許多電機驅動 IC 都包含某種形式的電流限制或電流調節功能。
我們以MPS 的電機驅動 ICMP6522為例進行說明。MP6522是一款H 橋電機驅動（見圖 3）。它可以對兩個下管MOSFET (LS-FET) 中的電流進行采樣，從而實現在IC 內部測量電機電流。該測量值將用于電流調節電路。
圖3: MP6522功能模塊圖
測量電流通過 RISET 引腳上的一個小型外部電阻轉換為電壓。該電壓與電機電流成正比。如果電流達到 1.5V，MP6522會在重新啟動之前關閉電機電流一段時間。
電機具有較大的電感值。在使用電流調節功能驅動電機時，H 橋導通，電流上升，當達到電流跳變點時電流下降，然后驅動關斷電流。最后形成的電流波形為三角波（如圖 4中的綠色跡線所示）。可以看到，MP6522在大約1.5A 的峰值處對電流進行調節。
圖4: 電流調節
電機啟動（堵轉）電流
MP6522 可用于驅動上述的小型直流電機。如果沒有電流調節功能（RISET 電阻 = 0Ω），在12V 電源條件下，啟動電機將需要大約 3.6A 的峰值電流（見圖 5）。
圖5: 電機啟動電流
當電流趨于平穩，電機就會全速運轉。在這種條件下，電機大約需要50 毫秒達到全速。
注意，在電機旋轉時，波形中的電流紋波是由于電機換向造成的。當電機旋轉時，換向器從一段移動到下一段，并將電流傳送到下一個繞組。在這些轉換過程中，電流不斷上升并少量下降。這些均與電機驅動無關。
利用電流調節來限制堵轉電流
通過將 RISET 電阻設置為 10kΩ，MP6522可以提供1.5A 的電流限制。圖 6 顯示了輸出的導通和關斷限制了通過直流電機的電流。
圖6: 在1.5A處實現的電流調節
電機在沒有限流的情況下于50ms 內達到全速，與之相比，在有限流的情況下，電機需要 80ms 達到全速。
機械因素的考量
由于電流與施加到電機上的扭矩成正比，因此在啟動時限制電機電流也會限制扭矩。而扭矩用于實現電機從停止加速到其最終速度。因此，限制扭矩也會限制這種加速，也意味著電機需要更長的時間才能達到全速。機械系統的慣性需要扭矩實現加速，所以如果有一個大的質量塊結合到電機上（例如飛輪），則達到全速的時間還會進一步延長。
機械系統有摩擦力，即靜態力，也有靜摩擦力。靜摩擦力的作用類似于摩擦，只是一旦系統移動就會快速下降。為了動起來，電機必須有足夠的扭矩來克服摩擦力和靜摩擦力。這意味著設計人員不能將電機的啟動電流設置得太低。如果電流限制太多，則電機可能根本無法啟動，或者可能需要很長時間才能達到所需的速度。
結論
許多電機驅動（如 MPS 的MP6522）都提供了電流調節功能，本文探討了如何利用該功能來調節和控制啟動直流電機時產生的大電流。通過適當限制電機的啟動電流，設計人員不僅可以采用更小的電機驅動器，還能優化系統的電流傳輸。
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