【導讀】直流電機啟動時可能需要大電流，這會給電機驅(qū)動和電源帶來負擔。許多電機驅(qū)動 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，同時以MPS的產(chǎn)品為例來說明如何解決大電流問題。在很多情況下，設(shè)計人員可以利用電流調(diào)節(jié)功能選用更小的電機驅(qū)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(tǒng)。
直流電機基礎(chǔ)知識
在討論電流限與調(diào)節(jié)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(lián)（見圖 1）。反電動勢是電機產(chǎn)生的電壓，它與電機速度成正比；而串聯(lián)電阻就是繞組的直流電阻。
圖1: 直流電機的電氣模型
扭矩（即電機產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力）由電流流過電機時產(chǎn)生。
在電機沒有機械負載時，向電機施加電壓 (VSRC)，電機將旋轉(zhuǎn)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(chǎn)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(xiàn)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(lián)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(zhuǎn)。該電流通常比電機的額定連續(xù)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(guī)格。
表1: 小型直流電機規(guī)格
如表 1所示，該電機具有1.25A 的標稱額定連續(xù)電流，其對應于允許的最大連續(xù)扭矩負載。看到這個值，人們可能會認為，電機驅(qū)動只需要支持 1.25A 的最大電流即可。但是，堵轉(zhuǎn)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(qū)動必須能夠驅(qū)動堵轉(zhuǎn)電流以使電機旋轉(zhuǎn)，或者必須提供電流限制以軟啟動電機。否則，電機驅(qū)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(shè)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(tǒng)中，盡管大電流脈沖持續(xù)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(qū)動的電流調(diào)節(jié)
許多電機驅(qū)動 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 的電機驅(qū)動 ICMP6522為例進行說明。MP6522是一款H 橋電機驅(qū)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(xiàn)在IC 內(nèi)部測量電機電流。該測量值將用于電流調(diào)節(jié)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(zhuǎn)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(guān)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(diào)節(jié)功能驅(qū)動電機時，H 橋?qū)ǎ娏魃仙?，當達到電流跳變點時電流下降，然后驅(qū)動關(guān)斷電流。最后形成的電流波形為三角波（如圖 4中的綠色跡線所示）?？梢钥吹剑琈P6522在大約1.5A 的峰值處對電流進行調(diào)節(jié)。
圖4: 電流調(diào)節(jié)
電機啟動（堵轉(zhuǎn)）電流
MP6522 可用于驅(qū)動上述的小型直流電機。如果沒有電流調(diào)節(jié)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(wěn)，電機就會全速運轉(zhuǎn)。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(zhuǎn)時，波形中的電流紋波是由于電機換向造成的。當電機旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換過程中，電流不斷上升并少量下降。這些均與電機驅(qū)動無關(guān)。
利用電流調(diào)節(jié)來限制堵轉(zhuǎn)電流
通過將 RISET 電阻設(shè)置為 10kΩ，MP6522可以提供1.5A 的電流限制。圖 6 顯示了輸出的導通和關(guān)斷限制了通過直流電機的電流。
圖6: 在1.5A處實現(xiàn)的電流調(diào)節(jié)
電機在沒有限流的情況下于50ms 內(nèi)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(xiàn)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(tǒng)的慣性需要扭矩實現(xiàn)加速，所以如果有一個大的質(zhì)量塊結(jié)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(tǒng)有摩擦力，即靜態(tài)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(tǒng)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(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到所需的速度。
結(jié)論
許多電機驅(qū)動（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調(diào)節(jié)和控制啟動直流電機時產(chǎn)生的大電流。通過適當限制電機的啟動電流，設(shè)計人員不僅可以采用更小的電機驅(qū)動器，還能優(yōu)化系統(tǒng)的電流傳輸。
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