各種(zhǒng)直流電機工作原理與控制電路解析 

各種(zhǒng)直流電機工作原理與控制電路解析 

直流電動機是連續的執行器，可將(jiāng)電能(néng)轉換爲機械能(néng)。直流電動機通過(guò)産生連續的角旋轉來實現此目的，該角旋轉可用于旋轉泵、風扇、壓縮機、車輪等。 

與傳統的旋轉直流電動機一樣(yàng)，也可以使用線性電動機，它們能(néng)夠産生連續的襯套運動。基本上有三種(zhǒng)類型的常規電動機可用：AC型電動機，DC型電動機和步進(jìn)電動機。 

交流電動機通常用于高功率的單相或多相工業應用中，需要恒定的旋轉扭矩和速度來控制大負載，例如風扇或泵。
我們僅介紹簡單的輕型直流電動機和步進(jìn)電動機，這(zhè)些電動機用于許多不同類型的電子、位置控制、微處理器、PIC和機器人類型的電路中。 

基本直流電動機是用于産生連續運動和旋轉，其速度可以容易地控制，從而使它們适合于應用中，是速度控制、伺服控制類型的最常用的緻動器。直流電動機由兩(liǎng)部分組成(chéng)，“定子”是固定部分，而“轉子”是旋轉部分。 

有刷電機—這(zhè)種(zhǒng)類型的電機通過(guò)使電流流經(jīng)換向(xiàng)器和碳刷組件，而在繞線轉子（旋轉的零件）中産生磁場，因此稱爲“有刷”。定子（靜止部分）的磁場是通過(guò)使用繞制的定子勵磁繞組或永磁體産生的。通常，有刷直流電動機便宜，體積小且易于控制。 

無刷電動機—這(zhè)種(zhǒng)電動機通過(guò)使用附著(zhe)在其上的永磁體在轉子中産生磁場，并通過(guò)電子方式實現換向(xiàng)。它們通常比常規的有刷型直流電動機更小，但價格更高，因爲它們在定子中使用“霍爾效應”開(kāi)關來産生所需的定子磁場旋轉順序，但是它們具有更好(hǎo)的轉矩/速度特性，效率更高且使用壽命更長(cháng)。 

伺服電動機—這(zhè)種(zhǒng)電動機基本上是一種(zhǒng)有刷直流電動機，帶有某種(zhǒng)形式的位置反饋控制連接到轉子軸。它們連接到PWM型控制器，并由其控制，主要用于位置控制系統和無線電控制模型。
普通的直流電動機具有幾乎線性的特性，其旋轉速度取決于所施加的直流電壓，輸出轉矩則取決于流經(jīng)電動機繞組的電流。任何直流電動機的旋轉速度可以從每分鍾幾轉（rpm）到每分鍾幾千轉不等，從而使其适用于電子，汽車或機器人應用。通過(guò)將(jiāng)它們連接到變速箱或齒輪系，可以降低它們的輸出速度，同時(shí)又可以提高電動機的高速轉矩輸出。 

有刷直流電動機—傳統的有刷直流電動機基本上由兩(liǎng)部分組成(chéng)，電動機的靜止主體稱爲定子，而内部旋轉産生的運動稱爲直流電動機的轉子或“電樞”。
電機繞制定子是一個電磁電路，由圓形連接在一起(qǐ)的電線圈組成(chéng)，以産生所需的北極，南極，然後(hòu)是北極等類型的旋轉固定磁場系統，這(zhè)與交流電機不同。定子磁場以施加的頻率連續旋轉。在這(zhè)些勵磁線圈中流動的電流稱爲電動機勵磁電流。

這(zhè)些形成(chéng)定子磁場的電磁線圈可以與電動機電樞串聯，并聯或同時(shí)電連接在一起(qǐ)。串聯繞制直流電動機的定子勵磁繞組與電樞串聯連接。同樣(yàng)，并聯繞組直流電動機的定子勵磁繞組與電樞并聯。 

串聯和并聯直流電動機 

直流電機的轉子或電樞由載流導體組成(chéng)，載流導體的一端連接到稱爲換向(xiàng)器的電隔離銅段。換向(xiàng)器允許在電樞旋轉時(shí)通過(guò)碳刷與外部電源進(jìn)行電氣連接。轉子建立的磁場試圖使其自身與靜止的定子磁場對(duì)準，從而導緻轉子沿其軸線旋轉，但由于換向(xiàng)延遲而無法使其自身對(duì)準。電動機的轉速取決于轉子磁場的強度，施加在電動機上的電壓越大，轉子旋轉得越快。通過(guò)改變施加的直流電壓，也可以改變電動機的轉速。 

常規（有刷）直流電動機 

永磁有刷直流電動機通常比同等繞制定子型直流電動機表親小得多，并且便宜得多，因爲它們沒(méi)有勵磁繞組。在永磁直流電動機中，這(zhè)些勵磁線圈被(bèi)具有很高磁場能(néng)量的強稀土磁體代替。
永磁體的使用使直流電動機的線性速度/轉矩特性比同等的繞線電動機好(hǎo)得多，這(zhè)是因爲其具有永久性的磁場（有時(shí)是非常強的磁場），使其更适合用于模型，機器人和伺服系統。
盡管有刷直流電動機非常高效且便宜，但與直流有刷電動機相關的問題是，在重載條件下，換向(xiàng)器和碳刷的兩(liǎng)個表面(miàn)之間會(huì)産生火花，導緻自發(fā)熱，短壽命以及由于火花産生的電噪聲，這(zhè)會(huì)損壞任何半導體開(kāi)關器件，例如MOSFET或晶體管。爲了克服這(zhè)些缺點，開(kāi)發(fā)了無刷直流電動機。
無刷直流電動機與永磁直流電動機非常相似，但是沒(méi)有任何電刷可更換或由于換向(xiàng)器火花而磨損。因此，在轉子中産生的熱量很少，從而延長(cháng)了電動機的壽命。無刷電機的設計通過(guò)使用更複雜的驅動電路來消除對(duì)電刷的需求，因爲轉子磁場是永久磁鐵，始終與定子磁場保持同步，從而可以實現更精确的速度和轉矩控制。 

然後(hòu)，無刷直流電動機的結構與交流電動機非常相似，因此成(chéng)爲真正的同步電動機，但缺點是，它比等效的有刷電動機設計貴。 

無刷直流電動機的控制與普通的有刷直流電動機的控制方法有很大的不同，因爲它與某些有刷直流電動機的控制方式相結合，可以檢測出産生控制半導體開(kāi)關所需的反饋信号所需的轉子角位置。最常見的位置/極點傳感器是“霍爾效應傳感器”，但是某些電動機也使用光學(xué)傳感器。
使用霍爾效應傳感器，電磁鐵的極性由電動機控制驅動電路切換。然後(hòu)，可以輕松地將(jiāng)電動機與數字時(shí)鍾信号同步，從而提供精确的速度控制。無刷直流電動機可構造成(chéng)具有外部永磁體轉子和内部電磁定子，或内部永磁體轉子和外部電磁定子。與有刷直流電動機相比，無刷直流電動機的優點是效率更高，可靠性更高，電氣噪聲更低，速度控制良好(hǎo)，更重要的是，沒(méi)有電刷或換向(xiàng)器會(huì)産生更高的轉速。然而，它們的缺點是它們更昂貴并且控制更複雜。
直流伺服電動機用于閉環型應用，將(jiāng)輸出電動機軸的位置反饋到電動機控制電路。典型的位置“反饋”設備，包括用于無線電控制模型的旋轉變壓器、編碼器和電位計。 

伺服電動機通常包括用于減速的内置齒輪箱，并且能(néng)夠直接傳遞高扭矩。由于安裝了變速箱和反饋裝置，因此伺服電動機的輸出軸不能(néng)像直流電動機的軸那樣(yàng)自由旋轉。 

直流伺服電機框 

伺服電動機由直流電動機、減速齒輪箱、位置反饋裝置和某種(zhǒng)形式的誤差校正組成(chéng)。相對(duì)于施加到設備的位置輸入信号或參考信号來控制速度或位置。

RC伺服馬達 

錯誤檢測放大器會(huì)查看此輸入信号，并將(jiāng)其與來自電機輸出軸的反饋信号進(jìn)行比較，以确定電機輸出軸是否處于錯誤狀态，如果是，則控制器會(huì)進(jìn)行适當的校正，以使電機加速或減速它下來。對(duì)位置反饋設備的這(zhè)種(zhǒng)響應，意味著(zhe)伺服電機在“閉環系統”内運行。
除大型工業應用外，伺服電動機還(hái)用于小型遙控模型和機器人技術中，大多數伺服電動機都(dōu)可以在兩(liǎng)個方向(xiàng)上旋轉大約180度，因此非常适合精确的角度定位。但是，除非特别修改，否則這(zhè)些RC型伺服器無法像傳統的DC電動機一樣(yàng)連續高速旋轉。 

伺服電動機由一個裝置中的多個裝置，電動機，變速箱，反饋裝置和用于控制位置，方向(xiàng)或速度的誤差校正組成(chéng)。它們僅需使用電源、接地和信号控制三根導線即可輕松控制，因此廣泛用于機器人和小型模型。
直流電動機開(kāi)關與控制小型直流電動機可以通過(guò)開(kāi)關，繼電器，晶體管或MOSFET電路“接通”或“斷開(kāi)”，最簡單的電動機控制形式是“線性”控制。這(zhè)種(zhǒng)類型的電路使用雙極晶體管作爲開(kāi)關，以通過(guò)單個電源控制電動機。
通過(guò)改變流入晶體管的基極電流量，可以控制電動機的速度，例如，如果晶體管“半路”導通，則隻有一半的電源電壓流向(xiàng)電動機。如果晶體管“完全導通，則所有電源電壓都(dōu)流向(xiàng)電動機，并且旋轉速度更快。然後(hòu)，對(duì)于這(zhè)種(zhǒng)線性控制類型，功率將(jiāng)不斷地傳遞到電動機。 

電機速度控制 

上面(miàn)的簡單開(kāi)關電路顯示了單向(xiàng)（僅一個方向(xiàng)）電動機速度控制電路的電路。由于直流電動機的轉速與兩(liǎng)端的電壓成(chéng)正比，因此我們可以使用晶體管來調節該端電壓。 

兩(liǎng)個晶體管作爲達林頓對(duì)連接，以控制電動機的主電樞電流。甲5kΩ的電位器是用于基極驅動量控制到所述第一導頻晶體管TR1，這(zhè)反過(guò)來又控制主開(kāi)關晶體管，TR2允許馬達的DC電壓從零變化到Vcc，在本實施例9至12中伏特。
可選的飛輪二極管跨接在開(kāi)關晶體管TR2和電機端子之間，以防止電機旋轉時(shí)産生的反電動勢。可調電位器可以用直接加到電路輸入端的連續邏輯“ 1”或邏輯“ 0”信号代替，以分别將(jiāng)電動機“全開(kāi)”（飽和）或“全關”（切斷）從微控制器或PIC的端口。 

除了基本的速度控制之外，還(hái)可以使用相同的電路來控制電動機的轉速。通過(guò)以足夠高的頻率反複切換電動機電流“ ON”和“ OFF”，可以通過(guò)改變其标記空間比來在靜止（0 rpm）和全速（100％）之間改變電動機的速度。這(zhè)可以通過(guò)改變“開(kāi)啓”時(shí)間（t ON）與“關閉”時(shí)間（t OFF）的比例來實現，并且可以使用稱爲脈沖寬度調制的過(guò)程來實現。 

脈沖寬度、速度控制前面(miàn)我們曾說(shuō)過(guò)，直流電動機的轉速與其端子上的平均（平均）電壓值成(chéng)正比，并且該值越高，直到達到最大允許電動機電壓，電動機旋轉的速度就(jiù)越快。換句話說(shuō)，電壓越高，速度越快。通過(guò)改變“開(kāi)”（t ON）時(shí)間和“關”（t OFF）持續時(shí)間之間的比率，稱爲“占空比”，“标記/間距比率”或“占空比”，可以得出電機電壓及其轉速可以改變。對(duì)于簡單的單極驅動器，占空比β爲：饋入電動機的平均直流輸出電壓爲：Vmean =βx Vsupply。然後(hòu)，通過(guò)改變脈沖a的寬度，可以控制電動機電壓，從而可以控制施加到電動機的功率，這(zhè)種(zhǒng)控制方式稱爲脈沖寬度調制或PWM。
控制電動機轉速的另一種(zhǒng)方法是在保持“開(kāi)”和“關”占空比時(shí)間不變的情況下改變頻率（以及控制電壓的時(shí)間段）。這(zhè)種(zhǒng)控制稱爲脈沖頻率調制或PFM。
通過(guò)脈沖頻率調制，通過(guò)施加可變頻率的脈沖來控制電動機電壓，例如，以低頻或隻有很少的脈沖，施加到電動機的平均電壓較低，因此電動機速度較慢。在較高頻率下或帶有許多脈沖時(shí)，平均電動機端子電壓會(huì)增加，并且電動機速度也會(huì)增加。
然後(hòu)，晶體管可用于控制施加到直流電動機的功率，其工作模式爲“線性”（電動機電壓變化），“脈沖寬度調制”（脈沖寬度變化）或“脈沖頻率”調制”（改變脈沖頻率）。
反轉直流電動機的方向(xiàng)盡管用單個晶體管控制直流電動機的速度具有許多優點，但它也有一個主要缺點，即旋轉方向(xiàng)始終相同，這(zhè)是一個“單向(xiàng)”電路。在許多應用中，我們需要沿正反兩(liǎng)個方向(xiàng)操作電動機。
爲了控制直流電動機的方向(xiàng)，必須反轉施加到電動機連接處的直流電源的極性，以使其軸沿相反方向(xiàng)旋轉。 

控制直流電動機旋轉方向(xiàng)的一種(zhǒng)非常簡單的方法，是使用按以下方式排列的不同開(kāi)關。 

直流電動機方向(xiàng)控制 

第一個電路使用單個雙刀雙擲開(kāi)關來控制電動機連接的極性。通過(guò)切換觸點，可以將(jiāng)電動機端子的電源反向(xiàng)，并使電動機的方向(xiàng)反向(xiàng)。第二個電路稍微複雜一些，并使用四個以“ H”形配置的單刀單擲開(kāi)關。
機械開(kāi)關成(chéng)對(duì)布置，并且必須以特定的組合方式操作才能(néng)操作或停止直流電動機。例如開(kāi)關組合A + D控制正向(xiàng)旋轉，而開(kāi)關B + C控制反向(xiàng)旋轉。組合開(kāi)關A + B或C + D使電動機端子短路，從而使其迅速制動。但是，以這(zhè)種(zhǒng)方式使用開(kāi)關有其危險，因爲一起(qǐ)操作開(kāi)關A + C或B + D會(huì)使電源短路。
盡管以上兩(liǎng)個電路在大多數小型直流電動機應用中都(dōu)能(néng)很好(hǎo)地工作，但我們是否真的要操作機械開(kāi)關的不同組合隻是爲了反轉電動機的方向(xiàng)？我們可以更改機電繼電器組的手動開(kāi)關，并具有單個前進(jìn)/後(hòu)退按鈕或開(kāi)關，甚至可以使用固态CMOS 4066B四邊雙向(xiàng)開(kāi)關。
但是，實現電動機雙向(xiàng)控制（以及其速度）的另一種(zhǒng)很好(hǎo)的方法，是將(jiāng)電動機連接到晶體管H橋型電路裝置。 

基本雙向(xiàng)H橋電路 

所述H橋電路的上方，如此命名是因爲四個開(kāi)關，無論是電動機械繼電器或晶體管類似于字母“H”與位于中心條上的電動機的基本結構。晶體管或MOSFET H橋可能(néng)是雙向(xiàng)DC電動機控制電路中最常用的類型之一。它在每個分支中使用NPN和PNP的“互補晶體管對(duì)”，晶體管成(chéng)對(duì)切換到一起(qǐ)以控制電動機。
控制輸入A在一個方向(xiàng)（正向(xiàng)旋轉）上運行電動機，而輸入B在另一個方向(xiàng)（即反向(xiàng)旋轉）上運行電動機。然後(hòu)，通過(guò)將(jiāng)其“對(duì)角線對(duì)”中的晶體管切換爲“ ON”或“ OFF”，可以實現電動機的方向(xiàng)控制。
例如，當晶體管TR1爲“ ON”且晶體管TR2爲“ OFF”時(shí)，點A連接至電源電壓（+ Vcc），如果晶體管TR3爲“ OFF”且晶體管TR4爲“ ON”，則點B連接至0伏（GND）。然後(hòu)，電動機將(jiāng)沿與電動機端子A爲正且電動機端子B爲負的一個方向(xiàng)旋轉。
如果切換狀态反轉，從而TR1爲“ OFF”，TR2爲“ ON”，TR3爲“ ON”，TR4爲“ OFF”，則電動機電流將(jiāng)沿相反方向(xiàng)流動，從而使電動機反向(xiàng)旋轉方向(xiàng)。 

然後(hòu)，通過(guò)將(jiāng)相反的邏輯電平“ 1”或“ 0”應用于輸入端A和B，可以如下控制電動機的旋轉方向(xiàng)。 

H橋真值表 

重要的是，不允許有其他輸入組合，因爲這(zhè)可能(néng)會(huì)導緻電源短路，即，兩(liǎng)個晶體管TR1和TR2同時(shí)切換爲“ ON”。
如同上面(miàn)看到的單向(xiàng)直流電動機控制一樣(yàng)，也可以使用脈沖寬度調制或PWM控制電動機的轉速。然後(hòu)，通過(guò)將(jiāng)H橋開(kāi)關與PWM控制相結合，可以精确地控制電動機的方向(xiàng)和速度。
商用現成(chéng)的解碼器IC，例如SN754410四通道(dào)半H橋IC或具有2個H橋的L298N，可提供内置的所有必要控制和安全邏輯，這(zhè)些邏輯和安全邏輯是專門爲H橋雙向(xiàng)電動機控制電路設計的。直流步進(jìn)電機像上面(miàn)的直流電動機一樣(yàng)，步進(jìn)電動機也是機電緻動器，它將(jiāng)脈沖數字輸入信号轉換爲離散的機械運動，已廣泛用于工業控制應用中。步進(jìn)電動機是同步無刷電動機的一種(zhǒng)，它不具有帶有換向(xiàng)器和碳刷的電樞，而是具有由許多轉子組成(chéng)的轉子，某些類型的轉子具有數百個永磁齒和帶有單個繞組的定子。 

步進(jìn)電機 

顧名思義，步進(jìn)電機不會(huì)像常規直流電機那樣(yàng)連續旋轉，而是以離散的“步進(jìn)”或“增量”運動，每次旋轉或步進(jìn)的角度取決于定子磁極和轉子的數量步進(jìn)電機的齒。 

由于其離散的步進(jìn)操作，步進(jìn)電機可以輕松地一次旋轉有限的一部分旋轉，例如1.8、3.6、7.5度等。因此，假設步進(jìn)電機完成(chéng)一整圈：360度分100步。然後(hòu)，電動機的步距角爲360度/ 100步=每步3.6度。該值通常稱爲步進(jìn)電機“步進(jìn)角”。 

步進(jìn)電機有三種(zhǒng)基本類型，可變磁阻，永磁體和混合動力（兩(liǎng)者的一種(zhǒng)組合）。甲步進(jìn)電機特别适用于需要精确的定位和可重複性一起(qǐ)啓動、停止、反轉和速度控制與步進(jìn)電機的另一個關鍵特征的快速響應的應用程序，是能(néng)夠保持負載能(néng)力穩定一旦需要的位置是實現。 

通常，步進(jìn)電動機具有一個内部轉子，該内部轉子具有大量的永磁體“齒”，并且多個電磁體“齒”安裝在定子上。定子電磁體依次被(bèi)極化和去極化，從而使轉子一次旋轉一個“步長(cháng)”。
現代的多極，多齒步進(jìn)電機的每步精度小于0.9度（每轉400脈沖），主要用于高度精确的定位系統，例如用于軟盤/硬盤驅動器中的磁頭的定位系統，打印機/繪圖儀或機器人應用程序。最常用的步進(jìn)電機是每轉200步的步進(jìn)電機。它具有50個齒的轉子，4相定子和1.8度（360度/（50×4））的步進(jìn)角。 

步進(jìn)電機的構造與控制 

在上面(miàn)的可變磁阻步進(jìn)電動機的簡單示例中，電動機由一個中心轉子組成(chéng)，該中心轉子被(bèi)四個标記爲A，B，C和D的電磁場線圈包圍。所有具有相同字母的線圈都(dōu)連接在一起(qǐ)，以便通電，例如标記爲A的線圈將(jiāng)導緻磁轉子與該組線圈對(duì)齊。
通過(guò)依次向(xiàng)每組線圈供電，可以使轉子從一個位置旋轉或“步進(jìn)”一個角度，該角度由其步進(jìn)角度構造确定，并且通過(guò)依次激勵線圈，轉子將(jiāng)産生旋轉運動。 

步進(jìn)電機驅動器通過(guò)按設置順序爲勵磁線圈通電（例如“ ADCB，ADCB，ADCB，A… ”等）來控制電機的步進(jìn)角和速度，轉子將(jiāng)沿一個方向(xiàng)（正向(xiàng)）旋轉，將(jiāng)脈沖序列反轉爲“ ABCD，ABCD，ABCD，A… ”等，轉子將(jiāng)沿相反方向(xiàng)旋轉（反向(xiàng)）。 

因此，在上面(miàn)的簡單示例中，步進(jìn)電機有四個線圈，使其成(chéng)爲4相電機，定子上的極數爲八（2 x 4），每相的間隔爲45度。轉子上的齒數爲六個，相距60度。
然後(hòu)，轉子有24個（6個齒x 4個線圈）可能(néng)的位置或“階梯”完成(chéng)一整圈。因此，上述步距角爲：360 度 / 24 = 15 度。
顯然，更多的轉子齒和/或定子線圈將(jiāng)導緻更多的控制和更小的步進(jìn)角。同樣(yàng)，通過(guò)以同的配置連接電動機的電線圈，可以實現全步距，半步距和微步距角。但是，要實現微步進(jìn)，步進(jìn)電機必須由（準）正弦電流驅動，該電流的實現成(chéng)本很高。 

也可以通過(guò)改變施加到線圈的數字脈沖之間的時(shí)間延遲（頻率）來控制步進(jìn)電機的旋轉速度，延遲時(shí)間越長(cháng)，一整圈的速度就(jiù)越慢。通過(guò)對(duì)電動機施加固定數量的脈沖，電動機軸將(jiāng)旋轉給定角度。 

使用延時(shí)脈沖的優勢在于，不需要任何形式的附加反饋，因爲通過(guò)對(duì)提供給電動機的脈沖數進(jìn)行計數，可以準确知道(dào)轉子的最終位置。對(duì)一定數量的數字輸入脈沖的這(zhè)種(zhǒng)響應使步進(jìn)電機可以在“開(kāi)環系統”中運行，從而使控制變得既容易又便宜。
例如，假設我們上面(miàn)的步進(jìn)電機的步距角爲每步3.6度。要使電動機旋轉例如216度的角度，然後(hòu)再在所需位置停止，則總共需要：216度/（3.6度/步）= 80個脈沖施加到定子線圈。 

有許多步進(jìn)電機控制器IC可用，它們可以控制步進(jìn)速度，旋轉速度和電機方向(xiàng)。SAA1027是這(zhè)樣(yàng)的一種(zhǒng)控制器IC，它内置了所有必需的計數器和代碼轉換功能(néng)，并且可以按照正确的順序自動驅動4個完全受控的橋式輸出到電動機。
旋轉方向(xiàng)也可以與單步模式或沿所選方向(xiàng)的連續（無級）旋轉一起(qǐ)選擇，但這(zhè)給控制器帶來了一些負擔。當使用8位數字控制器時(shí)，每步也可以實現256微步。

SAA1027步進(jìn)電機控制芯片 

在關于旋轉執行器的本教程中，我們研究了有刷和無刷直流電動機，直流伺服電動機和步進(jìn)電動機，它們是機電緻動器，可用作位置或速度控制的輸出設備。 

來源：電機技術及應用