引言

電機(jī)失速檢測(cè)對(duì)于許多應(yīng)用至關(guān)重要，原因涉及多個(gè)方面。首先，電機(jī)失速檢測(cè)有助于檢測(cè)電機(jī)何時(shí)到達(dá)行程終端或何時(shí)由于障礙物突然停止。例如，電動(dòng)門(mén)鎖的門(mén)栓到達(dá)關(guān)閉位置會(huì)導(dǎo)致電機(jī)停轉(zhuǎn)。其次，失速檢測(cè)可以幫助更大限度地減少因過(guò)熱、磨損和應(yīng)力（如果在電機(jī)失速時(shí)過(guò)驅(qū)動(dòng)，則發(fā)生這些情況）而對(duì)電機(jī)和機(jī)械系統(tǒng)造成的長(zhǎng)期損害。最后，失速檢測(cè)通過(guò)避免不必要的能源消耗來(lái)提高效率并降低功耗。受益于電機(jī)失速檢測(cè)的一些應(yīng)用示例包括真空機(jī)器人、電動(dòng)門(mén)鎖和便攜式打印機(jī)。

如今，已有多種方法可以檢測(cè)有刷直流 (BDC) 電機(jī)何時(shí)停轉(zhuǎn)。其中包括測(cè)量電機(jī)電流、反電動(dòng)勢(shì)，以及使用編碼器和霍爾傳感器來(lái)監(jiān)控電機(jī)的位置。所有這些方法都需要一定程度的分立電路和軟件實(shí)現(xiàn)，這增加了 PCB 的設(shè)計(jì)成本和設(shè)計(jì)尺寸。本應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)提出了一種完全集成的智能失速檢測(cè)設(shè)計(jì)，可以取代分立式設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)集成在 TI 最新的 DRV8213 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中。

分立式失速檢測(cè)設(shè)計(jì)

檢測(cè) BDC 電機(jī)失速的最常見(jiàn)方法之一是測(cè)量電機(jī)電流。使用與電機(jī)電流路徑串聯(lián)的檢測(cè)電阻來(lái)測(cè)量電機(jī)電流。檢測(cè)電阻在電機(jī)兩端產(chǎn)生與電機(jī)電流成正比的電壓。該檢測(cè)電阻電壓被饋入放大器網(wǎng)絡(luò)，以將電壓提升至 MCU 的 ADC 動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。MCU 監(jiān)視電流檢測(cè)輸出并檢測(cè)電流何時(shí)超過(guò)特定閾值 (VREF)。當(dāng) BDC 電機(jī)失速時(shí)，電流會(huì)顯著增加。閾值必須設(shè)置為高于穩(wěn)態(tài)電流的值，且必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)針對(duì)特定電機(jī)和應(yīng)用進(jìn)行確定。

當(dāng)檢測(cè)電壓超過(guò) VREF 時(shí)，會(huì)檢測(cè)到失速且 MCU 會(huì)執(zhí)行所需的響應(yīng)，例如停止電機(jī)、反轉(zhuǎn)電機(jī)方向或警告用戶(hù)。圖 1 展示了該設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)要方框圖。

圖 1 基于電流檢測(cè)的失速檢測(cè)方框圖

閾值 (VREF) 取決于具體的電機(jī)和應(yīng)用。可能需要使用不同的值和操作條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，找到涵蓋最壞情況（例如電機(jī)滿(mǎn)載，或在高溫或低溫下運(yùn)行時(shí)）的閾值。檢測(cè)電阻的額定值必須根據(jù)系統(tǒng)中預(yù)期的最大電流確定。

由于電機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)時(shí)需要高扭矩來(lái)克服慣性矩，BDC 電機(jī)在啟動(dòng)期間具有高浪涌電流。因此，MCU 必須忽略浪涌期間的電流，避免出現(xiàn)錯(cuò)誤的失速檢測(cè)。這只需添加延遲或消隱時(shí)間（從超過(guò)閾值到 MCU 報(bào)告失速情況）即可實(shí)現(xiàn)。每個(gè)電機(jī)和應(yīng)用的延遲時(shí)間都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定的。圖 2 使用真實(shí)電機(jī)展示了此設(shè)計(jì)從啟動(dòng)到失速的情況。

圖 2 電機(jī)從啟動(dòng)到失速的波形

DRV8213 集成失速檢測(cè)

DRV8213 集成了一種失速檢測(cè)方法，該方法依賴(lài)于恒定電流監(jiān)控，類(lèi)似于上一節(jié)中提到的分立式設(shè)計(jì)。DRV8213 上的集成電流檢測(cè)具有與電機(jī)電流成正比的電流輸出。該比例電流被稱(chēng)為 IPROPI。圖 3 展示了 DRV8213 的電流檢測(cè)和調(diào)節(jié)塊。集成電流檢測(cè)塊是具有標(biāo)量因子的電流鏡電路。減小后的電流流經(jīng)外部電阻產(chǎn)生電壓，將該電壓與外部 VREF 電壓進(jìn)行比較。VREF 電壓在 DRV8213 中有兩個(gè)用途：用于設(shè)置電流調(diào)節(jié)限值和失速檢測(cè)限值。一旦超過(guò)限值，驅(qū)動(dòng)器將檢測(cè)到失速（如果已啟用）。

DRV8213 通過(guò)包含可調(diào)節(jié)的消隱時(shí)間 T_INRUSH 來(lái)解決啟動(dòng)期間的錯(cuò)誤失速檢測(cè)問(wèn)題。DRV8213 有一個(gè) T_INRUSH 引腳，可將外部電容器 (C_INRUSH) 連接到 GND。該引腳設(shè)置失速檢測(cè)方案在電機(jī)啟動(dòng)期間忽略浪涌電流的時(shí)間。消隱時(shí)間由以下公式表示：T_INRUSH = 6.5x10⁶ * C_INRUSH

圖 3 集成電流檢測(cè)方框圖

圖 4 展示了更多有關(guān)失速檢測(cè)操作的信息。浪涌電流被調(diào)節(jié)至 I_TRIP 閾值。失速檢測(cè)方案在 T_INRUSH 設(shè)置的時(shí)間內(nèi)忽略該浪涌電流。一旦電機(jī)停轉(zhuǎn)，電流再次上升，這次驅(qū)動(dòng)器會(huì)通過(guò)將 nSTALL 引腳設(shè)置為邏輯低電平來(lái)標(biāo)記失速檢測(cè)，以指示檢測(cè)到失速。

圖 4 DRV8213 集成失速檢測(cè)操作圖

驅(qū)動(dòng)器在檢測(cè)到失速時(shí)有三種響應(yīng)設(shè)置。該設(shè)置通過(guò) SMODE 引腳實(shí)現(xiàn)。設(shè)置如下：

1. 帶指示的鎖存禁用：OUTx 引腳禁用且 nSTALL 引腳拉至低電平。
2. 僅指示：OUTx 引腳保持工作狀態(tài)，nSTALL 引腳拉低。
3. 僅指示：OUTx 引腳保持工作狀態(tài)，nSTALL 引腳拉低。器件使用內(nèi)部 VREF (510mV) 進(jìn)行失速檢測(cè)。

第三種設(shè)置用于無(wú)法或不需要向 VREF 引腳提供外部電壓的情況。內(nèi)部參考電壓固定為 510mV。

總結(jié)來(lái)說(shuō)，DRV8213 設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是總體設(shè)計(jì)成本較低，PCB 設(shè)計(jì)尺寸較小（因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)完全集成到 IC 中）。占用空間小，為 PCB 釋放了一些空間，從而允許添加更多功能，或更大限度減小 PCB 尺寸，以適應(yīng)尺寸受限的應(yīng)用。內(nèi)置智能功能（例如 TINRUSH 消隱時(shí)間和可編程失速檢測(cè)響應(yīng)）無(wú)需外部 MCU。要了解有關(guān) DRV8213 的更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn) DRV8213 產(chǎn)品頁(yè)面。