刷直流电机的工作原理详细说明
来源:2018-05-10 09:00 56380次阅读
有刷直流电机被广泛用于从玩具到按钮调节式汽车坐椅的应用中。有刷直流 （Brushed DC，BDC）电机便宜，易于驱动，易于制造各种尺寸和形状。本应用笔记将讨论BDC电机的工作原理、驱动BDC驱动电机的方法和方法电路与PIC方法。
图1给出了一个简单BDC电机结构BDC 电机的基本部件相同：定子、刷子和换向器。每个组件将在后面详细介绍。
图一 简单的双磁极有刷直流电机
定子
定子会在转子周围产生固定的磁场。这一磁场可由永磁体或电磁绕组产生。BDC电机的类型由定子结构或电磁绕组连接到电源(欲知BDC请参考不同类型的电机步进电机的类型）。
转子
转子（也称为电枢）由一个或多个绕组构成。当这些绕组受到激励时，会产生一个磁场。转子磁场的磁极将与定子磁场的相反磁极相吸引，从而使定子旋转。在电机旋转过程中，会按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。转子绕组中磁场的这种转换被称为换向。
电刷和换向器
与其他电机类型 （即，无刷直流电机和交流感应电机）不同，BDC电机不需要控制器切换电极绕组电流方向，但通过机械的方式完成BDC换向电机绕组BDC电机的转轴上安装了一个分片铜套，称为换向器。随着电机的旋转，碳刷沿换向器滑动，并与换向器的不同分片接触。这些分片与不同的转子绕组连接，因此当电机的电刷通电时，电机内部会产生动态磁场。请注意，刷子和换向器之间有相对滑动BDC重要的是电机中最容易丢失的部件。
如前所述，BDC定子中固定磁场的产生方式区分了电机的各种类型。本节将讨论BDC不同类型的电机，以及每种类型的优缺点。
永磁体
永磁体有刷直流 （Permanent Magnet Brushed DC ，PMDC）电机是世界上最常见的BDC电机。这类电机使用永磁体产生定子磁场。PMDC包括分马力在内的电机通常使用电动机这是因为永磁体比绕组定子具有更高的成本效益。PMDC随着时间的推移，永磁体的磁性会逐渐下降。PMDC电机永磁体上也有绕组，防止磁损失。PMDC电机的性能曲线 (电压与速度之间的关系曲线)非常好。电流与扭矩呈线性关系。由于定子磁场是恒定的，这种电机对电压变化的反应非常快。
并激
并激有刷直流（Shunt-wound Brushed DC，SHWDC）励磁线圈与电枢并联 。励磁线圈中的电流与电枢中的电流独立。因此，这种电机具有优异的速度控制能力。SHWDC电机通常用于需要五个或五个以上马力的应用。SHWDC在电机中，不会出现磁损失的问题，所以它们通常比PMDC电机更可靠。
串激
串激有刷直流 （Series-wound Brushed DC，SWDC）电机的励磁线圈与电枢串联。这种电机是大扭矩应用的理想选择，因为定子和电枢中的电流随着负载的增加而增加。SWDC电机的缺点是看起来不像PMDC和SHWDC准确控制电机的速度。
复激
复激 （Compound Wound，CWDC）电机是并激和串激电机的结合体。如图5所示，CWDC电机可产生串激和并激磁场。CWDC电机综合了SWDC和SHWDC电机的性能与电机相比SHWDC电机的转矩更大，可以提供比SWDC电机速度控制更好。
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BDC电机中绕组电流的方法。本节讨论的驱动电路允许控制器对BDC脉宽调制电机的供电电压。就功耗而言，这种速度控制方法正在改变BDC与传统的模拟控制方法相比，电机的速度要高得多。传统的模拟控制要求与电机绕组串联一个额外的变阻器，从而降低效率。驱动BDC电机的方法有很多种。在某些应用中，电机只需要向一个方向运行。图6和图7向一个方向驱动BDC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。FET驱动器的用途是：
1、将驱动MOSFET的TTL信号转换为电压电平。
2、提供足以驱动MOSFET的电流（1）
3、提供半桥应用中的电平转换。
注意，在每个电路中，电机的两端都跨接有一个二极管，目的是防止反电磁通量（Back ElectromagneticFlux，BEMF）电压损坏MOSFET。BEMF它是在电机旋转过程中产生的。MOSFET关闭时，电机绕组仍处于通电状态，产生反向电流。D为了消耗这个电流，必须有合适的额定值。
（D接地 是错误的）
图6和图7中的电阻R1和R对每个电路的工作都很重要。R1用于保护单片机免受电流突增的破坏，R2用于确保输入引脚处于三态时，Q1关断。
BDC电机的双向控制需要称为H桥的电路。H桥的名称是由于其原理图的外观，它使电机绕组中的电流沿两个方向移动。要理解这一点，H桥梁必须分为两部分，或两个半桥。如图8所示，Q1和Q构成半桥，而Q3和Q构成另一个半桥。每个半桥都可以控制BDC电机一端的导通和关闭使其电位为供电电压或地电位。例如，当Q1导通，Q当2关闭时，电机的左端将处于电源电压的电位。Q4，保 持Q关闭将使电机的相反端接地。用箭头标记IFWD显示配置下电流的流向。
注意，每个MOSFET两端跨接有二极管（D1-D4)。这些二极管保护。MOSFET免遭MOSFET关断时由BEMF电流尖峰的损坏。MOSFET内部二极管不足以消耗BEMF这些二极管只要电流。电容 （C1-C4)是可选的。这些电容器的值通常不超过10 pF，它们用于减少换向器起拱引起的变化RF辐射。
表1给出了H桥梁电路的不同驱动模式。在前后模式下，桥的一端处于地电位，另一端处于地电位VSUPPLY。在图8 中，IFWD和IRVS箭头分别描绘了前后运行模式的电路路径。惯性滑行 （Coast）在模式下，电机绕组的接线端保持悬挂，电机通过惯性滑动直到停止。（Brake）模式用于快速停止BDC电机。在制动模式下，电机的接线端接地。当电机旋转时，它作为一个发电机器。引线电机短路相当于电机负载无限，可以快速停止电机。IBRK箭头描述了这一点
（在另一篇文章中看到 ，Q1 Q四通后，需要一个Q1关，Q2通，Q2和Q4构成反电动势泄漏回路）
设计H桥梁电路必须考虑一个非常重要的事项。当电路输入不可预测 (如单片机启动时)时，必须将所有电路输入MOSFET偏置到关闭状态。这将确保H桥的每个半桥MOSFET永远不要同时导通。同时导通同一个半桥MOSFET会导致电源短路，最终损坏MOSFET，导致电路无法工作。MOSFET该功能将实现驱动器输入端的下拉电阻(配置图请见图8)。
BDC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BDC电机在12V时以转速15000 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7500 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。
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BDC电机速度的PWM信号？一个方法是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（1）。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。请参见产品选型指南了解具有这些功能模块的器件。
注 1：Microchip的应用笔记AN847给出了使用固件对I/O 引脚进行脉宽调制的汇编代码例程。
CCP模块 （捕捉比较和PWM（Capture Compare和PWM）的英文缩写）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 （增强型捕捉比较和PWM（EnhancedCapture Compare和PWM）的英文缩写）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。
注： Microchip的应用笔记AN893给出了配置ECCP模块来驱动BDC电机的详细说明。该应用笔记中还包含有固件和驱动电路示例。
虽然BDC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智是个好注意。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。
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 （见图9）。 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。图10显示了霍尔效应传感器的基本组成部分。
提供BDC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。 图11显示了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，所有BDC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。
注： Microchip的应用笔记AN893提供了使用PIC16F684读取BEMF电压的固件和电路示例。
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BDC电机的理想之选。