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利用电流调节优化直流电机驱动IC

通常,在启动直流电机时,电机驱动IC和电源会受到大电流的负担。本文以单片电源系统(MPS)为例,探讨了集成到无数电机驱动IC中的电流调节功能,以解决高电流条件。在许多情况下,使用电流调节可以使设计人员使用更小的电机驱动IC

为了简化,所有示例都使用有刷直流电机,但此处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)。图1显示了此设置。反电动势是电机产生的电压,它与电机转速成正比。串联电阻就是绕组的直流电阻。

 

直流电机的电气模型
图1-直流电机的电气模型包括电源,串联电阻和反电动势

 


扭矩,即电机产生的旋转力,是在电流流过电机时产生的。

如果没有机械负载施加到电机上,并且对电机施加电压(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。

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。这种电压差产生从源头流出的电流((VSRC − VBEMF)/RS)。

请注意,这是一个简化的理想近似值。实际上,有损耗,一些电流总是从源头流出。

 

启动电机

当电机停止时,VBEMF为0 V.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,这导致大电流,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显示了一个小型直流电机,下表显示了电机的规格。

小型直流电机测量连续电流
图2-为了简化,使用小型直流电机测量连续电流

 


下表列出了1.25A时的额定连续电流,该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。

 

1.2A电流选型表

 

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。在电池供电的系统中,即使电池寿命有限,也会通过吸收高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。

 


使用H桥控制直流电机

对于此扩展,我们将使用PWM扩展来控制电机。为此,我们将使用H桥芯片,并通过PWM扩展向其发送适当的控制信号,然后H桥将负责运行电机。在此过程中,我们将确切地了解H-Bridges的工作原理,并创建更多利用我们以前创建的课程的课程。为了扩展这一点,我们将连接三个开关并对Omega进行编程,以根据其位置控制电机的速度和方向。

如果您需要进一步了解PWM(或脉宽调制)的工作原理,可以在第一个调光LED说明中找到解释。

 

直流电机的工作原理

作为所有电机中最简单的电机,当直流电压施加在其上时,直流电机会转动。这种电机可以在无人机,电动工具和机器人中找到。直流电机可以根据馈送的功率和方向改变方向。

直流电动机利用电磁铁产生的磁场来转动电动机的电枢。电磁铁通过施加电压被激活,因此当电源打开时,它产生的磁场将导致电枢(线圈导线)产生自己的纳格曼场,这些场相互推开并导致电枢旋转。

 

直流电机的工作原理

 

为了让电机以另一种方式旋转,我们需要反转施加的电压,这意味着通过电机的电流将被反转。不幸的是,从像Omega这样的控制器切换电流方向是很困难的。处理器使用低电流和低电压,而且它们通常与电机断开连接,以防止电感反馈干扰其操作。

要是有某种设备可以帮助我们控制直流电机的电源就好了......

请注意,将电流施加到两个端子上可能会对电机造成损坏。

 

H桥的工作原理

H桥是一种允许在负载上沿任一方向施加电压的电路。电流从源头流向地,许多元件需要根据电流的方向定向才能按预期工作。H桥是为改变电压方向而构建的电路,从而改变流向负载的电流。

在电气术语中,负载是电路中消耗电能来做事的任何部分 - 加热,转动,点亮等。

H桥由四个开关组成:两个串联,两个并联,负载放置在开关之间。在这种配置中,电路采用“H”形。

H桥的工作原理

为了改变所供电电压的方向,H桥控制向负载供电的开关。看一下图,如果我们关闭并保持其余部分打开,电压将从左到右施加到电机上。如果 和 关闭而其他关闭,则电压将从右向左施加。S1 S1 S4 S2 S3

这种配置有可能产生短路,因此大多数H桥不允许直接控制这些开关。

 

典型应用

H桥电路的一些典型应用: *通过使用PWM信号控制H桥,从直流源构建AC(交流电)。这是一个称为幂反转的过程。*提供反向直流电机电流的能力,允许在任一方向上旋转。

此外,H桥允许独立于控制它们的控制信号为负载供电,从而提供电路隔离。

PWM信号操作电机的方式是快速打开和关闭电源。通常,这可以完成将PWM信号发送到晶体管,并使晶体管开关电源。通过改变PWM信号的脉宽,可以控制电机的速度。H桥可以取代晶体管,并通过允许轻松改变电流方向来增加功能。我们仍然向H桥发送脉动信号以控制速度,除了现在我们可以通过改变哪些开关是打开的来切换电流的方向。

在我们的电路中,我们将使用H桥集成电路芯片,因此我们不需要自己连接内部,并防止如果我们直接控制这些开关可能出现的短路。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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创建时间:2022-07-19 16:01