TMI8460SP在直流電機驅動IC中使用電流調節
介紹
啟動直流電機時，可能需要大電流，這會給電機驅動IC和電源帶來負擔。 本文將討論使用集成到許多電機驅動IC中的電流調節功能，同時使用單片電源系統（MPS）的示例來解決高電流條件。在許多情況下，使用電流調節可以允許設計人員使用更小的電機驅動IC。 為了簡化，所有示例都使用了有刷直流電機，但本文中描述的過程也可以應用于無刷直流（BLDC）電機系統。
直流電機基礎知識
在討論電流限制和調節之前，重要的是要考慮直流電機的工作原理。 最簡單的是，直流電機可以建模為與電阻器串聯的電壓（稱為背電動勢（EMF））（見圖1）。反電動勢是電機產生的電壓，它與電機轉速成正比。串聯電阻只是繞組的直流電阻。
圖1：直流電機電氣模型
扭矩，即電機產生的旋轉力，是在電流流過電機時產生的。
如果沒有向電機施加機械負載，并且向電機施加電壓（VSRC），則電機會旋轉并加速，直到反電動勢（VBEMF）上升到與VSRC相同的水平。此時，沒有電流。當向軸施加扭矩時，電機會減速，這會導致VBEMF降低，同時在VSRC和VBEMF之間產生電壓差。此電壓差產生從電源流出的電流（（VSRC-VBEMF）/RS）。
請注意，這是一個簡化的，理想的近似值;在現實中，有損失，總有一些電流從源頭流出。
啟動電機
電機停止時，VBEMF為0V。圖1顯示，當您首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，這會導致大電流，直到電機開始旋轉。電流通常比電機的額定連續電流大得多。圖2顯示了一個小型直流電機。
圖2：小型直流電機
| 參數 | 價值 | 單位 |
|---|---|---|
| 輸出功率 | 15 | W |
| 額定電壓(VSRC) | 12 | V |
| 空載轉速 | 4000 | 轉速 |
| 空載電流 | 0.00 | 一個 |
| 滿載速度 | 2920 | 轉速 |
| 滿載連續轉矩 | 50 | 毫微米 |
| 滿載連續電流 | 1.25 | 一個 |
| 失速扭矩 | 190 | 毫微米 |
| 失速電流 | 3.3 | 一個 |
| 電阻(RS) | 3.6 | Ω |
表1：小型直流電機規格
表1列出了1.25A時的額定連續電流，對應于最大允許的連續轉矩負載。有了這個值，人們可能會認為電機驅動IC只需要支持1.25A的最大電流。但是，失速電流（電機停止時在標稱電壓下通過電機的電流）為3.3A。這意味著電機驅動IC必須能夠驅動失速電流以使電機旋轉，或者必須提供電流限制以軟啟動電機。否則，電機驅動IC可能會激活過流保護（OCP）功能。不提供 OCP 的設備可能會損壞。
此外，啟動電機所需的大電流必須具有能夠支持這種高電流的電源。在電池供電系統中，即使大電流脈沖持續時間有限，也會通過吸收大電流脈沖來縮短電池壽命，因此在電機啟動時限制電流是有益的。
電機驅動IC電流調節
許多電機驅動IC包括某種形式的電流限制或電流調節。
電機驅動IC的一個例子是MPS的TMI8460SP，一種H橋電機驅動IC（參見圖 3）。通過檢測兩個低側MOSFET （LS-FET） 中的電流來測量IC內部的電機電流。該測量由電流調節電路使用。
圖3：TMI8460SP功能框圖
測量的電流通過RISET引腳上的一個小外部電阻調節至一個電壓。該電壓與電機電流成正比。如果電流達到1.5V，TMI8460SP會在重新使能之前關閉電機電流一段固定的時間。
電機具有大量的電感。當使用電流調節來驅動電機時，電流在H橋導通時上升，然后在達到電流跳變點時下降，驅動IC關閉電流。產生三角形電流波形。圖4顯示三角形電流波形為綠色跡線。該波形顯示電流由TMI8460SP在約1.5A的峰值處調節。
圖4：電流調節
電機啟動（失速）電流
TMI8460SP可用于驅動上述小型直流電機。如果沒有電流調節（RISET電阻= 0Ω）并且有12V電源，則需要約3.6A的峰值電流來啟動電機（見圖5）。
圖5：電機啟動電流
當電流趨于平穩時，電機達到全速。在這種情況下，電機需要大約50ms才能達到全速。
請注意，電機旋轉時波形中的電流紋波是由于電機換向引起的。當電機旋轉時，換向器從一個段移動到下一個段，并將電流傳輸到下一個繞組。在這些轉換過程中，電流不斷上升和下降少量。這與電機驅動IC無關。
使用電流調節來限制失速電流
通過將RISET電阻設置為10kΩ，TMI8460SP可以設置為提供1.5A的電流限制。圖6顯示輸出導通和關斷以限制通過直流電機的電流。
圖6：1.5A的穩壓電流
相比電機在沒有電流限制的情況下在50ms內達到全速，在這種情況下，電機需要80ms才能達到全速。
機械注意事項
由于電流與施加到電機上的轉矩成正比，因此在啟動時限制電機電流也會限制轉矩。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此加速度，這意味著電機需要更長的時間才能達到其全速。機械系統的慣性需要扭矩來加速，因此，如果有很大的質量耦合到電機（例如飛輪），那么時間就會進一步延長。
機械系統具有摩擦力，這是一種靜力，以及阻力。粘滯的作用類似于摩擦，但一旦系統移動，刮擦就會下降。為了移動，電機必須具有足夠的扭矩來克服摩擦和阻力。這意味著設計人員不能將電機的啟動電流設置得太低。如果電流限制過大，則電機可能根本無法開始移動，或者可能需要太多時間才能達到所需的速度。
結論
本文探討了如何使用電機驅動IC（如MPS的TMI8460SP）提供的電流調節功能來調節和控制啟動直流電機時流動的大電流。通過了解如何正確限制電機的啟動電流，設計人員不僅可以使用更小的電機驅動IC，還可以優化其系統的電流輸出。
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