利用直流电机驱动中的电流调节功能

品慧电子讯直流电机启动时可能需要大电流，这会给电机驱动和电源带来负担。许多电机驱动 IC 中都集成了电流调节功能，本文将讨论如何利用该功能，同时以MPS的产品为例来说明如何解决大电流问题。在很多情况下，设计人员可以利用电流调节功能选用更小的电机驱动 IC。

为简单起见，本文所有示例均采用有刷直流电机，但文中描述的过程也同样适用于无刷直流 (BLDC) 电机系统。

直流电机基础知识

在讨论电流限与调节之前，需要先了解直流电机的运行方式。

最简单的直流电机模型为一个电压（称为反电动势 ，EMF）与一个电阻的串联（见图 1）。反电动势是电机产生的电压，它与电机速度成正比；而串联电阻就是绕组的直流电阻。

图1: 直流电机的电气模型

扭矩（即电机产生的旋转力）由电流流过电机时产生。

在电机没有机械负载时，向电机施加电压 (V_SRC)，电机将旋转并加速，直到反电动势 (V_BEMF)上升到与 V_SRC相同。此时，电机中没有电流。当我们施加扭矩到电机轴时，电机开始减速，这导致V_BEMF降低，同时在 V_SRC和 V_BEMF之间产生电压差。该电压差会生成电流 （(V_SRC - V_BEMF) / R_S)从电源流出。

注意，这只是一个简化的理想近似值；现实中会存在损耗，电源也始终都会有一些电流流出。

启动电机

当电机停止时，V_BEMF 为 0V。如图 1 所示，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，这会带来较大的电流，直到电机开始旋转。该电流通常比电机的额定连续电流大很多。图 2 显示了一个小型直流电机。

图2 ：小型直流电机

表1所列为该电机的规格。

表1: 小型直流电机规格

如表 1所示，该电机具有1.25A 的标称额定连续电流，其对应于允许的最大连续扭矩负载。看到这个值，人们可能会认为，电机驱动只需要支持 1.25A 的最大电流即可。但是，堵转电流（电机停止时，额定电压下的电机电流）为 3.3A。 这意味着电机驱动必须能够驱动堵转电流以使电机旋转，或者必须提供电流限制以软启动电机。否则，电机驱动可能会激活过流保护 (OCP) 功能。而如果没有过流保护功能，设备将可能被损坏。

此外，启动电机需要大电流，也需要能够支持这种大电流的电源。在电池供电系统中，尽管大电流脉冲持续的时间有限，电池仍会因为吸收这些脉冲而缩短寿命，因此在电机启动时，限流是有益的。

电机驱动的电流调节

许多电机驱动 IC 都包含某种形式的电流限制或电流调节功能。

我们以MPS 的电机驱动 ICMP6522为例进行说明。MP6522是一款H 桥电机驱动（见图 3）。它可以对两个下管MOSFET (LS-FET) 中的电流进行采样，从而实现在IC 内部测量电机电流。该测量值将用于电流调节电路。

图3: MP6522功能模块图

测量电流通过 RISET 引脚上的一个小型外部电阻转换为电压。该电压与电机电流成正比。如果电流达到 1.5V，MP6522会在重新启动之前关闭电机电流一段时间。

电机具有较大的电感值。在使用电流调节功能驱动电机时，H 桥导通，电流上升，当达到电流跳变点时电流下降，然后驱动关断电流。最后形成的电流波形为三角波（如图 4中的绿色迹线所示）。可以看到，MP6522在大约1.5A 的峰值处对电流进行调节。

图4: 电流调节

电机启动（堵转）电流

MP6522 可用于驱动上述的小型直流电机。如果没有电流调节功能（RISET 电阻 = 0Ω），在12V 电源条件下，启动电机将需要大约 3.6A 的峰值电流（见图 5）。

图5: 电机启动电流

当电流趋于平稳，电机就会全速运转。在这种条件下，电机大约需要50 毫秒达到全速。

注意，在电机旋转时，波形中的电流纹波是由于电机换向造成的。当电机旋转时，换向器从一段移动到下一段，并将电流传送到下一个绕组。在这些转换过程中，电流不断上升并少量下降。这些均与电机驱动无关。

利用电流调节来限制堵转电流

通过将 RISET 电阻设置为 10kΩ，MP6522可以提供1.5A 的电流限制。图 6 显示了输出的导通和关断限制了通过直流电机的电流。

图6: 在1.5A处实现的电流调节

电机在没有限流的情况下于50ms 内达到全速，与之相比，在有限流的情况下，电机需要 80ms 达到全速。

机械因素的考量

由于电流与施加到电机上的扭矩成正比，因此在启动时限制电机电流也会限制扭矩。而扭矩用于实现电机从停止加速到其最终速度。因此，限制扭矩也会限制这种加速，也意味着电机需要更长的时间才能达到全速。机械系统的惯性需要扭矩实现加速，所以如果有一个大的质量块结合到电机上（例如飞轮），则达到全速的时间还会进一步延长。

机械系统有摩擦力，即静态力，也有静摩擦力。静摩擦力的作用类似于摩擦，只是一旦系统移动就会快速下降。为了动起来，电机必须有足够的扭矩来克服摩擦力和静摩擦力。这意味着设计人员不能将电机的启动电流设置得太低。如果电流限制太多，则电机可能根本无法启动，或者可能需要很长时间才能达到所需的速度。

结论

许多电机驱动（如 MPS 的MP6522）都提供了电流调节功能，本文探讨了如何利用该功能来调节和控制启动直流电机时产生的大电流。通过适当限制电机的启动电流，设计人员不仅可以采用更小的电机驱动器，还能优化系统的电流传输。

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