不同直流電動機方框圖和方向控制

直流電機是利用磁場和導(dǎo)體的相互作用將電能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能的機電設(shè)備

電氣直流電機是連續(xù)執(zhí)行器將電能轉(zhuǎn)換為機械能。直流電機通過產(chǎn)生連續(xù)角度旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)這一目的，該旋轉(zhuǎn)可用于旋轉(zhuǎn)泵，風(fēng)扇，壓縮機，車輪等。

除了傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)直流電機，還可以使用直線電機產(chǎn)生連續(xù)襯墊運動。基本上有三種類型的傳統(tǒng)電動機：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

交流電機通常用于大功率單相或多相工業(yè)應(yīng)用中，需要恒定的旋轉(zhuǎn)扭矩和速度來控制風(fēng)扇或泵等大負載。

在本電動馬達教程中，我們將僅介紹簡單的輕型直流電機和步進電機，它們用于許多不同類型的電子，位置控制，微處理器，PIC和機器人類型電路。

基本直流電機

直流電機或直流電機給它它的全稱，是最常用的用于產(chǎn)生連續(xù)運動的執(zhí)行器，其旋轉(zhuǎn)速度可以很容易地控制，使其成為速度控制，伺服類型控制和/或定位等應(yīng)用的理想選擇。直流電動機由兩部分組成，“定子”是靜止部分，“轉(zhuǎn)子”是旋轉(zhuǎn)部分。結(jié)果是基本上有三種類型的直流電機可用。

有刷電機 - 這種類型的電機產(chǎn)生一個通過使電流通過換向器和碳刷組件的繞線轉(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)部分）中的磁場，因此稱為“刷”。定子（靜止部分）磁場通過使用繞線定子勵磁繞組或永磁體產(chǎn)生。通常有刷直流電機價格便宜，體積小，易于控制。

無刷電機 - 這種電機通過使用永久磁鐵在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生磁場通過電子方式實現(xiàn)換向和換向。它們通常比傳統(tǒng)的有刷直流電機更小但更昂貴，因為它們在定子中使用“霍爾效應(yīng)”開關(guān)來產(chǎn)生所需的定子磁場旋轉(zhuǎn)順序，但它們具有更好的扭矩/速度特性，更高效并且具有更長的使用壽命

伺服電機 - 這種類型的電機基本上是有刷直流電機，其某種形式的位置反饋控制連接到轉(zhuǎn)子軸。它們通過PWM型控制器連接和控制，主要用于位置控制系統(tǒng)和無線電控制模型。

普通直流電機幾乎具有線性特性，其旋轉(zhuǎn)速度由下式確定：施加的直流電壓和它們的輸出轉(zhuǎn)矩由流過電動機繞組的電流決定。任何直流電動機的旋轉(zhuǎn)速度可以從幾分鐘每分鐘（rpm）到數(shù)千轉(zhuǎn)每分鐘變化，使其適用于電子，汽車或機器人應(yīng)用。通過將它們連接到變速箱或齒輪系，它們的輸出速度可以降低，同時高速增加電機的扭矩輸出。

“刷式”直流電機

傳統(tǒng)的有刷直流電機基本上由兩部分組成，電機的靜止體稱為定子，內(nèi)部旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生用于直流電機的運動稱為轉(zhuǎn)子或“電樞”

電機繞線定子是一個電磁鐵電路，由連接在一起的電線圈組成。圓形配置產(chǎn)生所需的北極然后是南極然后是北極等類型的固定磁場系統(tǒng)用于旋轉(zhuǎn)，不像交流電機的定子磁場連續(xù)旋轉(zhuǎn)所施加的頻率。在這些勵磁線圈內(nèi)流動的電流稱為電動機勵磁電流。

形成定子磁場的這些電磁線圈可以與電動機電樞串聯(lián)，并聯(lián)或同時電連接（復(fù)合）。串聯(lián)繞組直流電動機的定子勵磁繞組與電樞串聯(lián)連接。串聯(lián)。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(zhuǎn)子或電樞由一端連接到電氣隔離銅段的載流導(dǎo)體組成，稱為換向器。當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時，換向器允許通過碳刷（因此稱為“刷”電機）與外部電源進行電連接。

轉(zhuǎn)子設(shè)置的磁場試圖與自身對齊靜止的定子磁場使轉(zhuǎn)子在其軸上旋轉(zhuǎn)，但由于換向延遲而無法對齊。電動機的轉(zhuǎn)速取決于轉(zhuǎn)子磁場的強度，并且轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)得越快，施加到電動機的電壓越大。通過改變施加的直流電壓，電動機的轉(zhuǎn)速也可以改變。

常規(guī)（刷式）直流電機

永磁（PMDC）有刷直流電機一般多比它的等效繞線定子型直流電動機表兄弟更小更便宜，因為它們沒有勵磁繞組。在永磁直流（PMDC）電機中，這些勵磁線圈被強稀土（即Samarium Cobolt或釹鐵硼）磁體取代，這些磁體具有非常高的磁場。

永磁體的使用給出了直流電機比等效繞線電機具有更好的線性速度/轉(zhuǎn)矩特性，因為它具有永久性且有時非常強的磁場，因此更適合用于模型，機器人和伺服電機。

雖然直流電刷電動機非常有效且便宜，與有刷直流電動機相關(guān)的問題是在換向器和碳刷的兩個表面之間的重負載條件下發(fā)生火花，導(dǎo)致自發(fā)熱，壽命短和由于火花引起的電噪聲，這可以損壞任何半導(dǎo)體開關(guān)器件，例如MOSFET或晶體管。為了克服這些缺點，開發(fā)了無刷直流電機。

“無刷”直流電機

無刷直流電機（BDCM）非常類似于永磁直流電機，但由于換向器點火而沒有任何刷子更換或磨損。因此，轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的熱量很少，從而增加了電動機的壽命。無刷電機的設(shè)計通過使用更復(fù)雜的驅(qū)動電路消除了對電刷的需求，如果轉(zhuǎn)子磁場是永磁體，它總是與定子磁場同步，允許更精確的速度和轉(zhuǎn)矩控制。

然后無刷直流電機的結(jié)構(gòu)與交流電機非常相似，使其成為真正的同步電機，但缺點是它比同等的“拉絲”電機設(shè)計更貴。

無刷直流電動機的控制與普通有刷直流電動機非常不同，因為這種類型的電動機包含一些裝置來檢測產(chǎn)生控制半導(dǎo)體開關(guān)裝置所需的反饋信號所需的轉(zhuǎn)子角位置（或磁極）。 。最常見的位置/極傳感器是“霍爾效應(yīng)傳感器”，但有些電機也使用光學(xué)傳感器。

使用霍爾效應(yīng)傳感器，電磁鐵的極性由電機控制驅(qū)動電路切換。然后，電機可以輕松地與數(shù)字時鐘信號同步，從而提供精確的速度控制。無刷直流電機可以構(gòu)造成具有外部永磁轉(zhuǎn)子和內(nèi)部電磁鐵定子或內(nèi)部永磁轉(zhuǎn)子和外部電磁鐵定子。

無刷直流電機的優(yōu)點與其“拉絲”表兄相比，它具有更高的效率，高可靠性，低電噪聲，良好的速度控制，更重要的是，沒有電刷或換向器磨損產(chǎn)生更高的速度。然而它們的缺點是它們更昂貴且控制更復(fù)雜。

直流伺服電機

直流伺服電機用于閉環(huán)型應(yīng)用輸出電機軸的位置是否反饋到電機控制電路。典型的位置“反饋”設(shè)備包括無線電控制模型中使用的旋轉(zhuǎn)變壓器，編碼器和電位計，如飛機和船只等。

伺服電機通常包括一個內(nèi)置齒輪箱，用于減速并且能夠提供高扭矩直接。由于安裝了變速箱和反饋裝置，伺服電機的輸出軸不會像直流電機的軸那樣自由旋轉(zhuǎn)。

直流伺服電機方框圖

伺服電機由直流電機，減速箱，位置反饋裝置和某種形式的糾錯裝置組成。相對于施加到設(shè)備的位置輸入信號或參考信號控制速度或位置。

RC伺服電機

錯誤檢測放大器查看此輸入信號并將其與電機輸出軸的反饋信號進行比較，并確定電機輸出軸是否處于錯誤狀態(tài)，如果是，則控制器進行適當(dāng)?shù)男拚醇铀匐妱訖C要么減慢電動機速度。這種對位置反饋裝置的響應(yīng)意味著伺服電機在“閉環(huán)系統(tǒng)”中運行。

除了大型工業(yè)應(yīng)用，伺服電機也用于小型遙控模型和機器人，大多數(shù)伺服電機能夠在兩個方向上旋轉(zhuǎn)約180度，使其成為精確角度定位的理想選擇。然而，除非經(jīng)過特殊修改，否則這些RC型伺服電機不能像傳統(tǒng)的直流電機那樣高速連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

伺服電機由一個包裝中的多個設(shè)備組成，電機，變速箱，反饋裝置和糾錯裝置用于控制位置，方向或速度。它們廣泛用于機器人和小型模型，因為它們只需使用三根電線即可輕松控制，電源，接地和信號控制。

直流電機切換和控制

小型直流電機可通過開關(guān)，繼電器，晶體管或MOSFET電路“開”或“關(guān)”切換，最簡單的電機控制形式為“線性” “ 控制。這種類型的電路使用雙極晶體管作為開關(guān)（也可以使用達林頓晶體管，需要更高的額定電流）來控制單個電源的電機。

通過改變基座的數(shù)量例如，如果晶體管在“中途”接通，則流入晶體管的電流可以控制電動機的速度，那么只有一半的電源電壓流向電動機。如果晶體管“完全導(dǎo)通”（飽和），則所有電源電壓都會進入電機并且旋轉(zhuǎn)得更快。然后，對于這種線性控制類型，電源將持續(xù)傳送到電機，如下所示。

電機速度控制

上面的簡單開關(guān)電路顯示了單向（僅一個方向）電機速度控制電路的電路。由于直流電機的轉(zhuǎn)速與其兩端的電壓成正比，我們可以使用晶體管調(diào)節(jié)該端電壓。

兩個晶體管作為達林頓對連接，以控制主電樞電流。電機。 5kΩ電位計用于控制第一個導(dǎo)頻晶體管 TR 1 的基極驅(qū)動量，進而控制主開關(guān)晶體管， TR 2 允許電機的直流電壓從零變?yōu)閂cc，在本例中為9至12伏。

可選的續(xù)流二極管連接在開關(guān)晶體管， TR 2 和電機端子上，以防止電機旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的任何反電動勢。可調(diào)電位器可以用連續(xù)邏輯“1”或邏輯“0”信號代替，直接施加到電路輸入端，分別將電機“完全接通”（飽和）或“完全斷開”（切斷）切換。從微控制器或PIC的端口。

除了這個基本的速度控制，同樣的電路也可以用來控制電機的轉(zhuǎn)速。通過以足夠高的頻率反復(fù)切換電機電流“ON”和“OFF”，電機的速度可以通過改變其標(biāo)記 - 空間比率在靜止（0 rpm）和全速（100％）之間變化。供應(yīng)。這是通過將“ON”時間（t ON ）的比例改為“OFF”時間（t OFF ）來實現(xiàn)的，這可以通過一個稱為脈沖寬度調(diào)制。

脈沖寬度速度控制

我們之前說過，直流電機的轉(zhuǎn)速與其端子上的平均（平均）電壓值成正比，如果該值超過最大允許電動機電壓，則電動機旋轉(zhuǎn)得越快。換句話說，更多電壓更快。通過改變“ON”（t ON ）時間與“OFF”（t OFF ）持續(xù)時間之間的比率，稱為“占空比”，“Mark /空間比“或”占空比“，電動機電壓的平均值以及因此其轉(zhuǎn)速可以改變。對于簡單的單極驅(qū)動器，占空比β給出如下：

和輸入電動機的平均直流輸出電壓如下： Vmean =β×Vsupply 。然后通過改變脈沖寬度 a ，可以控制電機電壓，從而控制施加到電機的功率，這種控制稱為脈沖寬度調(diào)制或PWM。

另一種控制電機轉(zhuǎn)速的方法是在“ON”和“OFF”任務(wù)時改變頻率（以及控制電壓的時間周期）比率時間保持不變。這種控制稱為脈沖頻率調(diào)制或PFM。

利用脈沖頻率調(diào)制，通過施加可變頻率的脈沖來控制電動機電壓，例如，以低頻率或以非常少的脈沖施加到電動機的平均電壓低，因此電動機速度慢。在更高的頻率或更多的脈沖下，平均電機端電壓增加，電機速度也會增加。

然后，晶體管可用于控制施加到直流電機的電量。操作模式為“線性”（改變電機電壓），“脈沖寬度調(diào)制”（改變脈沖寬度）或“脈沖頻率調(diào)制”（改變脈沖頻率）。

反轉(zhuǎn)直流電機的方向

雖然用單個晶體管控制直流電機的速度有許多優(yōu)點，但它也有一個主要缺點，旋轉(zhuǎn)方向總是相同的，它是“單向的” “電路。在許多應(yīng)用中，我們需要向前和向后兩個方向操作電機。

要控制直流電機的方向，必須反轉(zhuǎn)施加到電機連接的直流電源的極性，使其軸可以向相反方向旋轉(zhuǎn)?？刂浦绷麟姍C旋轉(zhuǎn)方向的一種非常簡單且便宜的方法是使用以下列方式排列的不同開關(guān)：

直流電機方向控制

第一個電路使用單個雙刀雙擲（DPDT）開關(guān)來控制電機連接的極性。通過切換觸點，電機端子的電源反轉(zhuǎn)，電機反轉(zhuǎn)方向。第二個電路稍微復(fù)雜一些，使用四個單極單擲（SPST）開關(guān)，按“H”配置排列。

機械開關(guān)按開關(guān)排列，必須在特定組合，以操作或停止直流電機。例如，開關(guān)組合 A + D 控制正向旋轉(zhuǎn)，而開關(guān) B + C 控制反向旋轉(zhuǎn)，如圖所示。開關(guān)組合 A + B 或 C + D 使電機端子短路，導(dǎo)致其快速制動。但是，以這種方式使用開關(guān)會產(chǎn)生危險，因為操作開關(guān) A + C 或 B + D 會導(dǎo)致電源短路。

上面的兩個電路對于大多數(shù)小型直流電機應(yīng)用都能很好地工作，我們真的想要操作不同的機械開關(guān)組合，只是為了反轉(zhuǎn)電機的方向，不！我們可以更換一套機電繼電器的手動開關(guān)，并有一個正向反向按鈕或開關(guān)，甚至可以使用固態(tài)CMOS 4066B四邊形雙向開關(guān)。

但另一種實現(xiàn)雙向的好方法控制電機（及其速度）是將電機連接到晶體管H橋型電路布置，如下所示。

基本雙向H橋電路

上面的H橋電路，之所以如此命名是因為基本的四個開關(guān)的配置，電子機械繼電器或晶體管類似字母“H”，電機位于中心桿上。晶體管或MOSFET H橋可能是最常用的雙向直流電機控制電路之一。它在每個分支中使用“互補晶體管對” NPN 和 PNP ，晶體管成對切換在一起以控制電機。

控制輸入 A 在一個方向上操作電機，即正向旋轉(zhuǎn)，而輸入 B 在另一個方向上操作電機，即反向旋轉(zhuǎn)。然后通過在它們的“對角線對”中切換晶體管“ON”或“OFF”導(dǎo)致電機的方向控制。

例如，當(dāng)晶體管 TR1 為“ON”時晶體管 TR2 為“OFF”，點 A 連接到電源電壓（+ Vcc），如果晶體管 TR3 為“OFF”且晶體管 TR4 為“ON”點 B 連接到0伏（GND）。然后電機將沿一個方向旋轉(zhuǎn)，對應(yīng)電機端子 A 為正，電機端子 B 為負。

如果開關(guān)狀態(tài)反轉(zhuǎn)則 TR1 為“OFF”， TR2 為“ON”， TR3 為“ON”且 TR4 為“ OFF“，電機電流現(xiàn)在將沿相反方向流動，導(dǎo)致電機反方向旋轉(zhuǎn)。

然后，通過將相反的邏輯電平“1”或“0”應(yīng)用于輸入 A 和 B ，可以如下控制電機旋轉(zhuǎn)方向。

H橋真值表

重要的是不允許其他輸入組合，因為這可能導(dǎo)致電源短路，即兩個晶體管， TR1 和 TR2 切換為“ON” “同時，（fuse = bang?。?/p>

與上面所示的單向直流電機控制一樣，電機的轉(zhuǎn)速也可以用脈沖寬度調(diào)制或PWM。然后通過將H橋切換與PWM控制相結(jié)合，可以精確控制電機的方向和速度。

商用現(xiàn)貨解碼器IC，如SN754410 Quad Half H-Bridge IC或L298N具有2個H橋，可提供內(nèi)置的所有必要控制和安全邏輯，專為H橋雙向電機控制電路而設(shè)計。

直流步進電機

與上述直流電機類似，步進電機也是將脈沖數(shù)字輸入信號轉(zhuǎn)換為離散（增量）機械運動的機電執(zhí)行器，廣泛用于工業(yè)控制應(yīng)用。步進電機是一種同步無刷電機，它沒有帶換向器和碳刷的電樞，但有一個由許多轉(zhuǎn)子組成的轉(zhuǎn)子，有些類型有數(shù)百個永久磁齒和一個帶有單獨繞組的定子。

步進電機

顧名思義，步進電機不像傳統(tǒng)直流電機那樣以連續(xù)方式旋轉(zhuǎn)但是以離散的“步進”或“增量”移動，每個旋轉(zhuǎn)運動或步長的角度取決于步進電機具有的定子極和轉(zhuǎn)子齒的數(shù)量。

由于它們的離散步進操作，步進電機可以很容易地旋轉(zhuǎn)一次有限的旋轉(zhuǎn)，例如1.8,3.6,7.5度等。例如，假設(shè)步進電機完成一整圈（360 o in正好100步。

然后電機的步進角度為360度/ 100步=每步3.6度。這個值通常是kno作為步進電機步進角。

步進電機有三種基本類型，可變磁阻，永磁體和混合（兩者的組合）。步進電機特別適用于需要精確定位和可重復(fù)性以及對啟動，停止，反向和速度控制的快速響應(yīng)以及步進電機的另一個關(guān)鍵特性的應(yīng)用，它能夠保持一旦達到要求位置，負載就會穩(wěn)定。

通常，步進電機的內(nèi)轉(zhuǎn)子帶有大量永磁“齒”，并在定子上安裝了許多電磁鐵“齒”。定子電磁鐵依次極化和去極化，使轉(zhuǎn)子一次旋轉(zhuǎn)“一步”。

現(xiàn)代多極多齒步進電機每步精度小于0.9 degs （每轉(zhuǎn)400個脈沖），主要用于高精度定位系統(tǒng)，如用于軟盤/硬盤驅(qū)動器，打印機/繪圖儀或機器人應(yīng)用中的磁頭。最常用的步進電機是每轉(zhuǎn)200步進電機。它有一個50齒轉(zhuǎn)子，4相定子和1.8度的步進角（360度/（50×4））。

步進電機的構(gòu)造和控制

在我們上面的可變磁阻步進電機的簡單示例中，電機由一個中心轉(zhuǎn)子組成，周圍有四個標(biāo)有 A的電磁場線圈， B ， C 和 D 。所有具有相同字母的線圈連接在一起，以便激勵，例如標(biāo)記為 A 的線圈將使磁轉(zhuǎn)子與該組線圈對齊。

通過依次向每組線圈供電，可以使轉(zhuǎn)子從一個位置旋轉(zhuǎn)或“步進”一個角度，該角度由其步進角構(gòu)造確定，并且通過依次激勵線圈，轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。

步進電機驅(qū)動器通過以設(shè)定順序激勵勵磁線圈來控制電機的步進角和速度，例如“ ADCB，ADCB，ADCB，A ... “等，轉(zhuǎn)子將向一個方向（向前）旋轉(zhuǎn)，并通過將脈沖序列反轉(zhuǎn)為” ABCD，ABCD，ABCD，A ... “等，轉(zhuǎn)子將在相反方向旋轉(zhuǎn)方向（反向）。

所以在我們上面的簡單示例中，步進電機有四個線圈，使其成為一個四相電機，定子上的極數(shù)為8（2 x 4）間隔45度。轉(zhuǎn)子上的齒數(shù)是六個，相隔60度。

然后有24個（6個齒x 4個線圈）可能的位置或“步驟”，轉(zhuǎn)子完成一整圈。因此，上面的步角如下： 360 o / 24 = 15 o 。

顯然，越多轉(zhuǎn)子齒和/或定子線圈將導(dǎo)致更多的控制和更精細的步進角。另外，通過以不同的配置連接電動機的電線圈，可以實現(xiàn)全角度，半角度和微步角。然而，為了實現(xiàn)微步進，步進電機必須由（準(zhǔn)）正弦電流驅(qū)動，這種電流實施起來很昂貴。

也可以通過改變來控制步進電機的旋轉(zhuǎn)速度施加到線圈的數(shù)字脈沖之間的時間延遲（頻率），延遲越長，一整圈的速度越慢。通過向電機施加固定數(shù)量的脈沖，電機軸將旋轉(zhuǎn)一個給定的角度。

使用延時脈沖的優(yōu)點是不需要任何形式的額外反饋，因為計算給予電動機的脈沖數(shù)，確切地知道轉(zhuǎn)子的最終位置。對一定數(shù)量的數(shù)字輸入脈沖的響應(yīng)允許步進電機在“開環(huán)系統(tǒng)”中運行，使其控制更容易和更便宜。

例如，假設(shè)我們的步進電機具有以上功能每步的步距為3.6德。要使電機旋轉(zhuǎn)216度，然后再次停在需要位置，只需要總共： 216度/（3.6度/步）= 80脈沖應(yīng)用于定子線圈。

有許多步進電機控制器IC可用于控制步進速度，旋轉(zhuǎn)速度和電機方向。一個這樣的控制器IC是SAA1027，它內(nèi)置了所有必要的計數(shù)器和代碼轉(zhuǎn)換功能，可以按正確的順序自動驅(qū)動4個完全控制的電橋輸出到電機。

旋轉(zhuǎn)方向可以也可以在所選方向上選擇單步模式或連續(xù)（無級）旋轉(zhuǎn)，但這會給控制器帶來一些負擔(dān)。當(dāng)使用8位數(shù)字控制器時，每步也可以256步微步

SAA1027步進電機控制芯片

在本教程中關(guān)于旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器，我們研究了有刷和無刷直流電機，直流伺服電機和步進電機作為機電執(zhí)行器，可用作定位或速度控制的輸出設(shè)備。

在下一個關(guān)于輸入/輸出設(shè)備的教程中，我們將繼續(xù)我們的外觀在稱為執(zhí)行器的輸出設(shè)備上，特別是使用電磁再次將電信號轉(zhuǎn)換為聲波的設(shè)備。我們將在下一個教程中看到的輸出設(shè)備類型是揚聲器。