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TMI8460SP在直流电机驱动IC中使用电流调节

介绍

启动直流电机时,可能需要大电流,这会给电机驱动IC和电源带来负担。 本文将讨论使用集成到许多电机驱动IC中的电流调节功能,同时使用单片电源系统(MPS)的示例来解决高电流条件。在许多情况下,使用电流调节可以允许设计人员使用更小的电机驱动IC。 为了简化,所有示例都使用了有刷直流电机,但本文中描述的过程也可以应用于无刷直流(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工作原理。 最简单的是,直流电机可以建模为与电阻器串联的电压(称为背电动势(EMF))(见图1)。反电动势是电机产生的电压,它与电机转速成正比。串联电阻只是绕组的直流电阻。

直流电机电气模型

图1:直流电机电气模型

 

扭矩,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),则电机会旋转并加速,直到反电动势(VBEMF)上升到与VSRC相同的水平。此时,没有电流。当向轴施加扭矩时,电机会减速,这会导致VBEMF降低,同时在VSRC和VBEMF之间产生电压差。此电压差产生从电源流出的电流((VSRC-VBEMF)/RS)。

请注意,这是一个简化的,理想的近似值;在现实中,有损失,总有一些电流从源头流出。

 

启动电机

电机停止时,VBEMF为0V。图1显示,当您首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,直到电机开始旋转。电流通常比电机的额定连续电流大得多。图2显示了一个小型直流电机。

小型直流电机

图2:小型直流电机

 

参数 价值 单位
输出功率 15 W
额定电压(VSRC) 12 V
空载转速 4000 转速
空载电流 0.00 一个
满载速度 2920 转速
满载连续转矩 50 毫微米
满载连续电流 1.25 一个
失速扭矩 190 毫微米
失速电流 3.3 一个
电阻(RS) 3.6 Ω

表1:小型直流电机规格

 

表1列出了1.25A时的额定连续电流,对应于最大允许的连续转矩负载。有了这个值,人们可能会认为电机驱动IC只需要支持1.25A的最大电流。但是,失速电流(电机停止时在标称电压下通过电机的电流)为3.3A。这意味着电机驱动IC必须能够驱动失速电流以使电机旋转,或者必须提供电流限制以软启动电机。否则,电机驱动IC可能会激活过流保护(OCP)功能。不提供 OCP 的设备可能会损坏。

此外,启动电机所需的大电流必须具有能够支持这种高电流的电源。在电池供电系统中,即使大电流脉冲持续时间有限,也会通过吸收大电流脉冲来缩短电池寿命,因此在电机启动时限制电流是有益的。

 

电机驱动IC电流调节

许多电机驱动IC包括某种形式的电流限制或电流调节。

电机驱动IC的一个例子是MPS的TMI8460SP,一种H桥电机驱动IC(参见图 3)。通过检测两个低侧MOSFET (LS-FET) 中的电流来测量IC内部的电机电流。该测量由电流调节电路使用。

TMI8460SP功能框图

图3:TMI8460SP功能框图

 

测量的电流通过RISET引脚上的一个小外部电阻调节至一个电压。该电压与电机电流成正比。如果电流达到1.5V,TMI8460SP会在重新使能之前关闭电机电流一段固定的时间。

电机具有大量的电感。当使用电流调节来驱动电机时,电流在H桥导通时上升,然后在达到电流跳变点时下降,驱动IC关闭电流。产生三角形电流波形。图4显示三角形电流波形为绿色迹线。该波形显示电流由TMI8460SP在约1.5A的峰值处调节。

电流调节

图4:电流调节

 

电机启动(失速)电流

TMI8460SP可用于驱动上述小型直流电机。如果没有电流调节(RISET电阻= 0Ω)并且有12V电源,则需要约3.6A的峰值电流来启动电机(见图5)。

电机启动电流

图5:电机启动电流

 

当电流趋于平稳时,电机达到全速。在这种情况下,电机需要大约50ms才能达到全速。

请注意,电机旋转时波形中的电流纹波是由于电机换向引起的。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IC无关。

 

使用电流调节来限制失速电流

通过将RISET电阻设置为10kΩ,TMI8460SP可以设置为提供1.5A的电流限制。图6显示输出导通和关断以限制通过直流电机的电流。

1.5A的稳压电流

图6:1.5A的稳压电流

 

相比电机在没有电流限制的情况下在50ms内达到全速,在这种情况下,电机需要80ms才能达到全速。

 

机械注意事项

由于电流与施加到电机上的转矩成正比,因此在启动时限制电机电流也会限制转矩。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此加速度,这意味着电机需要更长的时间才能达到其全速。机械系统的惯性需要扭矩来加速,因此,如果有很大的质量耦合到电机(例如飞轮),那么时间就会进一步延长。

机械系统具有摩擦力,这是一种静力,以及阻力。粘滞的作用类似于摩擦,但一旦系统移动,刮擦就会下降。为了移动,电机必须具有足够的扭矩来克服摩擦和阻力。这意味着设计人员不能将电机的启动电流设置得太低。如果电流限制过大,则电机可能根本无法开始移动,或者可能需要太多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IC(如MPS的TMI8460SP)提供的电流调节功能来调节和控制启动直流电机时流动的大电流。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IC,还可以优化其系统的电流输出。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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创建时间:2022-06-21 15:19