有刷直流電機的工作原理及控制電路

微型有刷直流電機具有價格便宜、容易操控的特點應用在各個領域，如電動玩具、美容產品、個人護理產品、醫療器械等等大多用到的都是微型有刷直流電機。有刷直流電機的工作原理是怎樣的呢？下面天孚微電機就來帶大家來了解：微型直流電機（有刷）的工作原理。

首先我們來了解電機的結構，幾乎所有的有刷直流電機組件都是一樣的，定子+電刷+換向器如下圖所示。

有刷直流電機

1.定子

定子能在轉子的周圍產生固定的磁場，磁場可以是永磁體或者電磁繞組產生，微型有刷直流電機的分類是由定子或者電磁繞組連結到電源的方式來區別。

2. 轉子

轉子是由一個或者多個繞組構成，當繞組受到激勵時，就會產生磁場，轉子磁場的磁極和定子的磁場磁極相反，互相吸引，從而使轉子旋轉。在旋轉過種中，轉子會按照不同的順序持續激勵繞組，因此轉子產生的磁極絕不會與定子產生的磁極重疊，這個過種叫做換向。

3. 電刷與換向器

微型有刷直流電機與無刷微型電機不同，不需要控制器來切換繞組的電流方向，遙是直接通過換向器進行換向。在微型有刷直流電機的轉軸上有安裝一個分片式銅套，這個就是換向器，電機在運轉過程中，電刷會沿著換向器滑動，和換向器不同分片接觸。這些分片與不同的轉子繞組連接，當電刷通電時就會在電機內部產生動態磁場。也是這種原因，導致微型有刷直流電機磨損較為嚴重，導致電機使用壽命無法太長，這也是微型有刷直流電機的缺陷所在。

直流電機

微型有刷直流電機的類型

1. 微型永磁體有刷直流電機

這種微型有刷直流電機是最常見的有刷電機，採用永磁體產生磁場，微型電機通的永磁體比繞組定子具有更高的效益，不過永磁體的磁性會隨著時間衰退（永磁體只是一個名字，並不是真正的永磁）。有的永磁體微型直流電機還會加上繞組，防止磁性丟失。由於定子磁場的恆定的，所以永磁體有刷直流電機對電壓變化響應非常快（下圖為永磁體直流電機原理圖

）。

永磁體有刷直流電機

2. 並激有刷直流電機

微型電機的勵磁線圈與電樞並聯，勵磁線圈中的電流與電樞中的電流相互獨立（如圖）。因此，這類電機具有卓越的速度控制能力，並激有刷直流電機不會出現磁性丟失的現象，因此比永磁體電機更加可靠。

並激直流電機

3. 串激有刷直流電機

即勵磁線圈與電樞串聯，定子和電樞中的電流均隨負載的增加而增加，因此這類電機是大轉矩應用的理想之選。但是對速度不能實現精確控制。

串激直流電機

4. 復激有刷直流電機

這種微電機是並激和串激電機的結合體，可產生串激和並激兩種磁場。綜合了並激和串激電機的性能，它具有大轉矩與精準的速度控制優勢。

復激直流電機

微型有刷直流電機基本驅動電路

驅動電路用在使用了某類控制器並且要求速度控制的應用中。驅動電路的目的是為控制器提供改變微型有刷直流電機中繞組電流的方法，就功耗來說，這樣的速度控制方法在改變直流電機的速度方面比起傳統的模擬控制方法效率要高很多。傳統的模擬控制要求與電機繞組串聯一個額外的變阻器，這樣會降低效率。驅動直流電機的方法多種多樣。有些應用場合僅要求電機往一個方向運轉。如下圖，向一個方向驅動直流電機的電路。前者採用低端驅動，後者採用高端驅動。使用低端驅動的優點是可以不必使用FET驅動器。

驅動電路

在每個電路中，直流電機的兩端都跨接有一個二極體，目的是防止反電磁通量電壓損壞電晶體。BEMF是在直流電機轉動過程中產生的。 當MOSFET關斷時，電機的繞組仍然處於通電狀態，會產生反向電流。D1必須具有合適的額定值，以能夠消耗這一電流。

H橋控制電路

從上圖可以看出，電阻R1和R2對於每個電路的工作很重要。R1用於保護單片機免遭電流突增的破壞，R2用於確保在輸入引腳處於三態時，Q1關斷。

直流電機的雙向控制需要一個稱為H橋的電路。H橋的得名緣於其原理圖的外觀，它能夠使電機繞組中的電流沿兩個方向運動。要理解這一點，H橋必須被分為兩個部分，或兩個半橋。 Q1和Q2構成一個半橋，而Q3和Q4構成另一個半橋。每個半橋都能夠控制直流電機一端的導通與關斷，使其電勢為供應電壓或地電位。當Q1導通，Q2關斷時，直流電機的左端將處於供電電壓的電勢。導通Q4，保 持Q3關斷將使電機的相反端接地。標註有箭頭的IFWD顯示了該配置下電流的流向。

每個MOSFET的兩端都跨接有一個二極體（D1-D4）。這些二極體保護MOSFET免遭MOSFET關斷時由BEMF產生的電流尖峰的破壞。只有在MOSFET內部的二極體不足以消耗BEMF電流時，才需要這些二極體。電容 （C1-C4）是可選的。 這些電容的值通常不大於10 pF，它們用於減少由於換向器起拱產生的RF輻射。

在前向和後向模式中，橋的一端處於地電勢，另一端處於VSUPPLY。IFWD和IRVS箭頭分別描繪了前向和後向運行模式的電路路徑。在慣性滑行模式中，電機繞組的接線端保持懸空，電機靠慣性滑行直至停轉。 剎車模式用於快速停止直流電機。 在剎車模式下，直流電機的接線端接地。當直流電機旋轉時，它充當一個發電機。將電機的引線短路相當於電機帶有無窮大負載，可使電機快速停轉。　　

設計H橋電路時，必須要考慮到一個非常重要的事項。當電路的輸入不可預測 （比如單片機啟動過程中）時，必須將所有的MOSFET偏置到關斷狀態。 這將確保H橋每個半橋上的MOSFET絕不會同時導通。 同時導通同一個半橋上的MOSFET將導致電源短路，最終導致損壞MOSFET，致使電路無法工作。每個MOSFET驅動器輸入端上的下拉電阻將實現該功能。

微型有刷直流電機速度控制

直流電機的速度與施加給電機的電壓成正比。當使用數控技術時，脈寬調製 （PWM）信號被用來產生平均電壓。電機的繞組充當一個低通濾波器，因此具有足夠頻率的PWM信號將會在電機繞組中產生一個穩定的電流。平均電壓、供電電壓和佔空比的關係由以下公式給出：

公式1：VAVERAGE= D ×VSUPPLY

速度和佔空比之間成正比關係。例如，如果額定直流電機在12V時以轉速7000 RPM旋轉，則當給電機施加佔空比為50%的信號時，則電機將 （理想情況下）以3500 RPM的轉速旋轉。PWM信號的頻率是考慮的重點。頻率太低會導致電機轉速過低，噪音較大，並且對佔空比變化的響應過慢（關於速度控制前面已有文章描述過，這時再重複下）。

頻率太高，則會因開關設備的開關損耗而降低系統的效率。經驗之談是在4 kHz至20 kHz範圍內，調製輸入信號的頻率。這個範圍足夠高，電機的噪音能夠得到衰減，並且此時MOSFET（或BJT）中的開關損耗也可以忽略。一般來說，針對給定的電機用實驗的辦法找到滿意的PWM頻率是一個好辦法。

如何使用PIC單片機來產生控制直流電機速度的PWM信號

通過編寫專門的彙編或C代碼來交替翻轉輸出引腳的電平。另一個方法是選擇帶有硬體PWM模塊的PIC單片機。Microchip提供的具有該功能的模塊為CCP和ECCP模塊。許多PIC單片機都具有CCP和ECCP模塊。

CCP模塊能夠在一個I/O引腳上輸出解析度為10位的PWM信號。10位解析度意味著模塊可以在0%至100%的範圍內實現210（即1024）個可能的佔空比值。使用該模塊的優點是它能在I/O 引腳上自主產生PWM信號，這樣解放了處理器，使之有時間完成其他任務。CCP模塊僅要求開發者對模塊的參數進行配置。 配置模塊包括設置頻率和佔空比寄存器。ECCP模塊不僅能提供CCP模塊的所有功能，還可以驅動全橋或半橋電路。ECCP模塊還具有自動關斷功能和可編程死區延時。

微型有刷直流反饋機制

雖然直流電機的速度一般與佔空比成正比，但不存在完全理想的電機。發熱、換向器磨損以及負載均會影響電機的速度。 在需要精確控制速度的系統中引入某種反饋機制。速度控制可以兩種方式實現。第一種方式是使用某種類型的速度傳感器。第二種方式是使用電機產生的BEMF電壓。

傳感器反饋 有多種傳感器可用於速度反饋。最常見的是光學編碼器和霍爾效應傳感器。 光學編碼器由多個組件組成。在電機非驅動端的軸上安裝一個槽輪。一個紅外LED在輪的一側提供光源，一個光電電晶體在輪的另一側對光線進行檢測（如圖）。 通過輪中槽隙的光線會使光電電晶體導通。轉軸轉動時，光電電晶體會隨著光線通過輪槽與否導通和關斷。電晶體通斷的頻率表徵電機的速度。在電機發生移位的應用中，還將使用光學編碼器來反饋電機位置。

光學編碼器

霍爾效應傳感器也被用來提供速度反饋。與光學編碼器類似，霍爾效應傳感器需要電機上連有一個旋轉元件，並且還需要一個靜止元件。旋轉元件是一個外緣安裝有一個或多個磁體的轉輪。靜止的傳感器檢測經過的磁體，並產生TTL脈衝。　　

霍爾傳感器

反電磁通量

提供直流電機的快速反饋的另一種形式是BEMF電壓測量。BEMF電壓和速度成正比。 下圖顯示，在雙向驅動電路中測量BEMF電壓的位置，一個分壓器用於使BEMF電壓下降到0-5V範圍內，這樣才能被模數轉換器讀取。BEMF電壓是在PWM脈衝之間，當電機的一端懸空而另一端接地時測量的。在這種情況下，電機充當發電機，並且產生與速度成正比的BEMF電壓。

控制電路

由於效率和材料不同，直流電機的行為會略有不同。實驗是確定給定電機速度下BEMF電壓的最好方法。 電機轉軸上的反射帶有助於數字轉速計測量電機的轉速（單位為RPM）。在讀取數字轉速計時測量BEMF電壓將獲取電機速度和BEMF電壓的關係。

有刷直流電機的使用和控制都非常簡便，因此它的設計周期較短。PIC單片機，特別是具有CCP或ECCP模塊的單片機是驅動直流電機的理想之選。更多有關微型直流電機資訊請繼續關注天孚電機。