有刷直流電機控制設計的注意事項

雖然無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(xù)沿用，本期大講臺將重點介紹有刷直流電機控制設計時的注意事項，以及低壓直流電機設計時的注意事項。


刷式直流電機使用刷子進行換向。電樞或轉(zhuǎn)子具有繞線，可端接至換向器。刷子通過形成或斷開接觸為電樞提供電源。定子可能具有兩個或更多永久磁性；相反的定子磁性極性和激磁繞線異極相吸，導致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。當轉(zhuǎn)子與定子位置對齊時，刷子將跨越換向器并驅(qū)動下一個繞線。刷式直流電機需要維護并具有線性扭矩/電流曲線。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(tǒng)的方框圖(SBD)，它具有微處理器、閘極驅(qū)動器、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個脈寬調(diào)制器(PWM)信號的任何MCU系列均可以用于驅(qū)動連接到刷式直流電機的H橋DC/DC轉(zhuǎn)換器。根據(jù)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(tǒng)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時操作，C2000MCU系列就是最佳選擇。C2000或StellarisMCU可滿足中端系統(tǒng)要求。HerculesMCU是系統(tǒng)需要基于IEC61508等安全標準認證時的首選并可支持各種性能需求。

隔離

TI數(shù)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)隔離勢壘進行隔離，可提供4kV隔離。當與隔離電源配合使用時，這些器件可阻止高電壓、隔離接地以及防止噪聲電流進入本地接地并干擾或損害敏感電路。

接口/連接

傳統(tǒng)模擬RS-232/RS-485接口一直是電機控制應用的常見選擇。展望未來，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致力于同時為傳統(tǒng)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(shù)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、線性穩(wěn)壓器和非隔離式開關DC/DC穩(wěn)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發(fā)。
小型電動機械驅(qū)動包括螺線管驅(qū)動、單向DC、雙向DC或無刷DC系統(tǒng)，通常按照幀大小和功率（以瓦計）來劃分大小。




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(nèi)核子系統(tǒng)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(shù)字信號控制器(DSC).合適的控制器可以優(yōu)化電機驅(qū)動效率、提高可靠性和降低系統(tǒng)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可以輕松實施高級算法，例如三相電機的無傳感器矢量控制。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DSC。

電機/螺線管驅(qū)動器電路

PWM驅(qū)動器（例如1.2ADRV104）可以與用于驅(qū)動螺線管或閥門（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選擇具有0V至16V、50mAPWM閘極驅(qū)動輸出的TPIC2101前置FET驅(qū)動器。TPIC2101驅(qū)動外部、低側(cè)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、過壓/欠壓保護和100%占空比功能。可以使用TPIC2101控制永久磁性DC電機的轉(zhuǎn)子速度或控制流經(jīng)螺線管、加熱器或白熾燈泡的電源。要獲得更高的驅(qū)動電流，可能需要一個具有0至5A電流限制的高電壓、大電流運算放大器(OPA548)（它通過電阻/分壓器實現(xiàn)外部控制）或電流輸出DAC（例如DAC7811或DAC8811）。另外，MOSFET驅(qū)動器（如UCC37321或UCC37323）被認為可以直接驅(qū)動更小的電機或驅(qū)動電源設備，例如MOSFET或IGBT。

隔離

TI數(shù)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)隔離勢壘進行隔離。當與隔離電源配合使用時，這些器件可以阻止高電壓、隔離接地以及防止噪聲電流進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(tǒng)。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的特定要求定制的。有時，控制器局域網(wǎng)(CAN)或EtherNet/IP（工業(yè)協(xié)議）更注重網(wǎng)絡需求。M-LVDS可提供更低功耗以供選擇。

使用外部電路的運動反饋

隔離式Δ-Σ調(diào)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(diào)制器易于使用，并且可以為編碼器提供過采樣和濾波。為了測量控制器輸入和系統(tǒng)反饋，INA159差動放大器可以為使用5V或3.3V電源的模數(shù)轉(zhuǎn)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，并且能夠進行低端和高端電流并聯(lián)監(jiān)視。