直流有刷电机控制原理及工程问题记录
文章目录
- 1. 概述
- 2. 基础知识 之 电磁感应
- 3. 电机运行原理
- 4. 反电动势
- 4.1 反电动势的产生及作用
- 4.2 反电势的物理意义
- 5. 工程问题原理及解决措施
- 5.1 电机启动瞬间电流为什么特别大?
- 5.2 电机负载增大后电流为什么增大?
- 5.3 常见电路中,为什么要在电机旁边并联一个反向二极管?
- 附:直流电机H桥电路
1. 概述
直流电机是我们生活中最为常见的一种电机,同时也是产品开发过程中应用非常广泛的一种电机,其中直流电机又分为直流有刷电机和直流无刷电机(当然按照其他标准可以有别的划分)。直流有刷电机虽然使用寿命上不如直流无刷电机,但是由于其控制简单,成本低,原理也比较简单,依旧被大规模使用。
当然,尽管大家都说直流有刷电机简单,但是其实往往很多人对于直流有刷电机的控制也仅仅只停留在表面,对于其内部的一些控制原理并没有弄的太明白,仅仅达到了可以简单控制使用的程度,但是当遇到一些复杂情况,或者想要对其控制更为深入,或想要使得设计的产品更加稳定时,就有点捉襟见肘了。
本篇博文将从电磁学原理的角度开始概述直流电机如何转动,并梳理一些实际项目应用场景中遇到的问题以及解决方案,同时对解决方案的原理进行描述,主要目的是一方面用来做个人知识的梳理记录,另一方面开源共创的思想,帮忙有需要的童鞋
2. 基础知识 之 电磁感应
了解直流电机原理之前,首先我们要弄懂的是几个高中学过的电磁感应知识,分别是:
- 左手定则
- 右手定则
- 右手螺旋定则(安培定则)
- 楞次定律
首先就是左手定则和右手定则,记住一点,判断力采用左手定则,判断电流和磁场采用右手定则!
说明:以下电磁学概念均引自百度百科
- 左手定则:
- 判断通电导线处于磁场中时,所受安培力 F (或运动)的方向、磁感应强度B的方向以及通电导体棒的电流I三者方向之间的关系的定律
- 判断安培力:导线在磁场中力的方向。根据左手定则:伸开左手,使拇指与其他四指垂直且在一个平面内,让磁感线从手心流入,四指指向电流方向,大拇指指向的就是安培力方向(即导体受力方向)。
- 判断洛伦磁力:将左手掌摊平,让磁感线穿过手掌心,四指表示电流方向,则和四指垂直的大拇指所指方向即为洛伦兹力的方向。注意,运动电荷是正的,大拇指的指向即为洛伦兹力的方向。反之,如果运动电荷是负的,仍用四指表示电荷运动方向,那么大拇指的指向的反方向为洛伦兹力方向。
- 注意:
- 安培力是导体内定向移动的电荷所受洛伦兹力的合力。
- 当电流方向与磁场平行时,电荷的定向移动方向也与磁场方向平行,所受洛伦兹力为零,其合力安培力也为零。
- 洛伦兹力不做功是因为力的方向与粒子的运动方向垂直,根据功的公式W=FScosθ,θ=90°时,W=0。安培力与导线中的电流方向垂直,与导线的运动方向并不一定垂直,一般情况是在同一直线上的,因此安培力做功不为0。
- 右手定则:
- 伸开右手,使拇指与其余四个手指垂直,并且都与手掌在同一平面内;让磁感线垂直于手心进入,并使拇指指向导线运动方向,这时四指所指的方向就是感应电流的方向。
- 注意:要求是运动的导线,不运动就没有这一说了
- 右手螺旋定则(安培定则):
- 通电直导线中的安培定则(安培定则一):用右手握住通电直导线,让大拇指指向直导线中电流方向,那么四指指向就是通电导线周围磁场的方向;
- 通电螺线管中的安培定则(安培定则二):用右手握住通电螺线管,让四指指向电流的方向,那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。
- 楞次定律:
- 感应电流具有这样的方向,即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化
- 感应电流具有这样的方向,即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化
3. 电机运行原理
首先我们来看一张直流有刷电机拆解图,下图就是小时候玩的四驱车马达拆截图:
从上图我们可以看到直流有刷电机壳内壁有一对磁极,这对磁极分别是N极和S极,构成一对磁场,也即直流有刷电机的定子部分;转子为右边缠绕着漆包线的铜线,底部有一对电刷,用来做换向;其概念图如下:
- 电源通过电刷到达换相片,之后进入绕组线圈,带电线圈在磁场中受到安培力的作用使其转动,由于换向片的作用,使得靠近N极的线圈电流方向始终一致(在电源不改变的情况下),因此线圈收到的力的方向始终一致,电机往一个方向转动
- 如上图所示,电流方向A->B->C->D,根据左手定则,AB导线受到垂直向上的安培力,CD导线收到垂直向下的安培力
- 当线圈转过一圈的时候,CD线圈到达AB线圈位置,由于换向片的作用,电流方向变化为D->C->B->A(此处无图),CD线圈位于左侧,根据左手定则,安培力依旧向上,AB线圈位于右侧,安培力继续向下
- 线圈位于直流电机的转子上,通电线圈在磁场中的安培力带动转子转动,电机也就转到了起来,以上便是直流电机转动的原理
4. 反电动势
4.1 反电动势的产生及作用
首先,反电动势是什么?在了解反电动势之前,先说下电动势。
电动势是一个标量,但是存在方向,电动势描述了电源中非静电力做功能力的大小,电动势的方向为由电源的负极指向电源的正极。
电动势的方向与电路中电流的方向相反,我们则称之为反电动势,反电动势是指由反抗电流发生改变的趋势而产生电动势
4.2 反电势的物理意义
那么在直流电机中反电势是如何产生的呢?
如上图所示,当ABCD线圈在磁场中转动的时候会切割磁感线,产生感应电动势 E反 ,根据右手定则,我们可以判断出线圈产生的感应电动势的方向为 D->C 和 B->A,感应电动势的方向与原电路中电流的方向相反,则 E = E反 + I * R,又由于电池内阻忽略不计,因此 R 近似等于线圈内阻 。
E = E反 + I * R
左右两端同乘以 I 得到:
E * I = E反 * I + I 2 * R
也即: P输入功率 = P输出功率 + P发热功率
P输入功率 = E * I
P输出功率 = E反 * I
P发热功率 = I 2 * R
因此 E反 的物理意义为:反映电机将电能转化为机械能的能力大小
5. 工程问题原理及解决措施
5.1 电机启动瞬间电流为什么特别大?
- 原理:
- 由于反电动势 E反 = BLV,电机刚启动的瞬间,V近似等于0,因此 E反 ≈ 0,又 E = E反 + I * R,则 E = I * R,由于电机内阻 R 一般比较小,因此电机启动瞬间 I 非常大,当启动之后,随着电机速度逐渐增大, E反 也逐渐增大,I随之减小,直至电机启动完成,达到稳定速度, E反 稳定不变之后,I也不再发生变化。
- 因此在实际使用过程中需要特别注意防止出现长时间堵住,以及注意超负荷启动导致启动堵住,这时V=0, E反 = 0, 电机电流非常大,输入功率全部转化为发热功率,极容易出现烧毁电机的情况!
- 解决措施:
- 缓启,也即控制电机缓慢启动,实际项目中电机一般支持调速控制,启动的时候不要一次性将PWM调到100,慢慢调到100,降低 E,对应的 I 也就降低了
- 增加可变电阻,启动的时候设置电阻为比较大的值,启动之后设置电阻为比较小的值(比较传统,不建议)
- 预启动,想法子先让电机转起来, E反 = BLV,转起来了,反电动势就不等于0了,越过了启动的尖峰(这属于民间方法了,不推荐)
5.2 电机负载增大后电流为什么增大?
- 原理:
- 负载增大以后,电机转速将下降,同时输入功率将增大。
- 转速下降 V↓,则 E反 = BLV ↓;E = E反 + I * R,E为电池电压不变,则 I 增大;
- 输入功率增大,P输入功率 = E * I,E为电池电压不变,P输入功率 增大,则 I 增大。
5.3 常见电路中,为什么要在电机旁边并联一个反向二极管?
- 实际使用直流有刷电机的电路中,常常看到电路上会在电机旁边并联一个反向二极管,那么这个二极管有什么作用呢?为什么一定要反着放呢?
- 原理:
当控制直流电机停止转动的时候,会切断电机电流回路,而直流电机可近似看为是一个较大的电感,当电流被瞬间切断的时候,根据楞次定律,在电流突变的一瞬间,将产生一个非常大的感应电动势,电流方向为由电机的正极到负极,阻碍电流的减小,而由于回路切断,一瞬间产生的感应电流无法释放,将冲击电子器件,极易造成电子元器件的损坏,因此往往在使用过程中,将会在直流电机两端并联一个反向二极管,给电机停机时产生的感应电动势形成一个泄放回路。注意此二极管的选型需要根据实际的电机功率,运行电流进行选择!
注意,尤其是电压驱动型电路中,常见的就是MOS控制电路中,由于此类驱动关断速度很快,所以感应电动势更大,如果没有泄放,更容易击穿!
直流电机驱动电路一般由四个MOS管组成一个H桥电路,完成对直流电机的正反转控制如下图,虽然现在很多MOS都由漏极二极管,在H桥电路中,无论电机正反转均可通过此漏极二极管形成回路进行泄放,但是需要注意的是此二极管功率并不是很大,如果无法满足产品所选择的电机要求,建议增加二极管进行泄放
H桥电路,增加二极管后电路简图
附:直流电机H桥电路
此电路采用两个板桥驱动芯片,分别驱动两路MOS实现H桥电路,大学期间的一个电路,能用,但是保护不到位,由于本电路控制的电机功率不大,因此未额外增加二极管,但是建议大家有能力的都加上,保证稳定性,毕竟如果能做好就要尽可能做到最好!
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