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有刷式直流電機(jī)參考設(shè)計(jì)，由DRV8701柵極驅(qū)動(dòng)器、MSP430G2553IPW20超低功耗微控制器、CSD18540Q5B60V N溝道MOSFET和LMT86DCKT精密CMOS溫度傳感器等器件組成。

有刷電機(jī)由于其低價(jià)和簡(jiǎn)單的控制方案，成為相對(duì)受歡迎的電機(jī)設(shè)計(jì)選項(xiàng)。有刷電機(jī)具有繞線轉(zhuǎn)子和永磁定子。電機(jī)的換向通過(guò)導(dǎo)電環(huán)實(shí)現(xiàn)：此導(dǎo)電環(huán)連接到轉(zhuǎn)子，而轉(zhuǎn)子使用刷子在換向器環(huán)上刮擦，從而實(shí)現(xiàn)換向。因此，流經(jīng)電機(jī)的電流方向可根據(jù)刷子方向和不同換向環(huán)而改變。利用H橋可對(duì)有刷直流電機(jī)迅速高效地實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的方向變更和速度控制變更。需要使用電子驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制有刷直流電機(jī)中的電機(jī)電流。電子驅(qū)動(dòng)電路包含具有兩相逆變器的功率級(jí)（滿(mǎn)足所需功率強(qiáng)度）、用于實(shí)施電機(jī)速度命令和故障處理的微控制器、用于電機(jī)啟動(dòng)/停止保護(hù)的電流感應(yīng)功能、用于控制兩相逆變器的柵極驅(qū)動(dòng)器以及用于微控制器和其他低壓器件的電源。

有刷式直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括：

帶有兩相逆變器的功率級(jí)滿(mǎn)足所需的功率容量；

微控制器實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度命令和故障處理；

電機(jī)啟動(dòng)/失速保護(hù)的電流檢測(cè)；

用于控制兩相逆變器的柵極驅(qū)動(dòng)器。

圖示1-基于TI產(chǎn)品的有刷式直流電機(jī)參考設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)圖

功能描述

脈寬調(diào)制（PWM）和相位控制：

在有刷直流（BDC）電機(jī)中，可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)來(lái)控制該電機(jī)轉(zhuǎn)子的速度。由于PWM信號(hào)的占空比改變了傳送的平均電壓到電機(jī)是不同的，允許不同的轉(zhuǎn)子速度，而不會(huì)通過(guò)一個(gè)電阻電位器。然后使用兩相逆變器控制電機(jī)的方向這允許使用四個(gè)快速改變提供給電機(jī)的電流的方向獨(dú)立控制的MOSFET。如圖所示。

圖示2-TI產(chǎn)品的有刷直流電機(jī)工作示意圖

用于控制電機(jī)的PWM信號(hào)是使用MSP430G2553產(chǎn)生的。通過(guò)取樣速度電位器的滑動(dòng)電壓并將該樣本與Timer_A進(jìn)行比較MSP430的PWM信號(hào)具有不同的占空比和恒定的開(kāi)關(guān)頻率創(chuàng)建。

圖示3-TI產(chǎn)品的有刷直流電機(jī)工作示意圖

電流斬波使用VREF

為了控制通過(guò)電機(jī)的電流，檢測(cè)電阻被放置在H橋的底部在兩個(gè)低端MOSFET的源極和地之間。一個(gè)內(nèi)部運(yùn)算放大器然后將DRV8701連接在檢測(cè)電阻和地之間，使驅(qū)動(dòng)器可以測(cè)量電壓降并通過(guò)比例因子AV放大以產(chǎn)生更大的幅度值。該電壓被稱(chēng)為VSO，并與VREF引腳上設(shè)置的電壓進(jìn)行比較；如果VSO大于或等于VREF時(shí)，電橋停止產(chǎn)生柵極信號(hào)直到電壓已經(jīng)降到VREF以下，如果VSO小于VREF，那么橋?qū)⒗^續(xù)產(chǎn)生門(mén)電路信號(hào)。

VSO涉及使用等式1的通過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流：VSO=AV*（IDRIVE*RSENSE）（1）

如果VSO大于或等于VREF，則SNSOUT引腳的輸出被拉低指示驅(qū)動(dòng)器故障，DRV8701正在切斷門(mén)信號(hào)。而VSO是小于VREF時(shí)，SNSOUT引腳的輸出可通過(guò)外部上拉電阻拉高至邏輯高電平表示器件工作在典型的驅(qū)動(dòng)電流狀態(tài)。下面的圖顯示了電流斬波驅(qū)動(dòng)電流方案。在圖中，電機(jī)正在初始驅(qū)動(dòng)，電流從電源中汲取增加。一旦在檢測(cè)電阻（VSO）上測(cè)得的電壓等于或大于此值，比VREF的SNSOUT引腳被拉低，輸出門(mén)信號(hào)被切斷該P(yáng)WM開(kāi)關(guān)間隔的其余部分。在下一個(gè)PWM開(kāi)關(guān)間隔的感應(yīng)在最后一個(gè)驅(qū)動(dòng)循環(huán)中，電機(jī)仍然保持一部分電流流過(guò)電機(jī)在驅(qū)動(dòng)花費(fèi)較少的時(shí)間駕駛電動(dòng)機(jī)之前，VSO等于VREF和到橋的門(mén)信號(hào)被切斷。

圖示4-有刷直流電機(jī)工作示意圖

IDRIVE

使用DRV8701為兩相逆變器中的MOSFET提供柵極信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)使用IDRIVE設(shè)置選擇ISINK和ISOURCE電流。控制的目標(biāo)ISOURCE和ISINK將調(diào)整提供給四個(gè)MOSFET的柵極的電流量H橋，并在沒(méi)有有源區(qū)和飽和區(qū)之間達(dá)到所需的轉(zhuǎn)換速率向設(shè)備提供過(guò)量的電流。如果MOSFET的轉(zhuǎn)換速率太低，該器件將花費(fèi)太多的時(shí)間在下面的圖所示的米勒地區(qū)。

圖示5-有刷直流電機(jī)工作示意圖

產(chǎn)品特性

DRV8701ERGER是一款采用四個(gè)外部N溝道MOSFET的單一H橋柵極驅(qū)動(dòng)器，面向雙相逆變器驅(qū)動(dòng)一個(gè)雙向有刷直流電機(jī)。階段/啟用（DRV8701E）控制方案允許簡(jiǎn)單地連接到單片機(jī)電路。一個(gè)內(nèi)部檢測(cè)放大器允許使用外部檢測(cè)電阻進(jìn)行可調(diào)節(jié)的電流控制。柵極驅(qū)動(dòng)器包括使用固定關(guān)斷時(shí)間PWM來(lái)控制繞組電流的能力電流切斷。DRV8701采用9.5 V VGS柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)高端和低端FET來(lái)自一個(gè)集成的電荷泵。所有外部FET的柵極驅(qū)動(dòng)電流可以是在IDRIVE引腳上配置一個(gè)外部電阻。

MSP430G2553IPW20是一款超低功耗微控制器，由許多不同的器件組成特征。其中一些功能包括五種不同的低功耗模式，一個(gè)16位RISC CPU、16位寄存器和常量發(fā)生器。使用數(shù)字控制振蕩器（DCO）MSP430G2553可以在低于1μs的時(shí)間內(nèi)從低功耗模式喚醒。

CSD18540Q5B是一款60V N溝道MOSFET，RDS額定值為1.8mΩ。該器件是功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用的理想選擇，因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)可將損耗降至最低，而SON的尺寸僅為5mm×6mm。

LMT86DCKT是一款精密的CMOS溫度傳感器，利用與溫度線性成反比的模擬輸出電壓。該器件的工作電壓可低至2.2V，電源電流為5.4μA，是電池供電應(yīng)用的理想器。

圖示6-TI產(chǎn)品的有刷式直流電機(jī)參考設(shè)計(jì)方案照片

應(yīng)用

刷式直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；

直流充電（樁）站；

電動(dòng)汽車(chē)充電站HMI模塊；

電動(dòng)汽車(chē)充電站電源模塊；

物料搬運(yùn)（叉車(chē)、倉(cāng)庫(kù)機(jī)器人等）；

工業(yè)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)。