TMI8460SP在直流电机驱动IC中使用电流调节

介绍

启动直流电机时，可能需要大电流，这会给电机驱动IC和电源带来负担。 本文将讨论使用集成到许多电机驱动IC中的电流调节功能，同时使用单片电源系统（MPS）的示例来解决高电流条件。在许多情况下，使用电流调节可以允许设计人员使用更小的电机驱动IC。 为了简化，所有示例都使用了有刷直流电机，但本文中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））（见图1）。反电动势是电机产生的电压，它与电机转速成正比。串联电阻只是绕组的直流电阻。

图1：直流电机电气模型

扭矩，即电机产生的旋转力，是在电流流过电机时产生的。

如果没有向电机施加机械负载，并且向电机施加电压（VSRC），则电机会旋转并加速，直到反电动势（VBEMF）上升到与VSRC相同的水平。此时，没有电流。当向轴施加扭矩时，电机会减速，这会导致VBEMF降低，同时在VSRC和VBEMF之间产生电压差。此电压差产生从电源流出的电流（（VSRC-VBEMF）/RS）。

请注意，这是一个简化的，理想的近似值;在现实中，有损失，总有一些电流从源头流出。

启动电机

电机停止时，VBEMF为0V。图1显示，当您首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，这会导致大电流，直到电机开始旋转。电流通常比电机的额定连续电流大得多。图2显示了一个小型直流电机。

图2：小型直流电机

表1：小型直流电机规格

表1列出了1.25A时的额定连续电流，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。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，或者必须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。在电池供电系统中，即使大电流脉冲持续时间有限，也会通过吸收大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。

电机驱动IC电流调节

许多电机驱动IC包括某种形式的电流限制或电流调节。

电机驱动IC的一个例子是MPS的TMI8460SP，一种H桥电机驱动IC（参见图 3）。通过检测两个低侧MOSFET （LS-FET） 中的电流来测量IC内部的电机电流。该测量由电流调节电路使用。

图3：TMI8460SP功能框图

测量的电流通过RISET引脚上的一个小外部电阻调节至一个电压。该电压与电机电流成正比。如果电流达到1.5V，TMI8460SP会在重新使能之前关闭电机电流一段固定的时间。

电机具有大量的电感。当使用电流调节来驱动电机时，电流在H桥导通时上升，然后在达到电流跳变点时下降，驱动IC关闭电流。产生三角形电流波形。图4显示三角形电流波形为绿色迹线。该波形显示电流由TMI8460SP在约1.5A的峰值处调节。

图4：电流调节

电机启动（失速）电流

TMI8460SP可用于驱动上述小型直流电机。如果没有电流调节（RISET电阻= 0Ω）并且有12V电源，则需要约3.6A的峰值电流来启动电机（见图5）。

图5：电机启动电流

当电流趋于平稳时，电机达到全速。在这种情况下，电机需要大约50ms才能达到全速。

请注意，电机旋转时波形中的电流纹波是由于电机换向引起的。当电机旋转时，换向器从一个段移动到下一个段，并将电流传输到下一个绕组。在这些转换过程中，电流不断上升和下降少量。这与电机驱动IC无关。

使用电流调节来限制失速电流

通过将RISET电阻设置为10kΩ，TMI8460SP可以设置为提供1.5A的电流限制。图6显示输出导通和关断以限制通过直流电机的电流。

图6：1.5A的稳压电流

相比电机在没有电流限制的情况下在50ms内达到全速，在这种情况下，电机需要80ms才能达到全速。

机械注意事项

由于电流与施加到电机上的转矩成正比，因此在启动时限制电机电流也会限制转矩。由于扭矩将电机从停止加速到其最终速度，因此限制扭矩也会限制此加速度，这意味着电机需要更长的时间才能达到其全速。机械系统的惯性需要扭矩来加速，因此，如果有很大的质量耦合到电机（例如飞轮），那么时间就会进一步延长。

机械系统具有摩擦力，这是一种静力，以及阻力。粘滞的作用类似于摩擦，但一旦系统移动，刮擦就会下降。为了移动，电机必须具有足够的扭矩来克服摩擦和阻力。这意味着设计人员不能将电机的启动电流设置得太低。如果电流限制过大，则电机可能根本无法开始移动，或者可能需要太多时间才能达到所需的速度。

结论

本文探讨了如何使用电机驱动IC（如MPS的TMI8460SP）提供的电流调节功能来调节和控制启动直流电机时流动的大电流。通过了解如何正确限制电机的启动电流，设计人员不仅可以使用更小的电机驱动IC，还可以优化其系统的电流输出。

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