有刷式直流電機參考設計，由DRV8701柵極驅動(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。

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

有刷式直流電機驅動(dòng)電路包括：

帶有兩相逆變器的功率級滿(mǎn)足所需的功率容量；

微控制器實(shí)現電機速度命令和故障處理；

電機啟動(dòng)/失速保護的電流檢測；

用于控制兩相逆變器的柵極驅動(dòng)器。

圖示1-基于TI產(chǎn)品的有刷式直流電機參考設計系統架構圖

功能描述

脈寬調制（PWM）和相位控制：

在有刷直流（BDC）電機中，可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的脈寬調制（PWM）信號來(lái)控制該電機轉子的速度。由于PWM信號的占空比改變了傳送的平均電壓到電機是不同的，允許不同的轉子速度，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的方向這允許使用四個(gè)快速改變提供給電機的電流的方向獨立控制的MOSFET。如圖所示。

圖示2-TI產(chǎn)品的有刷直流電機工作示意圖

用于控制電機的PWM信號是使用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)品的有刷直流電機工作示意圖

電流斬波使用VREF

為了控制通過(guò)電機的電流，檢測電阻被放置在H橋的底部在兩個(gè)低端MOSFET的源極和地之間。一個(gè)內部運算放大器然后將DRV8701連接在檢測電阻和地之間，使驅動(dòng)器可以測量電壓降并通過(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)生柵極信號直到電壓已經(jīng)降到VREF以下，如果VSO小于VREF，那么橋將繼續產(chǎn)生門(mén)電路信號。

VSO涉及使用等式1的通過(guò)電動(dòng)機的電流：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動(dòng)器故障，DRV8701正在切斷門(mén)信號。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動(dòng)電流狀態(tài)。下面的圖顯示了電流斬波驅動(dòng)電流方案。在圖中，電機正在初始驅動(dòng)，電流從電源中汲取增加。一旦在檢測電阻（VSO）上測得的電壓等于或大于此值，比VREF的SNSOUT引腳被拉低，輸出門(mén)信號被切斷該PWM開(kāi)關(guān)間隔的其余部分。在下一個(gè)PWM開(kāi)關(guān)間隔的感應在最后一個(gè)驅動(dòng)循環(huán)中，電機仍然保持一部分電流流過(guò)電機在驅動(dòng)花費較少的時(shí)間駕駛電動(dòng)機之前，VSO等于VREF和到橋的門(mén)信號被切斷。

圖示4-有刷直流電機工作示意圖

IDRIVE

使用DRV8701為兩相逆變器中的MOSFET提供柵極信號可以實(shí)現使用IDRIVE設置選擇ISINK和ISOURCE電流�？刂频哪繕薎SOURCE和ISINK將調整提供給四個(gè)MOSFET的柵極的電流量H橋，并在沒(méi)有有源區和飽和區之間達到所需的轉換速率向設備提供過(guò)量的電流。如果MOSFET的轉換速率太低，該器件將花費太多的時(shí)間在下面的圖所示的米勒地區。

圖示5-有刷直流電機工作示意圖

產(chǎn)品特性

DRV8701ERGER是一款采用四個(gè)外部N溝道MOSFET的單一H橋柵極驅動(dòng)器，面向雙相逆變器驅動(dòng)一個(gè)雙向有刷直流電機。階段/啟用（DRV8701E）控制方案允許簡(jiǎn)單地連接到單片機電路。一個(gè)內部檢測放大器允許使用外部檢測電阻進(jìn)行可調節的電流控制。柵極驅動(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柵極驅動(dòng)器驅動(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。使用數字控制振蕩器（DCO）MSP430G2553可以在低于1μs的時(shí)間內從低功耗模式喚醒。

CSD18540Q5B是一款60V N溝道MOSFET，RDS額定值為1.8mΩ。該器件是功率轉換應用的理想選擇，因為其設計可將損耗降至最低，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(xiàn)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，是電池供電應用的理想器。

圖示6-TI產(chǎn)品的有刷式直流電機參考設計方案照片

應用

刷式直流電機驅動(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（叉車(chē)、倉庫機器人等）；

工業(yè)步進(jìn)驅動(dòng)。