有刷直流电机的工作原理及控制电路
有刷直流电机的工作原理及控制电路
- 引言
- 入题
- 1.定子
- 2. 转子
- 3. 电刷与换向器
- 微型有刷直流电机的类型
- 1. 微型永磁体有刷直流电机
- 2. 并激有刷直流电机
- 3. 串激有刷直流电机
- 4. 复激有刷直流电机
- 微型有刷直流电机基本驱动电路
- 微型有刷直流电机速度控制
- 如何使用PIC单片机来产生控制直流电机速度的PWM信号
- 微型有刷直流反馈机制
- 反电磁通量
引言
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微型有刷直流电机具有价格便宜、容易操控的特点应用在各个领域，如电动玩具、美容产品、个人护理产品、医疗器械等等大多用到的都是微型有刷直流电机。
入题
首先我们来了解电机的结构，几乎所有的有刷直流电机组件都是一样的，定子+电刷+换向器如下图所示。
1.定子
定子能在转子的周围产生固定的磁场，磁场可以是永磁体或者电磁绕组产生，微型有刷直流电机的分类是由定子或者电磁绕组链接到电源的方式来区别。
2. 转子
转子是由一个或者多个绕组构成，当绕组受到激励时，就会产生磁场，转子磁场的磁极和定子的磁场磁极相反，互相吸引，从而使转子旋转。在旋转过种中，转子会按照不同的顺序持续激励绕组，因此转子产生的磁极绝不会与定子产生的磁极重叠，这个过种叫做换向。
3. 电刷与换向器
微型有刷直流电机与无刷微型电机不同，不需要控制器来切换绕组的电流方向，遥是直接通过换向器进行换向。在微型有刷直流电机的转轴上有安装一个分片式铜套，这个就是换向器，电机在运转过程中，电刷会沿着换向器滑动，和换向器不同分片接触。这些分片与不同的转子绕组连接，当电刷通电时就会在电机内部产生动态磁场。也是这种原因，导致微型有刷直流电机磨损较为严重，导致电机使用寿命无法太长，这也是微型有刷直流电机的缺陷所在。
微型有刷直流电机的类型
1. 微型永磁体有刷直流电机
这种微型有刷直流电机是最常见的有刷电机，采用永磁体产生磁场，微型电机通的永磁体比绕组定子具有更高的效益，不过永磁体的磁性会随着时间衰退（永磁体只是一个名字，并不是真正的永磁）。有的永磁体微型直流电机还会加上绕组，防止磁性丢失。由于定子磁场的恒定的，所以永磁体有刷直流电机对电压变化响应非常快（下图为永磁体直流电机原理图）。
2. 并激有刷直流电机
微型电机的励磁线圈与电枢并联，励磁线圈中的电流与电枢中的电流相互独立（如图）。因此，这类电机具有卓越的速度控制能力，并激有刷直流电机不会出现磁性丢失的现象，因此比永磁体电机更加可靠。
3. 串激有刷直流电机
即励磁线圈与电枢串联，定子和电枢中的电流均随负载的增加而增加，因此这类电机是大转矩应用的理想之选。但是对速度不能实现精确控制。
4. 复激有刷直流电机
这种微电机是并激和串激电机的结合体，可产生串激和并激两种磁场。综合了并激和串激电机的性能，它具有大转矩与精准的速度控制优势。
微型有刷直流电机基本驱动电路
驱动电路用在使用了某类控制器并且要求速度控制的应用中。驱动电路的目的是为控制器提供改变微型有刷直流电机中绕组电流的方法，就功耗来说，这样的速度控制方法在改变直流电机的速度方面比起传统的模拟控制方法效率要高很多。传统的模拟控制要求与电机绕组串联一个额外的变阻器，这样会降低效率。驱动直流电机的方法多种多样。有些应用场合仅要求电机往一个方向运转。如下图，向一个方向驱动直流电机的电路。前者采用低端驱动，后者采用高端驱动。使用低端驱动的优点是可以不必使用FET驱动器。
在每个电路中，直流电机的两端都跨接有一个二极管，目的是防止反电磁通量电压损坏晶体管。BEMF是在直流电机转动过程中产生的。 当MOSFET关断时，电机的绕组仍然处于通电状态，会产生反向电流。D1必须具有合适的额定值，以能够消耗这一电流。
从上图可以看出，电阻R1和R2对于每个电路的工作很重要。R1用于保护单片机免遭电流突增的破坏，R2用于确保在输入引脚处于三态时，Q1关断。
直流电机的双向控制需要一个称为H桥的电路。H桥的得名缘于其原理图的外观，它能够使电机绕组中的电流沿两个方向运动。要理解这一点，H桥必须被分为两个部分，或两个半桥。 Q1和Q2构成一个半桥，而Q3和Q4构成另一个半桥。每个半桥都能够控制直流电机一端的导通与关断，使其电势为供应电压或地电位。当Q1导通，Q2关断时，直流电机的左端将处于供电电压的电势。导通Q4，保 持Q3关断将使电机的相反端接地。标注有箭头的IFWD显示了该配置下电流的流向。
每个MOSFET的两端都跨接有一个二极管（D1-D4）。这些二极管保护MOSFET免遭MOSFET关断时由BEMF产生的电流尖峰的破坏。只有在MOSFET内部的二极管不足以消耗BEMF电流时，才需要这些二极管。电容 （C1-C4）是可选的。 这些电容的值通常不大于10 pF，它们用于减少由于换向器起拱产生的RF辐射。
在前向和后向模式中，桥的一端处于地电势，另一端处于VSUPPLY。IFWD和IRVS箭头分别描绘了前向和后向运行模式的电路路径。在惯性滑行模式中，电机绕组的接线端保持悬空，电机靠惯性滑行直至停转。 刹车模式用于快速停止直流电机。 在刹车模式下，直流电机的接线端接地。当直流电机旋转时，它充当一个发电机。将电机的引线短路相当于电机带有无穷大负载，可使电机快速停转。
设计H桥电路时，必须要考虑到一个非常重要的事项。当电路的输入不可预测 （比如单片机启动过程中）时，必须将所有的MOSFET偏置到关断状态。 这将确保H桥每个半桥上的MOSFET绝不会同时导通。 同时导通同一个半桥上的MOSFET将导致电源短路，最终导致损坏MOSFET，致使电路无法工作。每个MOSFET驱动器输入端上的下拉电阻将实现该功能。
微型有刷直流电机速度控制
直流电机的速度与施加给电机的电压成正比。当使用数控技术时，脉宽调制 （PWM）信号被用来产生平均电压。电机的绕组充当一个低通滤波器，因此具有足够频率的PWM信号将会在电机绕组中产生一个稳定的电流。平均电压、供电电压和占空比的关系由以下公式给出：
公式1：VAVERAGE= D ×VSUPPLY
速度和占空比之间成正比关系。例如，如果额定直流电机在12V时以转速7000 RPM旋转，则当给电机施加占空比为50%的信号时，则电机将 （理想情况下）以3500 RPM的转速旋转。PWM信号的频率是考虑的重点。频率太低会导致电机转速过低，噪音较大，并且对占空比变化的响应过慢（关于速度控制前面已有文章描述过，这时再重复下）。
频率太高，则会因开关设备的开关损耗而降低系统的效率。经验之谈是在4 kHz至20 kHz范围内，调制输入信号的频率。这个范围足够高，电机的噪音能够得到衰减，并且此时MOSFET（或BJT）中的开关损耗也可以忽略。一般来说，针对给定的电机用实验的办法找到满意的PWM频率是一个好办法。
如何使用PIC单片机来产生控制直流电机速度的PWM信号
通过编写专门的汇编或C代码来交替翻转输出引脚的电平。另一个方法是选择带有硬件PWM模块的PIC单片机。Microchip提供的具有该功能的模块为CCP和ECCP模块。许多PIC单片机都具有CCP和ECCP模块。
CCP模块能够在一个I/O引脚上输出分辨率为10位的PWM信号。10位分辨率意味着模块可以在0%至100%的范围内实现210（即1024）个可能的占空比值。使用该模块的优点是它能在I/O 引脚上自主产生PWM信号，这样解放了处理器，使之有时间完成其他任务。CCP模块仅要求开发者对模块的参数进行配置。 配置模块包括设置频率和占空比寄存器。ECCP模块不仅能提供CCP模块的所有功能，还可以驱动全桥或半桥电路。ECCP模块还具有自动关断功能和可编程死区延时。
微型有刷直流反馈机制
虽然直流电机的速度一般与占空比成正比，但不存在完全理想的电机。发热、换向器磨损以及负载均会影响电机的速度。 在需要精确控制速度的系统中引入某种反馈机制。速度控制可以两种方式实现。第一种方式是使用某种类型的速度传感器。第二种方式是使用电机产生的BEMF电压。
传感器反馈 有多种传感器可用于速度反馈。最常见的是光学编码器和霍尔效应传感器。 光学编码器由多个组件组成。在电机非驱动端的轴上安装一个槽轮。一个红外LED在轮的一侧提供光源，一个光电晶体管在轮的另一侧对光线进行检测（如图）。 通过轮中槽隙的光线会使光电晶体管导通。转轴转动时，光电晶体管会随着光线通过轮槽与否导通和关断。晶体管通断的频率表征电机的速度。在电机发生移位的应用中，还将使用光学编码器来反馈电机位置。
霍尔效应传感器也被用来提供速度反馈。与光学编码器类似，霍尔效应传感器需要电机上连有一个旋转元件，并且还需要一个静止元件。旋转元件是一个外缘安装有一个或多个磁体的转轮。静止的传感器检测经过的磁体，并产生TTL脉冲。
反电磁通量
提供直流电机的快速反馈的另一种形式是BEMF电压测量。BEMF电压和速度成正比。 下图显示，在双向驱动电路中测量BEMF电压的位置，一个分压器用于使BEMF电压下降到0-5V范围内，这样才能被模数转换器读取。BEMF电压是在PWM脉冲之间，当电机的一端悬空而另一端接地时测量的。在这种情况下，电机充当发电机，并且产生与速度成正比的BEMF电压。
由于效率和材料不同，直流电机的行为会略有不同。实验是确定给定电机速度下BEMF电压的最好方法。 电机转轴上的反射带有助于数字转速计测量电机的转速（单位为RPM）。在读取数字转速计时测量BEMF电压将获取电机速度和BEMF电压的关系。
有刷直流电机的使用和控制都非常简便，因此它的设计周期较短。PIC单片机，特别是具有CCP或ECCP模块的单片机是驱动直流电机的理想之选。更多有关微型直流电机资讯请继续关注天孚电机。
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