有刷直流電機控制設計的注意事項

雖然無(wú)刷直流電機的應用范圍不斷擴大，但是直流電機憑借成本低這一優(yōu)勢仍然被繼續沿用，本期大講臺將重點(diǎn)介紹有刷直流電機控制設計時(shí)的注意事項，以及低壓直流電機設計時(shí)的注意事項。


刷式直流電機使用刷子進(jìn)行換向。電樞或轉子具有繞線(xiàn)，可端接至換向器。刷子通過(guò)形成或斷開(kāi)接觸為電樞提供電源。定子可能具有兩個(gè)或更多永久磁性；相反的定子磁性極性和激磁繞線(xiàn)異極相吸，導致轉子旋轉。當轉子與定子位置對齊時(shí)，刷子將跨越換向器并驅動(dòng)下一個(gè)繞線(xiàn)。刷式直流電機需要維護并具有線(xiàn)性扭矩/電流曲線(xiàn)。這些電機易于控制，其速度和扭矩與電流和電壓成正比。




圖1：刷式直流電機系統的方框圖(SBD)，它具有微處理器、閘極驅動(dòng)器、隔離器件、工業(yè)接口和電源管理。
刷式直流電機控制設計注意事項

微處理器

具有4個(gè)脈寬調制器(PWM)信號的任何MCU系列均可以用于驅動(dòng)連接到刷式直流電機的H橋DC/DC轉換器。根據控制算法的復雜性，反饋控制可能使用霍爾傳感器或編碼器。

鑒于其在工作模式和休眠模式中的超低功耗操作功能，TI的MSP430可以成為控制低端、電池供電的刷式直流電機系統的理想選擇。C2000和StellarisMCU具有QEI輸入，可接受編碼器輸入。HerculesMCU可通過(guò)靈活的HET協(xié)處理器接收編碼器輸入。如果需要高性能和實(shí)時(shí)操作，C2000MCU系列就是最佳選擇。C2000或StellarisMCU可滿(mǎn)足中端系統要求。HerculesMCU是系統需要基于IEC61508等安全標準認證時(shí)的首選并可支持各種性能需求。

隔離

TI數字隔離器具有邏輯輸入和輸出緩沖器，這些緩沖器由TI的二氧化硅(SiO2)隔離勢壘進(jìn)行隔離，可提供4kV隔離。當與隔離電源配合使用時(shí)，這些器件可阻止高電壓、隔離接地以及防止噪聲電流進(jìn)入本地接地并干擾或損害敏感電路。

接口/連接

傳統模擬RS-232/RS-485接口一直是電機控制應用的常見(jiàn)選擇。展望未來(lái)，設計人員將在其產(chǎn)品中集成主流接口，如以太網(wǎng)、USB和CAN。TI致力于同時(shí)為傳統和新興工業(yè)接口提供解決方案。例如，TI最近推出了全世界首款隔離式CAN收發(fā)器ISO1050。

電源管理

德州儀器(TI)提供從標準IC到高性能插件、變壓器、數字電源MOSFET和集成電源模塊的電源管理IC解決方案。從AC/DC和DC/DC電源、線(xiàn)性穩壓器和非隔離式開(kāi)關(guān)DC/DC穩壓器到PMIC和電源及顯示解決方案，德州儀器(TI)的電源管理IC解決方案都能幫助您完成項目開(kāi)發(fā)。
小型電動(dòng)機械驅動(dòng)包括螺線(xiàn)管驅動(dòng)、單向DC、雙向DC或無(wú)刷DC系統，通常按照幀大小和功率（以瓦計）來(lái)劃分大小。




圖2：低電壓電機控制方框圖
低電壓電機控制設計注意事項

內核子系統包括：

控制器

TI可提供用于控制處理器的各種解決方案；從超低功耗MSP430微處理器到ARM基于Hercules的Cortex-R4F安全MCU和C2000數字信號控制器(DSC).合適的控制器可以?xún)?yōu)化電機驅動(dòng)效率、提高可靠性和降低系統總成本。C2000控制器的32位DSP級性能和電機控制優(yōu)化的片上外設使用戶(hù)可以輕松實(shí)施高級算法，例如三相電機的無(wú)傳感器矢量控制。C2000系列提供軟件兼容的控制器，范圍從低成本F28016到業(yè)界首款TMS320F28335浮點(diǎn)DSC。

電機/螺線(xiàn)管驅動(dòng)器電路

PWM驅動(dòng)器（例如1.2ADRV104）可以與用于驅動(dòng)螺線(xiàn)管或閥門(mén)（由+8V至+32V單電源供電）的電阻性負載或電感負載兼容。低壓DC電機的設計人員可能會(huì )選擇具有0V至16V、50mAPWM閘極驅動(dòng)輸出的TPIC2101前置FET驅動(dòng)器。TPIC2101驅動(dòng)外部、低側NMOS功率晶體管的閘極，從而為電機或其它負載提供PWM控制的電源。它包含軟啟動(dòng)、過(guò)壓/欠壓保護和100%占空比功能?？梢允褂?wbr />TPIC2101控制永久磁性DC電機的轉子速度或控制流經(jīng)螺線(xiàn)管、加熱器或白熾燈泡的電源。要獲得更高的驅動(dòng)電流，可能需要一個(gè)具有0至5A電流限制的高電壓、大電流運算放大器(OPA548)（它通過(guò)電阻/分壓器實(shí)現外部控制）或電流輸出DAC（例如DAC7811或DAC8811）。另外，MOSFET驅動(dòng)器（如UCC37321或UCC37323）被認為可以直接驅動(dòng)更小的電機或驅動(dòng)電源設備，例如MOSFET或IGBT。

隔離

TI數字隔離器具有邏輯輸入和輸出緩沖器，它由可提供4kV隔離的TI二氧化硅(SiO2)隔離勢壘進(jìn)行隔離。當與隔離電源配合使用時(shí)，這些器件可以阻止高電壓、隔離接地以及防止噪聲電流進(jìn)入本地接地和干擾或損害敏感的電路。

控制器接口

RS-232或RS-422適用于許多系統。RS-485信令可以與Profibus、Interbus、Modbus或BACnet等協(xié)議一起使用，這些協(xié)議都是針對最終用戶(hù)的特定要求定制的。有時(shí)，控制器局域網(wǎng)(CAN)或EtherNet/IP（工業(yè)協(xié)議）更注重網(wǎng)絡(luò )需求。M-LVDS可提供更低功耗以供選擇。

使用外部電路的運動(dòng)反饋

隔離式Δ-Σ調制器(AMC1203/AMC1210)是并聯(lián)測量平面假信號的理想選擇，并且可以提高電流反饋分辨率。這些調制器易于使用，并且可以為編碼器提供過(guò)采樣和濾波。為了測量控制器輸入和系統反饋，INA159差動(dòng)放大器可以為使用5V或3.3V電源的模數轉換器(ADC)提供?10V(20Vpp)信號。ADC（如ADS7861/ADS7864或ADS8361/ADS8364）可提供4通道或6通道同步電流采樣。INA19x（x=3至8）和INA20x（x=1至9）可以提供寬泛的共模電壓，并且能夠進(jìn)行低端和高端電流并聯(lián)監視。