直流電機工作原理與控制電路解析

硬件筆記本 · 發(fā)表于 2024-8-13 07:41:00

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直流電動機是連續(xù)的執(zhí)行器，可將電能轉換為機械能。直流電動機通過產生連續(xù)的角旋轉來實現(xiàn)此目的，該角旋轉可用于旋轉泵，風扇，壓縮機，車輪等。
與傳統(tǒng)的旋轉直流電動機一樣，也可以使用線性電動機，它們能夠產生連續(xù)的襯套運動�；旧嫌腥N類型的常規(guī)電動機可用：AC型電動機，DC型電動機和步進電動機。

典型的小型直流電動機

交流電動機通常用于高功率的單相或多相工業(yè)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。
在本教程中，我們僅介紹簡單的輕型直流電動機和步進電動機，這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。
基本直流電動機該直流電動機或直流電動機，以給它的完整的標題，是用于產生連續(xù)運動和旋轉，其速度可以容易地控制，從而使它們適合于應用中使用是速度控制，伺服控制類型的最常用的致動器，和/或需要定位。直流電動機由兩部分組成，“定子”是固定部分，而“轉子”是旋轉部分。結果是基本上可以使用三種類型的直流電動機。

有刷電機–這種類型的電機通過使電流流經換向器和碳刷組件而在繞線轉子（旋轉的零件）中產生磁場，因此稱為“有刷”。定子（靜止部分）的磁場是通過使用繞制的定子勵磁繞組或永磁體產生的。通常，有刷直流電動機便宜，體積小且易于控制。

無刷電動機–這種電動機通過使用附著在其上的永磁體在轉子中產生磁場，并通過電子方式實現(xiàn)換向。它們通常比常規(guī)的有刷型直流電動機更小，但價格更高，因為它們在定子中使用“霍爾效應”開關來產生所需的定子磁場旋轉順序，但是它們具有更好的轉矩/速度特性，效率更高且使用壽命更長比同等拉絲類型。

伺服電動機–這種電動機基本上是一種有刷直流電動機，帶有某種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(tǒng)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鐘幾轉（rpm）到每分鐘幾千轉不等，從而使其適用于電子，汽車或機器人應用。通過將它們連接到變速箱或齒輪系，可以降低它們的輸出速度，同時又可以提高電動機的高速轉矩輸出。
“有刷”直流電動機傳統(tǒng)的有刷直流電動機基本上由兩部分組成，電動機的靜止主體稱為定子，而內部旋轉產生的運動稱為直流電動機的轉子或“電樞”。
電機繞制定子是一個電磁電路，由圓形連接在一起的電線圈組成，以產生所需的北極，南極，然后是北極等類型的旋轉固定磁場系統(tǒng)，這與交流電機不同。定子磁場以施加的頻率連續(xù)旋轉。在這些勵磁線圈中流動的電流稱為電動機勵磁電流。

這些形成定子磁場的電磁線圈可以與電動機電樞串聯(lián)，并聯(lián)或同時電連接在一起（復合）。串聯(lián)繞制直流電動機的定子勵磁繞組與電樞串聯(lián)連接。同樣，并聯(lián)繞組直流電動機的定子勵磁繞組與電樞并聯(lián)，如圖所示。

串聯(lián)和并聯(lián)直流電動機

直流電機的轉子或電樞由載流導體組成，載流導體的一端連接到稱為換向器的電隔離銅段。換向器允許在電樞旋轉時通過碳刷（因此稱為“有刷”電動機）與外部電源進行電氣連接。
轉子建立的磁場試圖使其自身與靜止的定子磁場對準，從而導致轉子沿其軸線旋轉，但由于換向延遲而無法使其自身對準。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。通過改變施加的直流電壓，也可以改變電動機的轉速。

常規(guī)（有刷）直流電動機

永磁（PMDC）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，因為它們沒有勵磁繞組。在永磁直流（PMDC）電動機中，這些勵磁線圈被具有很高磁場能量的強稀土（例如（Cobolt或釹鐵硼）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得多，這是因為其具有永久性的磁場（有時是非常強的磁場），使其更適合用于模型，機器人和伺服系統(tǒng)。
盡管直流有刷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，換向器和碳刷的兩個表面之間會產生火花，導致自發(fā)熱，短壽命以及由于火花產生的電噪聲，這會損壞任何半導體開關器件，例如MOSFET或晶體管。為了克服這些缺點，開發(fā)了無刷直流電動機。
“無刷”直流電動機無刷直流電動機（BDCM）與永磁直流電動機非常相似，但是沒有任何電刷可更換或由于換向器火花而磨損。因此，在轉子中產生的熱量很少，從而延長了電動機的壽命。無刷電機的設計通過使用更復雜的驅動電路來消除對電刷的需求，因為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(xiàn)更精確的速度和轉矩控制。
然后，無刷直流電動機的結構與交流電動機非常相似，因此成為真正的同步電動機，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，因為它與某些有刷直流電動機的控制方式相結合，可以檢測出產生控制半導體開關所需的反饋信號所需的轉子角位置（或磁極）。設備。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。然后，可以輕松地將電動機與數字時鐘信號同步，從而提供精確的速度控制。無刷直流電動機可構造成具有外部永磁體轉子和內部電磁定子，或內部永磁體轉子和外部電磁定子。
與“有刷”表兄相比，無刷直流電動機的優(yōu)點是效率更高，可靠性更高，電氣噪聲更低，速度控制良好，更重要的是，沒有電刷或換向器會產生更高的轉速。然而，它們的缺點是它們更昂貴并且控制更復雜。
直流伺服電機直流伺服電動機用于閉環(huán)型應用，將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（例如飛機和輪船等）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內置齒輪箱，并且能夠直接傳遞高扭矩。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像直流電動機的軸那樣自由旋轉。

直流伺服電機框圖

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形式的誤差校正組成。相對于施加到設備的位置輸入信號或參考信號來控制速度或位置。

RC伺服馬達

錯誤檢測放大器會查看此輸入信號，并將其與來自電機輸出軸的反饋信號進行比較，以確定電機輸出軸是否處于錯誤狀態(tài)，如果是，則控制器會進行適當的校正，以使電機加速或減速它下來。對位置反饋設備的這種響應意味著伺服電機在“閉環(huán)系統(tǒng)”內運行。
除大型工業(yè)應用外，伺服電動機還用于小型遙控模型和機器人技術中，大多數伺服電動機都可以在兩個方向上旋轉大約180度，因此非常適合精確的角度定位。但是，除非特別修改，否則這些RC型伺服器無法像傳統(tǒng)的DC電動機一樣連續(xù)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，方向或速度的誤差校正組成。它們僅需使用電源，接地和信號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。
直流電動機開關與控制小型直流電動機可以通過開關，繼電器，晶體管或MOSFET電路“接通”或“斷開”，最簡單的電動機控制形式是“線性”控制。這種類型的電路使用雙極晶體管作為開關（如果需要更高的額定電流，也可以使用達林頓晶體管），以通過單個電源控制電動機。
通過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，則只有一半的電源電壓流向電動機。如果晶體管“完全導通”（飽和），則所有電源電壓都流向電動機，并且旋轉速度更快。然后，對于這種線性控制類型，功率將不斷地傳遞到電動機，如下所示。

電機速度控制

上面的簡單開關電路顯示了單向（僅一個方向）電動機速度控制電路的電路。由于直流電動機的轉速與兩端的電壓成正比，因此我們可以使用晶體管來調節(jié)該端電壓。
兩個晶體管作為達林頓對連接，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TR 1，這反過來又控制主開關晶體管，TR 2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關晶體管TR 2和電機端子之間，以防止電機旋轉時產生的反電動勢。可調電位器可以用直接加到電路輸入端的連續(xù)邏輯“ 1”或邏輯“ 0”信號代替，以分別將電動機“全開”（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，還可以使用相同的電路來控制電動機的轉速。通過以足夠高的頻率反復切換電動機電流“ ON”和“ OFF”，可以通過改變其標記空間比來在靜止（0 rpm）和全速（100％）之間改變電動機的速度。供應。這可以通過改變“開啟”時間（t ON）與“關閉”時間（t OFF）的比例來實現(xiàn)，并且可以使用稱為脈沖寬度調制的過程來實現(xiàn)。

脈沖寬度速度控制前面我們曾說過，直流電動機的轉速與其端子上的平均（平均）電壓值成正比，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越快。換句話說，電壓越高，速度越快。通過改變“開”（t ON）時間和“關”（t OFF）持續(xù)時間之間的比率，稱為“占空比”，“標記/間距比率”或“占空比”，可以得出電機電壓及其轉速可以改變。對于簡單的單極驅動器，占空比β為：

饋入電動機的平均直流輸出電壓為：Vmean =βx Vsupply。然后，通過改變脈沖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，這種控制方式稱為脈沖寬度調制或PWM。
控制電動機轉速的另一種方法是在保持“開”和“關”占空比時間不變的情況下改變頻率（以及控制電壓的時間段）。這種控制稱為脈沖頻率調制或PFM。
通過脈沖頻率調制，通過施加可變頻率的脈沖來控制電動機電壓，例如，以低頻或只有很少的脈沖，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，平均電動機端子電壓會增加，并且電動機速度也會增加。
然后，晶體管可用于控制施加到直流電動機的功率，其工作模式為“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盡管用單個晶體管控制直流電動機的速度具有許多優(yōu)點，但它也有一個主要缺點，即旋轉方向始終相同，這是一個“單向”電路。在許多應用中，我們需要沿正反兩個方向操作電動機。
為了控制直流電動機的方向，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旋轉。

控制直流電動機旋轉方向的一種非常簡單且便宜的方法，是使用按以下方式排列的不同開關：

直流電動機方向控制

第一個電路使用單個雙刀雙擲（DPDT）開關來控制電動機連接的極性。通過切換觸點，可以將電動機端子的電源反向，并使電動機的方向反向。第二個電路稍微復雜一些，并使用四個以“ H”形配置的單刀單擲（SPST）開關。
機械開關成對布置，并且必須以特定的組合方式操作才能操作或停止直流電動機。例如，如圖所示，開關組合A + D控制正向旋轉，而開關B + C控制反向旋轉。組合開關A + B或C + D使電動機端子短路，從而使其迅速制動。但是，以這種方式使用開關有其危險，因為一起操作開關A + C或B + D會使電源短路。
盡管以上兩個電路在大多數小型直流電動機應用中都能很好地工作，但我們是否真的要操作機械開關的不同組合只是為了反轉電動機的方向？我們可以更改機電繼電器組的手動開關，并具有單個前進/后退按鈕或開關，甚至可以使用固態(tài)CMOS 4066B四邊雙向開關。
但是，實現(xiàn)電動機雙向控制（以及其速度）的另一種很好的方法是將電動機連接到晶體管H橋型電路裝置，如下所示。

基本雙向H橋電路

所述H橋電路的上方，如此命名是因為四個開關，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橋可能是雙向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”，晶體管成對切換到一起以控制電動機。
控制輸入A在一個方向（正向旋轉）上運行電動機，而輸入B在另一個方向（即反向旋轉）上運行電動機。然后，通過將其“對角線對”中的晶體管切換為“ ON”或“ OFF”，可以實現(xiàn)電動機的方向控制。
例如，當晶體管TR1為“ ON”且晶體管TR2為“ OFF”時，點A連接至電源電壓（+ Vcc），如果晶體管TR3為“ OFF”且晶體管TR4為“ ON”，則點B連接至0伏（GND）。然后，電動機將沿與電動機端子A為正且電動機端子B為負的一個方向旋轉。
如果切換狀態(tài)反轉，從而TR1為“ OFF”，TR2為“ ON”，TR3為“ ON”，TR4為“ OFF”，則電動機電流將沿相反方向流動，從而使電動機反向旋轉方向。
然后，通過將相反的邏輯電平“ 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。

H橋真值表

重要的是，不允許有其他輸入組合，因為這可能會導致電源短路，即，兩個晶體管TR1和TR2同時切換為“ ON”（保險絲=爆炸！）。
如同上面看到的單向直流電動機控制一樣，也可以使用脈沖寬度調制或PWM控制電動機的轉速。然后，通過將H橋開關與PWM控制相結合，可以精確地控制電動機的方向和速度。
商用現(xiàn)成的解碼器IC，例如SN754410四通道半H橋IC或具有2個H橋的L298N，可提供內置的所有必要控制和安全邏輯，這些邏輯和安全邏輯是專門為H橋雙向電動機控制電路設計的。
直流步進電機像上面的直流電動機一樣，步進電動機也是機電致動器，它將脈沖數字輸入信號轉換為離散的（增量的）機械運動，已廣泛用于工業(yè)控制應用中。步進電動機是同步無刷電動機的一種，它不具有帶有換向器和碳刷的電樞，而是具有由許多轉子組成的轉子，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。

步進電機
顧名思義，步進電機不會像常規(guī)直流電機那樣連續(xù)旋轉，而是以離散的“步進”或“增量”運動，每次旋轉或步進的角度取決于定子磁極和轉子的數量步進電機的齒。
由于其離散的步進操作，步進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，例如，假設步進電機完成一整圈（360 o分100步。
然后，電動機的步距角為360度/ 100步=每步3.6度。該值通常稱為步進電機“步進角”。
步進電機有三種基本類型，可變磁阻，永磁體和混合動力（兩者的一種組合）。甲步進電機特別適用于需要精確的定位和可重復性一起啟動，停止，反轉和速度控制與步進電機的另一個關鍵特征的快速響應的應用程序，是能夠保持負載能力穩(wěn)定一旦需要的位置是實現(xiàn)。

通常，步進電動機具有一個內部轉子，該內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。定子電磁體依次被極化和去極化，從而使轉子一次旋轉一個“步長”。
現(xiàn)代的多極，多齒步進電機的每步精度小于0.9度（每轉400脈沖），主要用于高度精確的定位系統(tǒng)，例如用于軟盤/硬盤驅動器中的磁頭的定位系統(tǒng)，打印機/繪圖儀或機器人應用程序。最常用的步進電機是每轉200步的步進電機。它具有50個齒的轉子，4相定子和1.8度（360度/（50×4））的步進角。

步進電機的構造與控制

在上面的可變磁阻步進電動機的簡單示例中，電動機由一個中心轉子組成，該中心轉子被四個標記為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連接在一起，以便通電，例如標記為A的線圈將導致磁轉子與該組線圈對齊。
通過依次向每組線圈供電，可以使轉子從一個位置旋轉或“步進”一個角度，該角度由其步進角度構造確定，并且通過依次激勵線圈，轉子將產生旋轉運動。
步進電機驅動器通過按設置順序為勵磁線圈通電（例如“ ADCB，ADCB，ADCB，A… ”等）來控制電機的步進角和速度，轉子將沿一個方向（正向）旋轉，將脈沖序列反轉為“ ABCD，ABCD，ABCD，A… ”等，轉子將沿相反方向旋轉（反向）。
因此，在上面的簡單示例中，步進電機有四個線圈，使其成為4相電機，定子上的極數為八（2 x 4），每相的間隔為45度。轉子上的齒數為六個，相距60度。
然后，轉子有24個（6個齒x 4個線圈）可能的位置或“階梯”完成一整圈。因此，上述步距角為：360 o / 24 = 15 o。
顯然，更多的轉子齒和/或定子線圈將導致更多的控制和更小的步進角。同樣，通過以不同的配置連接電動機的電線圈，可以實現(xiàn)全步距，半步距和微步距角。但是，要實現(xiàn)微步進，步進電機必須由（準）正弦電流驅動，該電流的實現(xiàn)成本很高。
也可以通過改變施加到線圈的數字脈沖之間的時間延遲（頻率）來控制步進電機的旋轉速度，延遲時間越長，一整圈的速度就越慢。通過對電動機施加固定數量的脈沖，電動機軸將旋轉給定角度。
使用延時脈沖的優(yōu)勢在于，不需要任何形式的附加反饋，因為通過對提供給電動機的脈沖數進行計數，可以準確知道轉子的最終位置。對一定數量的數字輸入脈沖的這種響應使步進電機可以在“開環(huán)系統(tǒng)”中運行，從而使控制變得既容易又便宜。
例如，假設我們上面的步進電機的步距角為每步3.6度。要使電動機旋轉例如216度的角度，然后再在所需位置停止，則總共需要：216度/（3.6度/步）= 80個脈沖施加到定子線圈。

有許多步進電機控制器IC可用，它們可以控制步進速度，旋轉速度和電機方向。SAA1027是這樣的一種控制器IC，它內置了所有必需的計數器和代碼轉換功能，并且可以按照正確的順序自動驅動4個完全受控的橋式輸出到電動機。
旋轉方向也可以與單步模式或沿所選方向的連續(xù)（無級）旋轉一起選擇，但這給控制器帶來了一些負擔。當使用8位數字控制器時，每步也可以實現(xiàn)256微步

SAA1027步進電機控制芯片

在關于旋轉執(zhí)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電動機，它們是機電致動器，可用作位置或速度控制的輸出設備。

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