有刷直流电机控制设计的注意事项

虽然无刷直流电机的应用范围不断扩大，但是直流电机凭借成本低这一优势仍然被继续沿用，本期大讲台将重点介绍有刷直流电机控制设计时的注意事项，以及低压直流电机设计时的注意事项。


刷式直流电机使用刷子进行换向。电枢或转子具有绕线，可端接至换向器。刷子通过形成或断开接触为电枢提供电源。定子可能具有两个或更多永久磁性；相反的定子磁性极性和激磁绕线异极相吸，导致转子旋转。当转子与定子位置对齐时，刷子将跨越换向器并驱动下一个绕线。刷式直流电机需要维护并具有线性扭矩/电流曲线。这些电机易于控制，其速度和扭矩与电流和电压成正比。




图1：刷式直流电机系统的方框图(SBD)，它具有微处理器、闸极驱动器、隔离器件、工业接口和电源管理。
刷式直流电机控制设计注意事项

微处理器

具有4个脉宽调制器(PWM)信号的任何MCU系列均可以用于驱动连接到刷式直流电机的H桥DC/DC转换器。根据控制算法的复杂性，反馈控制可能使用霍尔传感器或编码器。

鉴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可以成为控制低端、电池供电的刷式直流电机系统的理想选择。C2000和StellarisMCU具有QEI输入，可接受编码器输入。HerculesMCU可通过灵活的HET协处理器接收编码器输入。如果需要高性能和实时操作，C2000MCU系列就是最佳选择。C2000或StellarisMCU可满足中端系统要求。HerculesMCU是系统需要基于IEC61508等安全标准认证时的首选并可支持各种性能需求。

隔离

TI数字隔离器具有逻辑输入和输出缓冲器，这些缓冲器由TI的二氧化硅(SiO2)隔离势垒进行隔离，可提供4kV隔离。当与隔离电源配合使用时，这些器件可阻止高电压、隔离接地以及防止噪声电流进入本地接地并干扰或损害敏感电路。

接口/连接

传统模拟RS-232/RS-485接口一直是电机控制应用的常见选择。展望未来，设计人员将在其产品中集成主流接口，如以太网、USB和CAN。TI致力于同时为传统和新兴工业接口提供解决方案。例如，TI最近推出了全世界首款隔离式CAN收发器ISO1050。

电源管理

德州仪器(TI)提供从标准IC到高性能插件、变压器、数字电源MOSFET和集成电源模块的电源管理IC解决方案。从AC/DC和DC/DC电源、线性稳压器和非隔离式开关DC/DC稳压器到PMIC和电源及显示解决方案，德州仪器(TI)的电源管理IC解决方案都能帮助您完成项目开发。
小型电动机械驱动包括螺线管驱动、单向DC、双向DC或无刷DC系统，通常按照帧大小和功率（以瓦计）来划分大小。




图2：低电压电机控制方框图
低电压电机控制设计注意事项

内核子系统包括：

控制器

TI可提供用于控制处理器的各种解决方案；从超低功耗MSP430微处理器到ARM基于Hercules的Cortex-R4F安全MCU和C2000数字信号控制器(DSC).合适的控制器可以优化电机驱动效率、提高可靠性和降低系统总成本。C2000控制器的32位DSP级性能和电机控制优化的片上外设使用户可以轻松实施高级算法，例如三相电机的无传感器矢量控制。C2000系列提供软件兼容的控制器，范围从低成本F28016到业界首款TMS320F28335浮点DSC。

电机/螺线管驱动器电路

PWM驱动器（例如1.2ADRV104）可以与用于驱动螺线管或阀门（由+8V至+32V单电源供电）的电阻性负载或电感负载兼容。低压DC电机的设计人员可能会选择具有0V至16V、50mAPWM闸极驱动输出的TPIC2101前置FET驱动器。TPIC2101驱动外部、低侧NMOS功率晶体管的闸极，从而为电机或其它负载提供PWM控制的电源。它包含软启动、过压/欠压保护和100%占空比功能。可以使用TPIC2101控制永久磁性DC电机的转子速度或控制流经螺线管、加热器或白炽灯泡的电源。要获得更高的驱动电流，可能需要一个具有0至5A电流限制的高电压、大电流运算放大器(OPA548)（它通过电阻/分压器实现外部控制）或电流输出DAC（例如DAC7811或DAC8811）。另外，MOSFET驱动器（如UCC37321或UCC37323）被认为可以直接驱动更小的电机或驱动电源设备，例如MOSFET或IGBT。

隔离

TI数字隔离器具有逻辑输入和输出缓冲器，它由可提供4kV隔离的TI二氧化硅(SiO2)隔离势垒进行隔离。当与隔离电源配合使用时，这些器件可以阻止高电压、隔离接地以及防止噪声电流进入本地接地和干扰或损害敏感的电路。

控制器接口

RS-232或RS-422适用于许多系统。RS-485信令可以与Profibus、Interbus、Modbus或BACnet等协议一起使用，这些协议都是针对最终用户的特定要求定制的。有时，控制器局域网(CAN)或EtherNet/IP（工业协议）更注重网络需求。M-LVDS可提供更低功耗以供选择。

使用外部电路的运动反馈

隔离式Δ-Σ调制器(AMC1203/AMC1210)是并联测量平面假信号的理想选择，并且可以提高电流反馈分辨率。这些调制器易于使用，并且可以为编码器提供过采样和滤波。为了测量控制器输入和系统反馈，INA159差动放大器可以为使用5V或3.3V电源的模数转换器(ADC)提供?10V(20Vpp)信号。ADC（如ADS7861/ADS7864或ADS8361/ADS8364）可提供4通道或6通道同步电流采样。INA19x（x=3至8）和INA20x（x=1至9）可以提供宽泛的共模电压，并且能够进行低端和高端电流并联监视。