2018 年 3 月 13 日,致力于亚太地区市场的领先半导体元器件分销商 --- 大联大控股宣布,其旗下世平推出基于德州仪器(TI)产品的推出有刷式直流电机参考设计,由 DRV8701 栅极驱动器、MSP430G2553IPW20 超低功耗微控制器、CSD18540Q5B 60V N 沟道 MOSFET 和 LMT86DCKT 精密 CMOS 温度传感器等器件组成。
有刷电机由于其低价和简单的控制方案,成为相对受欢迎的电机设计选项。有刷电机具有绕线转子和永磁定子。电机的换向通过导电环实现:此导电环连接到转子,而转子使用刷子在换向器环上刮擦,从而实现换向。因此,流经电机的电流方向可根据刷子方向和不同换向环而改变。利用 H 桥可对有刷直流电机迅速高效地实现简单的方向变更和速度控制变更。需要使用电子驱动器来控制有刷直流电机中的电机电流。电子驱动电路包含具有两相逆变器的功率级(满足所需功率强度)、用于实施电机速度命令和故障处理的微控制器、用于电机启动 / 停止保护的电流感应功能、用于控制两相逆变器的栅极驱动器以及用于微控制器和其他低压器件的电源。
 
此次大联大世平推出的有刷式直流电机驱动电路包括:
 
Ÿ带有两相逆变器的功率级满足所需的功率容量;
 
Ÿ微控制器实现电机速度命令和故障处理;
 
Ÿ电机启动 / 失速保护的电流检测;
 
Ÿ用于控制两相逆变器的栅极驱动器。
 
图示 1- 大联大世平推出基于 TI 产品的有刷式直流电机参考设计系统架构图
 
功能描述
 
脉宽调制(PWM)和相位控制:
 
在有刷直流(BDC)电机中,可以使用一个简单的脉宽调制(PWM)信号来控制该电机转子的速度。由于 PWM 信号的占空比改变了传送的平均电压到电机是不同的,允许不同的转子速度,而不会通过一个电阻电位器。然后使用两相逆变器控制电机的方向这允许使用四个快速改变提供给电机的电流的方向独立控制的 MOSFET。如图所示。
 
图示 2- 大联大世平代理的 TI 产品的有刷直流电机工作示意图
 
用于控制电机的 PWM 信号是使用 MSP430G2553 产生的。通过取样速度电位器的滑动电压并将该样本与 Timer_A 进行比较 MSP430 的 PWM 信号具有不同的占空比和恒定的开关频率创建。
 
图示 3- 大联大世平代理的 TI 产品的有刷直流电机工作示意图
 
电流斩波使用 VREF
 
为了控制通过电机的电流,检测电阻被放置在 H 桥的底部在两个低端 MOSFET 的源极和地之间。一个内部运算放大器然后将 DRV8701 连接在检测电阻和地之间,使驱动器可以测量电压降并通过比例因子 AV 放大以产生更大的幅度值。该电压被称为 VSO,并与 VREF 引脚上设置的电压进行比较;如果 VSO 大于或等于 VREF 时,电桥停止产生栅极信号直到电压已经降到 VREF 以下,如果 VSO 小于 VREF,那么桥将继续产生门电路信号。
 
VSO 涉及使用等式 1 的通过电动机的电流:VSO=AV*(IDRIVE*RSENSE)(1)
 
如果 VSO 大于或等于 VREF,则 SNSOUT 引脚的输出被拉低指示驱动器故障,DRV8701 正在切断门信号。而 VSO 是小于 VREF 时,SNSOUT 引脚的输出可通过外部上拉电阻拉高至逻辑高电平表示器件工作在典型的驱动电流状态。下面的图显示了电流斩波驱动电流方案。在图中,电机正在初始驱动,电流从电源中汲取增加。一旦在检测电阻(VSO)上测得的电压等于或大于此值,比 VREF 的 SNSOUT 引脚被拉低,输出门信号被切断该 PWM 开关间隔的其余部分。在下一个 PWM 开关间隔的感应在最后一个驱动循环中,电机仍然保持一部分电流流过电机在驱动花费较少的时间驾驶电动机之前,VSO 等于 VREF 和到桥的门信号被切断。
 
图示 4- 大联大世平代理的 TI 产品的有刷直流电机工作示意图
 
IDRIVE
 
使用 DRV8701 为两相逆变器中的 MOSFET 提供栅极信号可以实现使用 IDRIVE 设置选择 ISINK 和 ISOURCE 电流。控制的目标 ISOURCE 和 ISINK 将调整提供给四个 MOSFET 的栅极的电流量 H 桥,并在没有有源区和饱和区之间达到所需的转换速率向设备提供过量的电流。如果 MOSFET 的转换速率太低,该器件将花费太多的时间在下面的图所示的米勒地区。
 
图示 5- 大联大世平代理的 TI 产品的有刷直流电机工作示意图
 
产品特性
 
DRV8701ERGER 是一款采用四个外部 N 沟道 MOSFET 的单一 H 桥栅极驱动器,面向双相逆变器驱动一个双向有刷直流电机。阶段 / 启用(DRV8701E)控制方案允许简单地连接到单片机电路。一个内部检测放大器允许使用外部检测电阻进行可调节的电流控制。栅极驱动器包括使用固定关断时间 PWM 来控制绕组电流的能力电流切断。DRV8701 采用 9.5 V VGS 栅极驱动器驱动高端和低端 FET 来自一个集成的电荷泵。所有外部 FET 的栅极驱动电流可以是在 IDRIVE 引脚上配置一个外部电阻。
 
MSP430G2553IPW20 是一款超低功耗微控制器,由许多不同的器件组成特征。其中一些功能包括五种不同的低功耗模式,一个 16 位 RISC CPU、16 位寄存器和常量发生器。使用数字控制振荡器(DCO)MSP430G2553 可以在低于 1μs 的时间内从低功耗模式唤醒。
 
CSD18540Q5B 是一款 60V N 沟道 MOSFET,RDS 额定值为 1.8mΩ。该器件是功率转换应用的理想选择,因为其设计可将损耗降至最低,而 SON 的尺寸仅为 5mm×6mm。
 
LMT86DCKT 是一款精密的 CMOS 温度传感器,利用与温度线性成反比的模拟输出电压。该器件的工作电压可低至 2.2V,电源电流为 5.4μA,是电池供电应用的理想器。
 
 
图示 6- 大联大世平推出基于 TI 产品的有刷式直流电机参考设计方案照片
 
应用
 
Ÿ刷式直流电机驱动器;
 
Ÿ直流充电(桩)站;
 
Ÿ电动汽车充电站 HMI 模块;
 
Ÿ电动汽车充电站电源模块;
 
Ÿ物料搬运(叉车、仓库机器人等);
 
Ÿ工业步进驱动。
 
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