有刷直流馬達的測試和除錯技巧

作者 : James Lockridge,德州儀器(TI)馬達驅動系統工程師、Planet Analog Signal Chain Basics部落格#176作者

對有刷直流馬達來說,扭矩是繞組中電流的函數,透過查看電流波形,工程師可以發現馬達不旋轉或異常旋轉的可能原因。因此,需要設立一個有刷直流馬達測試平台。

對有刷直流馬達來說,扭矩是繞組中電流的函數,透過查看電流波形,工程師可以發現馬達不旋轉或異常旋轉的可能原因。因此,需要設立一個有刷直流馬達測試平台。事關該平台的第一個建議就是選擇一個合適的直流探頭,本文以下許多示例都需要用電流探頭進行除錯,不過,為確保測量的正確性,在使用電流探頭之前,須對探頭進行消磁和歸零。

再者就是選用可以提供足夠電流的桌上型電源。當試圖驅動由湧流或失速引起的大馬達電流時,由於桌上型電源的限流能力,電源軌電壓可能會受到鉗制。確保選擇一台可靠的電源,並將電流限制設置得夠高,以供被測馬達使用。

熟悉正確的有刷直流馬達電流曲線

除錯馬達時,瞭解預期的電流曲線有很大的幫助,圖1顯示了有刷直流馬達的典型曲線。有刷直流馬達在最初通電時,會有很大的浪湧電流或啟動電流,隨著馬達速度不斷提高,反電動勢不斷地增加,相應地,電流卻不斷減少。反電動勢是馬達產生的與端電壓相反的電壓,當馬達停轉時,電流將增加到等於端電壓除以馬達繞組電阻的水準,停轉可能因機械故障或負載到達行程末端而發生。

 

圖1:以100%工作週期驅動的有刷直流馬達電流變化曲線。

(來源:德州儀器)

 

如果有刷直流馬達在連接到驅動器時動作異常,請把馬達與驅動電路的連接斷開,改由桌上型電源為其直接供電。連接到電源後的電流曲線應如圖1所示,如果電流曲線與圖1不同,則馬達可能存在問題。否則,再檢查馬達驅動器設置或MCU韌體,以確保一切依預期運作。

有刷直流馬達的電流調節方案

有時,導致奇怪行為的原因可能是驅動程式的功能配置錯誤。圖2顯示了由驅動器驅動的有刷直流馬達的電流波形,其電流調節位準設置為限制浪湧電流和停轉電流。雖然電流調節功能專門用於此目的,但如果電流調節位準設置得太低,馬達可能無法產生足夠的啟動扭矩來轉動馬達。

 

圖2:由驅動器晶片驅動的有刷直流馬達的電流波形。

(來源:德州儀器)

 

有時候,電流調節方案與發送到馬達驅動器輸入端的脈衝寬度調變(PWM)訊號可能會相互影響。通常,馬達驅動器會透過進入具有固定關閉時間的慢衰減狀態,來提升電流調節回應的優先順序,而不是遵循輸入引腳的邏輯表,電流調節方案運作的詳細說明都會包含在馬達驅動器資料表中。

有刷直流馬達PWM相關問題

圖3顯示了在PWM期間電流如何流過有刷直流馬達驅動器中的全橋電路。一般來說,當PWM關斷狀態選用慢衰減時,系統將具有更好的性能,表1提供DRV8251A驅動器晶片的驅動器邏輯表。為了用50%的PWM完成正向驅動,在導通期間將輸入配置為IN1 = 1和IN2 = 0,在關斷期間則將輸入配置為IN1 = 1和IN2 = 1,這樣可以在低側FET中實現電流迴圈,並使馬達在PWM關斷期間保持其扭矩不變。

 

圖3:電流流過H橋的工作原理。

(來源:德州儀器)

 

表1:DRV8251A驅動器晶片的PWM邏輯表。

(來源:德州儀器)

 

如果在PWM關斷期間IN1 = 0、IN2 = 0,則輸出被禁止,電流透過FET體二極體快速流入電源軌並流入大容量電容器;此時為「快衰減」。對於低電感的馬達而言,在PWM關斷期間電流會很快降到0A,馬達可能會失去扭矩。

在音圈或電流計等應用中,可能需要精確控制PWM工作週期。對於這些應用,系統可能會受益於PWM關斷期間電流的快衰減。為了更好地控制電流波形,關斷時間也可以是快衰減和慢衰減的結合。

與使用PWM驅動有刷直流馬達相關的另一個潛在問題是,PWM工作週期突然變小。發生這種情況時,驅動器會像升壓轉換器一樣,將電源軌上的電壓泵送到全橋電路。圖4顯示了這種情況時的示例波形,這可能會導致電源軌上的馬達驅動器和其他晶片損壞。電源泵送量取決於負載慣量和速度,透過逐漸減小PWM工作週期,或保持馬達處於慢衰減狀態,直到轉子完全停止,這樣可以有效減少電源泵送量。

 

圖4:當工作週期從100%減小到50%時,電源軌電壓將上升。

(來源:德州儀器)

有刷直流馬達端子上的電容

通常,會在有刷直流馬達裡內嵌電容器,以消除因電刷與換向器接觸或斷開時所引起的電磁雜訊和瞬變。這些電容可以嵌入在轉子上,連接在馬達端子之間,或者從馬達端子連接到馬達外殼。另外,有些工程師還會在外部自行添加電容器。

圖5所示為汽車車窗馬達內的電容器。當該馬達完整安裝到位後,電容器引線與馬達外殼將形成電接觸。

 

圖5:車窗馬達內嵌的電容器(上圖)、電刷和換向器(下圖)。

(來源:德州儀器)

 

對於由馬達驅動器控制的有刷直流馬達來說,在每個PWM或電流調節週期內,電容將短暫吸收大電流。電容的電流-電壓關係為I = C × dv/dt,說明當電容電壓在短時間內急劇變化時,它會吸收很大的電流。電容吸收如此大電流,可能會觸發馬達驅動器的過流保護,或電流調節功能跳閘,從而導致馬達系統運作的不穩定。

解決方案包括:

  • 增加與馬達串聯的電感;
  • 調整閘極驅動器中的漏源電壓監視器,這是閘極驅動器中的過流保護功能;
  • 選用不同的馬達;
  • 選用外部電容器時要確保容量合適;
  • 如果在外部增加電容器,通常電容< 3nF,這時,電容浪湧瞬態持續時間會小於馬達驅動器過流保護電路的去毛刺時間。許多整合FET的馬達驅動器具有類比電流限流功能,從而可將這些瞬態的幅度保持在全橋FET 的安全工作區域內。

閘極驅動器

馬達驅動器可能整合功率MOSFET,也可能為工程師提供閘極驅動訊號來驅動外掛的MOSFET。與整合MOSFET的馬達驅動器相比,在如何將閘極驅動和感應訊號送到MOSFET方面,閘極驅動器會面臨額外的設計挑戰。更重要的是,寄生電感和電容引起的瞬變會影響EMI性能,並可能導致MOSFET或驅動器損壞。

閘極驅動訊號是為閘極驅動器除錯時首先要檢查的地方,圖6和圖7是正確的訊號圖形(資料摘自DRV8706-Q1閘極驅動器資料表)。

 

圖 6:PWM 工作期間的閘極驅動訊號。

(來源:德州儀器)

 

圖7:馬達啟動期間的閘極驅動訊號。

(來源:德州儀器)

為閘極驅動器訊號除錯時,建議用探頭在靠近引腳處進行測量。如果驅動器出現故障,請在靠近驅動器引腳的地方進行測量。為了獲得最佳測量結果,請將探頭地線連接到最近的驅動器GND引腳;如果MOSFET出現故障,請在靠近MOSFET引腳的地方進行測量,即儘量減少探頭測量中的迴路面積。

圖8顯示了用於減少迴路面積的實用方法。使用帶有長導線的鱷魚夾探頭接地時,瞬變可能會耦合到探頭,地線的額外電感會給測量增加振鈴(實際並不存在)。

 

圖8:一種實用的探頭測量方法。

(來源:德州儀器)

 

此外,可以考慮使用差分探頭,直接測量MOSFET的閘源電壓或閘漏電壓。在除錯高側閘極驅動訊號時,差分探頭尤其有用。

如果閘極驅動器需要進一步除錯,請探測電荷泵引腳。大多數閘極驅動器都有外部電荷泵引腳(VCP、CPH和CPL)連接到電容,電荷泵為高側MOSFET提供閘極驅動電壓,閘極驅動器會出現與電荷泵和閘極驅動訊號相關的其他故障。

某些閘極驅動器(例如DRV8770)也會使用自舉架構來提供高側閘極驅動電壓。在這種情況下,可以探測與自舉電容相連的引腳。

馬達行為的理解

擁有合適的桌上型測量設備,並深入瞭解馬達行為,是為有刷直流馬達系統除錯的重要起點。如果馬達動作異常,請查看馬達端子上的電壓和電流。如果這些訊號看起來很奇怪,請進一步檢查馬達驅動器的電源、輸入訊號和功能配置。另外,還要仔細檢查桌上型測量設備,確保所用的電流限制措施和採樣解析度都合適無誤。

(參考原文:Tips and tricks for testing, debugging brushed DC motors,by James Lockridge)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌20229月號

 

 

 

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