【導(dǎo)讀】雖然無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，但是直流電機(jī)憑借成本低這一優(yōu)勢(shì)仍然被繼續(xù)沿用，本期大講臺(tái)將重點(diǎn)介紹有刷直流電機(jī)控制設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)，以及低壓直流電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)。
刷式直流電機(jī)使用刷子進(jìn)行換向。電樞或轉(zhuǎn)子具有繞線，可端接至換向器。刷子通過(guò)形成或斷開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異極相吸，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子位置對(duì)齊時(shí)，刷子將跨越換向器并驅(qū)動(dòng)下一個(gè)繞線。刷式直流電機(jī)需要維護(hù)并具有線性扭矩/電流曲線。這些電機(jī)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(jī)系統(tǒng)的方框圖 (SBD)，它具有微處理器、閘極驅(qū)動(dòng)器、隔離器件、工業(yè)接口和電源管理。
刷式直流電機(jī)控制設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
微處理器
具有 4 個(gè)脈寬調(diào)制器 (PWM) 信號(hào)的任何 MCU 系列均可以用于驅(qū)動(dòng)連接到刷式直流電機(jī)的 H 橋 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。根據(jù)控制算法的復(fù)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(jī)系統(tǒng)的理想選擇。C2000 和 Stellaris MCU 具有 QEI 輸入，可接受編碼器輸入。Hercules MCU 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，C2000 MCU 系列就是最佳選擇。C2000 或 Stellaris MCU 可滿足中端系統(tǒng)要求。Hercules MCU 是系統(tǒng)需要基于 IEC61508 等安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證時(shí)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(shì)壘進(jìn)行隔離，可提供 4kV 隔離。當(dāng)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(tǒng)模擬 RS-232/RS-485 接口一直是電機(jī)控制應(yīng)用的常見選擇。展望未來(lái)，設(shè)計(jì)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(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(biāo)準(zhǔn) 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(guān) 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(xiàng)目開發(fā)。
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小型電動(dòng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)包括螺線管驅(qū)動(dòng)、單向 DC、雙向 DC 或無(wú)刷 DC 系統(tǒng)，通常按照幀大小和功率（以瓦計(jì)）來(lái)劃分大小。
圖2：低電壓電機(jī)控制方框圖
低電壓電機(jī)控制設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
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(hào)控制器 (DSC).合適的控制器可以優(yōu)化電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jí)性能和電機(jī)控制優(yōu)化的片上外設(shè)使用戶可以輕松實(shí)施高級(jí)算法，例如三相電機(jī)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(jī)/螺線管驅(qū)動(dòng)器電路
PWM 驅(qū)動(dòng)器（例如 1.2A DRV104）可以與用于驅(qū)動(dòng)螺線管或閥門（由 +8V 至 +32V 單電源供電）的電阻性負(fù)載或電感負(fù)載兼容。低壓 DC 電機(jī)的設(shè)計(jì)人員可能會(huì)選擇具有 0V 至 16V、50mA PWM 閘極驅(qū)動(dòng)輸出的 TPIC2101 前置 FET 驅(qū)動(dòng)器。TPIC2101 驅(qū)動(dòng)外部、低側(cè) NMOS 功率晶體管的閘極，從而為電機(jī)或其它負(fù)載提供 PWM 控制的電源。它包含軟啟動(dòng)、過(guò)壓/欠壓保護(hù)和 100% 占空比功能。可以使用 TPIC2101 控制永久磁性 DC 電機(jī)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(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(yùn)算放大器 (OPA548)（它通過(guò)電阻/分壓器實(shí)現(xiàn)外部控制）或電流輸出 DAC（例如 DAC7811 或 DAC8811）。另外，MOSFET 驅(qū)動(dòng)器（如 UCC37321 或 UCC37323）被認(rèn)為可以直接驅(qū)動(dòng)更小的電機(jī)或驅(qū)動(dòng)電源設(shè)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(shì)壘進(jìn)行隔離。當(dāng)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(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(duì)最終用戶的特定要求定制的。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(yùn)動(dòng)反饋
隔離式 Δ-Σ 調(diào)制器 (AMC1203/AMC1210) 是并聯(lián)測(cè)量平面假信號(hào)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(guò)采樣和濾波。為了測(cè)量控制器輸入和系統(tǒng)反饋，INA159 差動(dòng)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(hào)。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(jiān)視。
