直流電機的基本構(gòu)成與直流電機驅(qū)動電路的設(shè)計圖解

　　直流電機（direct current machine）是指能將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能（直流電動機）或?qū)C械能轉(zhuǎn)換成直流電能（直流發(fā)電機）的旋轉(zhuǎn)電機。它是能實現(xiàn)直流電能和機械能互相轉(zhuǎn)換的電機。當它作電動機運行時是直流電動機，將電能轉(zhuǎn)換為機械能；作發(fā)電機運行時是直流發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)換為電能。

　　直流電機由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，其間有一定的氣隙。其構(gòu)造的主要特點是具有一個帶換向器的電樞。直流電機的定子由機座、主磁極、換向磁極、前后端蓋和刷架等部件組成。其中主磁極是產(chǎn)生直流電機氣隙磁場的主要部件，由永磁體或帶有直流勵磁繞組的疊片鐵心構(gòu)成。直流電機的轉(zhuǎn)子則由電樞、換向器（又稱整流子）和轉(zhuǎn)軸等部件構(gòu)成。其中電樞由電樞鐵心和電樞繞組兩部分組成。電樞鐵心由硅鋼片疊成，在其外圓處均勻分布著齒槽，電樞繞組則嵌置于這些槽中。換向器是一種機械整流部件。由換向片疊成圓筒形后，以金屬夾件或塑料成型為一個整體。各換向片間互相絕緣。換向器質(zhì)量對運行可靠性有很大影響。

　　直流電機的基本構(gòu)成

　　直流電機由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，其間有一定的氣隙。

　　直流電機的定子由機座、主磁極、換向磁極、前后端蓋和刷架等部件組成。其中主磁極是產(chǎn)生直流電機氣隙磁場的主要部件，由永磁體或帶有直流勵磁繞組的疊片鐵心構(gòu)成。

　　直流電機的轉(zhuǎn)子則由電樞、換向器（又稱整流子）和轉(zhuǎn)軸等部件構(gòu)成。其中電樞由電樞鐵心和電樞繞組兩部分組成。電樞鐵心由硅鋼片疊成，在其外圓處均勻分布著齒槽，電樞繞組則嵌置于這些槽中。

　　換向器是一種機械整流部件。由換向片疊成圓筒形后，以金屬夾件或塑料成型為一個整體。各換向片間互相絕緣。換向器質(zhì)量對運行可靠性有很大影響。

　　直流電機的組成結(jié)構(gòu)

　　直流電機的結(jié)構(gòu)應由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應電動勢，是直流電機進行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風扇等組成。

　　定子

　?。?）主磁極

　　主磁極的作用是產(chǎn)生氣隙磁場。主磁極由主磁極鐵心和勵磁繞組兩部分組成鐵心一般用0.5mm～1.5mm厚的硅鋼板沖片疊壓鉚緊而成，分為極身和極靴兩部分，上面套勵磁繞組的部分稱為極身，下面擴寬的部分稱為極靴，極靴寬于極身，既可以調(diào)整氣隙中磁場的分布，又便于固定勵磁繞組。勵磁繞組用絕緣銅線繞制而成，套在主磁極鐵心上。整個主磁極用螺釘固定在機座上，

　?。?）換向極

　　換向極的作用是改善換向，減小電機運行時電刷與換向器之間可能產(chǎn)生的換向火花，一般裝在兩個相鄰主磁極之間，由換向極鐵心和換向極繞組組成。換向極繞組用絕緣導線繞制而成，套在換向極鐵心上，換向極的數(shù)目與主磁極相等。

　　（3）機座

　　電機定子的外殼稱為機座。機座的作用有兩個：

　　一是用來固定主磁極、換向極和端蓋，并起整個電機的支撐和固定作用；

　　二是機座本身也是磁路的一部分，借以構(gòu)成磁極之間磁的通路，磁通通過的部分稱為磁軛。為保證機座具有足夠的機械強度和良好的導磁性能，一般為鑄鋼件或由鋼板焊接而成。

　　（4）電刷裝置

　　電刷裝置是用來引入或引出直流電壓和直流電流的。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿和刷桿座等組成。電刷放在刷握內(nèi)，用彈簧壓緊，使電刷與換向器之間有良好的滑動接觸，刷握固定在刷桿上，刷桿裝在圓環(huán)形的刷桿座上，相互之間必須絕緣。刷桿座裝在端蓋或軸承內(nèi)蓋上，圓周位置可以調(diào)整，調(diào)好以后加以固定。

　　轉(zhuǎn)子

　?。?）電樞鐵心

　　電樞鐵心是主磁路的主要部分，同時用以嵌放電樞繞組。一般電樞鐵心采用由0.5mm厚的硅鋼片沖制而成的沖片疊壓而成，以降低電機運行時電樞鐵心中產(chǎn)生的渦流損耗和磁滯損耗。疊成的鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上。鐵心的外圓開有電樞槽，槽內(nèi)嵌放電樞繞組。

　?。?）電樞繞組

　　電樞繞組的作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應電動勢，是直流電機進行能量變換的關(guān)鍵部件，所以叫電樞。它是由許多線圈（以下稱元件）按一定規(guī)律連接而成，線圈采用高強度漆包線或玻璃絲包扁銅線繞成，不同線圈的線圈邊分上下兩層嵌放在電樞槽中，線圈與鐵心之間以及上、下兩層線圈邊之間都必須妥善絕緣。為防止離心力將線圈邊甩出槽外，槽口用槽楔固定。線圈伸出槽外的端接部分用熱固性無緯玻璃帶進行綁扎。

　?。?）換向器

　　在直流電動機中，換向器配以電刷，能將外加直流電源轉(zhuǎn)換為電樞線圈中的交變電流，使電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變；在直流發(fā)電機中，換向器配以電刷，能將電樞線圈中感應產(chǎn)生的交變電動勢轉(zhuǎn)換為正、負電刷上引出的直流電動勢。換向器是由許多換向片組成的圓柱體，換向片之間用云母片絕緣。

　?。?）轉(zhuǎn)軸

　　轉(zhuǎn)軸起轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的支撐作用，需有一定的機械強度和剛度，一般用圓鋼加工而成。

　　直流電機的驅(qū)動電路設(shè)計

　　一、 直流電機驅(qū)動電路的設(shè)計目標

　　在直流電機驅(qū)動電路的設(shè)計中，主要考慮一下幾點：

　　1. 功能：電機是單向還是雙向轉(zhuǎn)動？需不需要調(diào)速？對于單向的電機驅(qū)動，只要用一個大功率三極管或場效應管或繼電器直接帶動電機即可，當電機需要雙向轉(zhuǎn)動時，可以使用由4個功率元件組成的H橋電路或者使用一個雙刀雙擲的繼電器。如果不需要調(diào)速，只要使用繼電器即可;但如果需要調(diào)速，可以使用三極管，場效應管等開關(guān)元件實現(xiàn)PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)速。

　　2. 性能：對于PWM調(diào)速的電機驅(qū)動電路，主要有以下性能指標。

　?。?）輸出電流和電壓范圍，它決定著電路能驅(qū)動多大功率的電機。

　　（2）效率，高的效率不僅意味著節(jié)省電源，也會減少驅(qū)動電路的發(fā)熱。要提高電路的效率，可以從保證功率器件的開關(guān)工作狀態(tài)和防止共態(tài)導通（H橋或推挽電路可能出現(xiàn)的一個問題，即兩個功率器件同時導通使電源短路）入手。

　?。?）對控制輸入端的影響。功率電路對其輸入端應有良好的信號隔離，防止有高電壓大電流進入主控電路，這可以用高的輸入阻抗或者光電耦合器實現(xiàn)隔離。

　　（4）對電源的影響。共態(tài)導通可以引起電源電壓的瞬間下降造成高頻電源污染;大的電流可能導致地線電位浮動。

　?。?）可靠性。電機驅(qū)動電路應該盡可能做到，無論加上何種控制信號，何種無源負載，電路都是安全的。

　　1.輸入與電平轉(zhuǎn)換部分：

　　輸入信號線由DATA引入，1腳是地線，其余是信號線。注意1腳對地連接了一個2K歐的電阻。當驅(qū)動板與單片機分別供電時，這個電阻可以提供信號電流回流的通路。當驅(qū)動板與單片機共用一組電源時，這個電阻可以防止大電流沿著連線流入單片機主板的地線造成干擾?；蛘哒f，相當于把驅(qū)動板的地線與單片機的地線隔開，實現(xiàn)“一點接地”。

　　高速運放KF347（也可以用TL084）的作用是比較器，把輸入邏輯信號同來自指示燈和一個二極管的2.7V基準電壓比較，轉(zhuǎn)換成接近功率電源電壓幅度的方波信號。KF347的輸入電壓范圍不能接近負電源電壓，否則會出錯。因此在運放輸入端增加了防止電壓范圍溢出的二極管。輸入端的兩個電阻一個用來限流，一個用來在輸入懸空時把輸入端拉到低電平。

　　不能用LM339或其他任何開路輸出的比較器代替運放，因為開路輸出的高電平狀態(tài)輸出阻抗在1千歐以上，壓降較大，后面一級的三極管將無法截止。

　　2.柵極驅(qū)動部分：

　　后面三極管和電阻，穩(wěn)壓管組成的電路進一步放大信號，驅(qū)動場效應管的柵極并利用場效應管本身的柵極電容（大約1000pF）進行延時，防止H橋上下兩臂的場效應管同時導通（“共態(tài)導通”）造成電源短路。

　　當運放輸出端為低電平（約為1V至2V，不能完全達到零）時，下面的三極管截止，場效應管導通。上面的三極管導通，場效應管截止，輸出為高電平。當運放輸出端為高電平（約為VCC-（1V至2V），不能完全達到VCC）時，下面的三極管導通，場效應管截止。上面的三極管截止，場效應管導通，輸出為低電平。

　　上面的分析是靜態(tài)的，下面討論開關(guān)轉(zhuǎn)換的動態(tài)過程：三極管導通電阻遠小于2千歐，因此三極管由截止轉(zhuǎn)換到導通時場效應管柵極電容上的電荷可以迅速釋放，場效應管迅速截止。但是三極管由導通轉(zhuǎn)換到截止時場效應管柵極通過2千歐電阻充電卻需要一定的時間。相應的，場效應管由導通轉(zhuǎn)換到截止的速度要比由截止轉(zhuǎn)換到導通的速度快。假如兩個三極管的開關(guān)動作是同時發(fā)生的，這個電路可以讓上下兩臂的場效應管先斷后通，消除共態(tài)導通現(xiàn)象。

　　實際上，運放輸出電壓變化需要一定的時間，這段時間內(nèi)運放輸出電壓處于正負電源電壓之間的中間值。這時兩個三極管同時導通，場效應管就同時截止了。所以實際的電路比這種理想情況還要安全一些。

　　場效應管柵極的12V穩(wěn)壓二極管用于防止場效應管柵極過壓擊穿。一般的場效應管柵極的耐壓是18V或20V，直接加上24V電壓將會擊穿，因此這個穩(wěn)壓二極管不能用普通的二極管代替，但是可以用2千歐的電阻代替，同樣能得到12V的分壓。

　　3.場效應管輸出部分：

　　大功率場效應管內(nèi)部在源極和漏極之間反向并聯(lián)有二極管，接成H橋使用時，相當于輸出端已經(jīng)并聯(lián)了消除電壓尖峰用的四個二極管，因此這里就沒有外接二極管。輸出端并聯(lián)一個小電容（out1和out2之間）對降低電機產(chǎn)生的尖峰電壓有一定的好處，但是在使用PWM時有產(chǎn)生尖峰電流的副作用，因此容量不宜過大。在使用小功率電機時這個電容可以略去。如果加這個電容的話，一定要用高耐壓的，普通的瓷片電容可能會出現(xiàn)擊穿短路的故障。

　　輸出端并聯(lián)的由電阻和發(fā)光二極管，電容組成的電路指示電機的轉(zhuǎn)動方向。

　　4.性能指標：

　　電源電壓15~30 V，最大持續(xù)輸出電流5A/每個電機，短時間（10秒）可以達到10A，PWM頻率最高可以用到30KHz（一般用1到10KHz）。電路板包含4個邏輯上獨立的，輸出端兩兩接成H橋的功率放大單元，可以直接用單片機控制。實現(xiàn)電機的雙向轉(zhuǎn)動和調(diào)速。

　　5.布線：

　　大電流線路要盡量的短粗，并且盡量避免經(jīng)過過孔，一定要經(jīng)過過孔的話要把過孔做大一些（》1mm）并且在焊盤上做一圈小的過孔，在焊接時用焊錫填滿，否則可能會燒斷。另外，如果使用了穩(wěn)壓管，場效應管源極對電源和地的導線要盡可能的短粗，否則在大電流時，這段導線上的壓降可能會經(jīng)過正偏的穩(wěn)壓管和導通的三極管將其燒毀。在一開始的設(shè)計中，NMOS管的源極于地之間曾經(jīng)接入一個0.15歐的電阻用來檢測電流，這個電阻就成了不斷燒毀板子的罪魁禍首。當然如果把穩(wěn)壓管換成電阻就不存在這個問題了。

　　在2004年的Robocon比賽中，我們主要采用了這個電路用以電機驅(qū)動。

　　二、 低壓驅(qū)動電路的簡易柵極驅(qū)動

　　一般功率場效應管的最高柵源電壓為20V左右，所以在24V應用中要保證柵源電壓不能超過20V，增加了電路的復雜程度。但在12V或更低電壓的應用中，電路就可以大大簡化。

　　左圖就是一個12V驅(qū)動橋的一邊，上面電路的三極管部分被兩個二極管和兩個電阻代替。（注意，跟上圖邏輯是反的）由于場效應管柵極電容的存在，通過R3，R4向柵極電容充電使場效應管延緩導通;而通過二極管直接將柵極電容放電使場效應管立即截止，從而避免了共態(tài)導通。

　　這個電路要求在IN端輸入的是邊緣陡峭的方波脈沖，因此控制信號從單片機或者其他開路輸出的設(shè)備接入后，要經(jīng)過施密特觸發(fā)器（比如555）或者推挽輸出的高速比較器才能接到IN端。如果輸入邊緣過緩，二極管延時電路也就失去了作用。

　　R3，R4的選取與IN信號邊沿升降速度有關(guān)，信號邊緣越陡峭，R3，R4可以選的越小，開關(guān)速度也就可以做的越快。Robocon比賽使用的升壓電路（原理相似）中，IN前用的是555。

　　三、 邊沿延時驅(qū)動電路

　　在前級邏輯電路里，有意地對控制PMOS的下降沿和控制NMOS的上升沿進行延時，再整形成方波，也可以避免場效應管的共態(tài)導通。另外，這樣做可以使后級的柵極驅(qū)動電路簡化，可以是低阻推挽驅(qū)動柵極，不必考慮柵極電容，可以較好的適應不同的場效應管。2003年Robocon比賽采用的就是這種驅(qū)動電路。下圖是兩種邊沿的延時電路：

　　下圖是對應的NMOS，PMOS柵極驅(qū)動電路：

　　這個柵極驅(qū)動電路由兩級三極管組成：前級提供驅(qū)動場效應管柵極所需的正確電壓，后級是一級射極跟隨器，降低輸出阻抗，消除柵極電容的影響。為了保證不共態(tài)導通，輸入的邊沿要比較陡，上述先延時再整形的電路就可以做到。

　　五、 其它幾種驅(qū)動電路

　　1. 繼電器+半導體功率器件的想法

　　繼電器有著電流大，工作穩(wěn)定的優(yōu)點，可以大大簡化驅(qū)動電路的設(shè)計。在需要實現(xiàn)調(diào)速的電機驅(qū)動電路中，也可以充分利用繼電器。有一個方案就是利用繼電器來控制電流方向來改變電機轉(zhuǎn)向，而用單個的特大電流場效應管（比如IRF3205，一般只有N型特大電流的管子）來實現(xiàn)PWM調(diào)速，如下右圖所示。這樣是實現(xiàn)特別大電流驅(qū)動的一個方法。換向的繼電器要使用雙刀雙擲型的，接線如下左圖，線圈接線如下中圖：