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简述直流电机的优缺点串励直流电机工作原理简

  有刷直流电机工作原理详解_电子/电路_工程科技_专业资料。有刷直流电机工作原理详解 日期: 2014-05-27 / 作者: admin / 分类: 技术文章 简介 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 D

  有刷直流电机工作原理详解 日期: 2014-05-27 / 作者: admin / 分类: 技术文章 简介 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)电机价格便宜、易于驱动并且易于制 造成各种尺寸和形状。 本应用笔记将讨论 BDC 电机的工作原理、驱动 BDC 电机的方法以及将驱动电路与 PIC 唀片机接口的方法。 工作原理 图 1 给出了一个简单 BDC 电机的结构。所有 BDC 电机的基本组件都是一样的:定子、电刷和换向器。后面将更详细地介绍每个组件. 定子 定子会在转子周围产生固定的磁场。串励直流电机工作原理这一磁场可由永磁体或电磁绕组产生。 BDC 电机的类型由定子的结构或电磁绕组连接到电源的方式 划分 (欲知 BDC 电机的不同类型请参见步进电机的类型)。 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 电机不需要控制器来切换电极绕组中电流的方向,而是通过机械的方 式完成 BDC 电机绕组的换向。在 BDC 电机的转轴上安装有一个分片式铜套,称为换向器。随着电机的旋转,碳刷会沿着换向器滑动,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,当通过电机的电刷上电时,就会在电机内部产生动态的磁场。注意电 刷和换向器由于两者之间存在相对滑动,因而是 BDC 电机中最容易损耗的部分,这一点很重要。 步进电机的类型 如前所述,BDC 电机的各种类型用定子中固定磁场的产生方式来区别。本节将讨论 BDC 电机的不同类型,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 电机通常用在包括分马力电动机在内的应用中,这是因为永磁体比绕组定子具有更高的成本效益。PMDC 电机的缺点是永磁体的磁 性会随着时间的推移逐渐衰退。 某些 PMDC 电机的永磁体上还绕有绕组,以防止磁性丢失的情况发生。PMDC 电机的性能曲线 (电压 与速度关系曲线)的线性非常好。电流与转矩成线性关系。由于定子磁场是恒定的,所以这类电机对电压变化的响应非常快。 并激 并激有刷直流 (Shunt-wound Brushed DC, SHWDC) 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。 因此, 这类电机具有卓越的速度控制能力。SHWDC 电机通常用在需要五个或五个以上马力的应用中。在 SHWDC 电机中,不会出现磁性丢失的 问题,因此它们通常比 PMDC 电机更加可靠。 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。由于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。SWDC 电机的缺点是它不能像 PMDC 和 SHWDC 电机那样对速度进行精确控制。 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两种磁场。CWDC 电 机综合了 SWDC 和 SHWDC 电机的性能,它具有比 SHWDC 电机更大的转矩,又能提供比 SWDC 电机更佳的速度控制。 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 BDC 电机中绕组电流的方法。本节中 讨论的驱动电路允许控制器对 BDC 电机的供电电压进行脉宽调制。 就功耗来说, 这样的速度控制方法在改变 BDC 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 BDC 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。图 6 和图 7 给出了向一个方向驱动 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 信号转换为供电电压的电 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 1:对于绝大多数 PIC 唀片机应用,第二点通常不适用,这是因为 PIC 单片机的 I/O 引脚可提供 20 mA 的拉电流。 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 是在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。 图 6 和图 7 中的电阻 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。 BDC 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。 如图 8 所示,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 BDC 电机一端的导通与关断,使其电势为供应电压或地电位。例如,当 Q1 导通,Q2 关断时,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。 注意,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。简述直流电机的优缺点只有在 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。 表 1 给出了 H 桥电路的不同驱动模式。 在前向和后向模式中, 桥的一端处于地电势, 另一端处于 VSUPPLY。 在图 8 中, 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 (Coast)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(Brake)模式用于快速停止 BDC 电机。 在刹车模式下,电机的接线端接地。当电机旋转时,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。IBRK 箭头描绘了这一点 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(配置图请见图 8)。 速度控制 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。 反馈机制 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。 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)。 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。简述直流电机工作原理在电机发生移位的 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。环亚国际APP。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。 反电磁通量 (BEMF) 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。 8 分钟前 上传 下载附件 (18.64 KB) 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。 结论 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。

时间:2020-07-01 06:08