啟動直流電機時，可能需要大電流，這會給電機驅(qū)動器和電源帶來負(fù)擔(dān)。本文討論了集成到許多電機驅(qū)動器IC中以解決高電流條件的電流調(diào)節(jié)功能。

　　通常，在啟動直流電機時，電機驅(qū)動器和電源會承受大電流的負(fù)擔(dān)。本文使用MonolithicPowerSystems(MPS)的示例，研究集成到無數(shù)電機驅(qū)動器IC中以解決高電流條件的電流調(diào)節(jié)功能。在許多情況下，使用電流調(diào)節(jié)可以讓設(shè)計人員使用更小的電機驅(qū)動器IC。

　　為簡化起見，所有示例中均使用有刷直流電機，但此處描述的過程也可應(yīng)用于無刷直流(BLDC)電機系統(tǒng)。

　　直流電機基礎(chǔ)知識

　　在討論電流限制和調(diào)節(jié)之前，重要的是要考慮直流電機的運行方式。

　　簡而言之，直流電機可以建模為一個電壓稱為反電動勢(EMF)與一個電阻串聯(lián)。圖1顯示了這種設(shè)置。反電動勢是電機產(chǎn)生的電壓，它與電機速度成正比。串聯(lián)電阻只是繞組的直流電阻。

　　1.直流電機的電氣模型包括電源、串聯(lián)電阻和反電動勢。

　　轉(zhuǎn)矩，即電機產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力，是在電流流過電機時產(chǎn)生的。

　　如果沒有向電機施加機械負(fù)載并且向電機施加電壓(VSRC)，則電機旋轉(zhuǎn)并加速，直到反電動勢(VBEMF)上升到與VSRC相同的水平。此時，沒有電流流動。

　　當(dāng)扭矩施加到軸上時，電機減速，導(dǎo)致VBEMF降低，同時在VSRC和VBEMF之間產(chǎn)生電壓差。該電壓差會產(chǎn)生從電源流出的電流((VSRC-VBEMF)/RS)。

　　請注意，這是一種簡化的理想近似值。實際上，存在損耗，并且總是有一些電流從源頭流出。

　　啟動馬達(dá)

　　當(dāng)電機停止時，VBEMF為0V。圖1顯示，當(dāng)您第一次向電機施加電壓時，電流僅受電機串聯(lián)電阻的限制。該電阻通常非常小，這會導(dǎo)致大電流流動，直到電機開始旋轉(zhuǎn)。電流通常遠(yuǎn)大于電機的額定連續(xù)電流。圖2顯示了小型直流電機，下表顯示了電機的規(guī)格。

　　2.為簡化起見，使用小型直流電機測量連續(xù)電流。

　　該表列出了標(biāo)稱額定連續(xù)電流在1.25A，其對應(yīng)于最大可允許的連續(xù)扭矩負(fù)載。有了這個值，人們可能會認(rèn)為電機驅(qū)動器只需要支持1.25A的最大電流。

　　然而，堵轉(zhuǎn)電流（電機停止時額定電壓下通過電機的電流）為3.3A。這意味著電機驅(qū)動器必須能夠驅(qū)動堵轉(zhuǎn)電流以使電機旋轉(zhuǎn)，或者提供電流限制以軟啟動電機。否則，電機驅(qū)動器可能會激活過流保護(hù)(OCP)功能。不提供OCP的設(shè)備可能會損壞。

　　另外，啟動電機所需要的大電流，必須要有能夠支持這種大電流的電源。在電池供電的系統(tǒng)中，即使脈沖持續(xù)時間有限，也會因吸收高電流脈沖而縮短電池壽命，因此在電機啟動時限制電流是有益的。

　　電機驅(qū)動器電流調(diào)節(jié)

　　許多電機驅(qū)動器IC包括某種形式的電流限制或電流調(diào)節(jié)。圖3顯示了電機驅(qū)動器IC的示例MPS的MP6522，H橋電機驅(qū)動器。通過檢測兩個低側(cè)MOSFET(LS-FET)中的電流，在IC內(nèi)部測量電機電流。該測量值由電流調(diào)節(jié)電路使用。

　　3.MP6522是H橋電機驅(qū)動器，最大輸出電流為3.2A。

　　測得的電流通過RISET引腳上的一個小型外部電阻器縮放為電壓。該電壓與電機電流成正比。如果電流達(dá)到1.5V，MP6522在重新啟用之前會關(guān)閉電機電流一段固定的時間。

　　電動機具有大量的電感。當(dāng)使用電流調(diào)節(jié)來驅(qū)動電機時，當(dāng)H橋打開時電流上升，當(dāng)達(dá)到電流跳變點時電流下降，隨后驅(qū)動器關(guān)閉電流。結(jié)果是三角電流波形（圖4中的綠色軌跡）。該波形顯示電流由MP6522調(diào)節(jié)在大約1.5A的峰值處。

　　4.MP6522可有效調(diào)節(jié)電流峰值為1.5A。

　　電機啟動（失速）電流

　　MP6522可用于驅(qū)動上述小型直流電機。如果沒有電流調(diào)節(jié)（RISET電阻器=0Ω）和12V電源，則需要大約3.6A的峰值電流來啟動電機。圖5顯示了相關(guān)波形。

　　5、電機啟動電流峰值為3.6A。

　　當(dāng)電流穩(wěn)定時，電機達(dá)到全速。在這種情況下，電機需要大約50毫秒才能達(dá)到全速。

　　請注意，當(dāng)電機旋轉(zhuǎn)時，電機換向會導(dǎo)致波形中的電流紋波。當(dāng)電機旋轉(zhuǎn)時，換向器從一個段移動到下一個段，并將電流傳輸?shù)较乱粋€繞組。在這些轉(zhuǎn)換過程中，電流不斷上升和下降少量。這與電機驅(qū)動器無關(guān)。

　　使用電流調(diào)節(jié)來限制堵轉(zhuǎn)電流

　　通過將RISET電阻器設(shè)置為10kΩ，可以將MP6522設(shè)置為提供1.5A的電流限制。圖6顯示輸出打開和關(guān)閉以限制通過直流電機的電流。

　　6.使用10kΩ電阻器，MP6522中的電流可以限制為1.5A。

　　與電機在沒有電流限制的情況下在50毫秒內(nèi)達(dá)到全速相比，在這種情況下電機需要80毫秒才能達(dá)到全速。

　　由于電流與施加到電機的扭矩成正比，因此在啟動時限制電機電流也會限制扭矩。由于扭矩將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，這意味著電機需要更長的時間才能達(dá)到全速。機械系統(tǒng)的慣性需要轉(zhuǎn)矩來加速。因此，如果一個大的質(zhì)量被耦合到電機（例如，飛輪），那么時間會進(jìn)一步延長。

　　機械系統(tǒng)具有摩擦力，即靜力，也有靜摩擦力。靜摩擦的作用類似于摩擦，但一旦系統(tǒng)移動，它就會下降。為了移動，電機必須有足夠的扭矩來克服摩擦和靜摩擦。這意味著設(shè)計人員不能將電機的啟動電流設(shè)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(dá)到所需的速度。

　　結(jié)論

　　本文探討了如何使用電機驅(qū)動器（例如MPS的MP6522）提供的電流調(diào)節(jié)功能來調(diào)節(jié)和控制啟動直流電機時流過的大電流。通過了解如何正確限制電機的啟動電流，設(shè)計人員不僅可以使用更小的電機驅(qū)動器，還可以優(yōu)化系統(tǒng)的電流傳輸。