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直流電機(jī)

  基本概念

  電機(jī)：俗稱“馬達(dá)”，依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。包括：電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。

電動(dòng)機(jī)在電路中是用字母M表示，它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；作為用電器或各種機(jī)械的動(dòng)力源，發(fā)電機(jī)在電路中用字母G表示，它的主要作用是利用機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

電機(jī)控制：對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)、加速、運(yùn)轉(zhuǎn)、減速及停止進(jìn)行的控制。

直流電機(jī)分類

  1.直流有刷電機(jī)

  直流有刷電機(jī)(BrushedDC，簡(jiǎn)稱BDC)，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操控方便，成本低廉，具有良好的偏動(dòng)和調(diào)速性能等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于各種動(dòng)力器件中，小到玩具，按鈕調(diào)節(jié)式汽車座椅，大到印刷機(jī)械等生產(chǎn)機(jī)械中都能看到它的身影。

直流電源的電能通過(guò)電刷和換向器進(jìn)入電樞繞組，產(chǎn)生電樞電流，電樞電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與主磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)負(fù)載。

  優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格低、控制方便

  缺點(diǎn)：由于電刷和換向器的存在，有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，故障多，維護(hù)工作量大，壽命短，換向火花易產(chǎn)生電磁干擾。

  2.無(wú)刷直流電機(jī)

  無(wú)刷直流電機(jī)【BLDCM】是在有刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展來(lái)的，但它的驅(qū)動(dòng)電流是不折不扣的交流。一般地，無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流有兩種，一種是梯形波(方波)，另一種是正弦一般的，把方波驅(qū)動(dòng)的叫做直流無(wú)刷電機(jī)(BLDC)；把正弦波驅(qū)動(dòng)的叫做永磁同步電機(jī)(PMSM)，這個(gè)實(shí)際上就是伺服電機(jī)。

  直流無(wú)刷電機(jī)與伺服電機(jī)有類似的優(yōu)缺點(diǎn)。BLDC電機(jī)比PMSM電機(jī)造價(jià)便宜一些，驅(qū)動(dòng)控制方法簡(jiǎn)單一些。

  3.直流減速電機(jī)

  直流減速電機(jī)，即齒輪減速電機(jī)，是在普通直流電機(jī)的基礎(chǔ)上，加上配套齒輪減速箱。齒輪減速箱的作用是，提供較低的轉(zhuǎn)速，較大的力矩。同時(shí)，齒輪箱不同的減速比可以提供不同的轉(zhuǎn)速和力矩。這大大提高了，直流電機(jī)在自動(dòng)化行業(yè)中的使用率。減速電機(jī)是指減速機(jī)和電機(jī)(馬達(dá))的集成體。

  直流電機(jī)兩條原理：

  1.直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電壓成正比；

  2.直流電機(jī)的扭矩和電流成正比。

2.H橋驅(qū)動(dòng)電路

直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)理

  直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)：給電機(jī)兩根線供電電機(jī)就可以旋轉(zhuǎn)，給正電壓電機(jī)正轉(zhuǎn)，給相反電壓電機(jī)反轉(zhuǎn)；電壓越大，電機(jī)轉(zhuǎn)得越快，電壓越小，轉(zhuǎn)速也變小。

  一般我們利用STM32單片機(jī)可以方便的調(diào)整電機(jī)速度，但STM32的IO接口電壓和電流一般都是非常有限的，電壓是3.3V，電流是8mA，所以為方便控制需要在微控制器和電機(jī)直接添加驅(qū)動(dòng)電路板，該電機(jī)驅(qū)動(dòng)板有兩種輸入線：電源輸入線和控制信號(hào)輸入線。

  電源輸入線一般要求是可以提供電機(jī)額定電源的大電流電源，一般來(lái)說(shuō)電機(jī)所需要的電壓和額定電流是多少，那么就要給電機(jī)驅(qū)動(dòng)板提供多大的電壓和電流，它是給電機(jī)提供動(dòng)力的來(lái)源。

  控制信號(hào)線與微控制器的信號(hào)線連接，是實(shí)現(xiàn)調(diào)速的方法，一般是PWM的可調(diào)方波信號(hào)。

  電機(jī)驅(qū)動(dòng)板還有一個(gè)輸出線，有兩個(gè)接口，它與直流電機(jī)的引腳直接連接。注意，這里的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板輸出線是應(yīng)該一系列電路之后才輸出的，也就是通過(guò)輸入信號(hào)調(diào)制后的輸出線。電機(jī)控制都是必須有驅(qū)動(dòng)器的。

  H橋驅(qū)動(dòng)電路

  下面以MOS管搭建的H橋電路解釋電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線上的一對(duì)MOS管導(dǎo)通。

  如下圖，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí)(此時(shí)必須保Q2和Q3關(guān)斷)，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過(guò)電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

  另一對(duì)MOS管2相Q3導(dǎo)通的時(shí)候(此時(shí)必須保證Q1和Q4關(guān)斷)，電流從右至左流過(guò)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。

  驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，保證H橋兩個(gè)同側(cè)的MOS管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通非常重要，如果MOS管Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通，那么電流就會(huì)從電源正極穿過(guò)兩個(gè)MOS管直接回到負(fù)極，此時(shí)電路中除了MOS管外沒(méi)有其它任何負(fù)載，因此電路上的電流就達(dá)到最大值，燒壞MOS管和電源。Q3和Q4同時(shí)導(dǎo)通是同樣的道理。

  簡(jiǎn)單的開關(guān)只能控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，引入PWM控制可以實(shí)現(xiàn)方向和速度調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)占空比實(shí)現(xiàn)控速，占空比越大平均電壓(電流)越大，速度越快PWM頻率一般在10KHz~20KHz之間。頻率太低會(huì)導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)低，噪聲較大。頻率太高，會(huì)因?yàn)镸OS管的開關(guān)損耗而降低系統(tǒng)的效率。

  電流衰減模式(decay mode)

  所謂衰減模式，可簡(jiǎn)單理解為如何使電機(jī)停下：如果控制電機(jī)一直向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。但是如果這是想讓電機(jī)停下，那么問(wèn)題就來(lái)了。由于電機(jī)是感性負(fù)載，電流不能突變。在斷開電機(jī)兩端所加的電壓時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)很有可能損壞FET。因此想讓電機(jī)停下，除了斷開供電，還要形成一個(gè)續(xù)流的回路，釋放掉電機(jī)上的能量。

  以左側(cè)正向旋轉(zhuǎn)的圖為例：

  1.首先電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，電流流向如①線所示；

  2.如果此時(shí)采取滑動(dòng)/快衰減模式：四個(gè)MOSFET關(guān)斷，電機(jī)上的電流會(huì)通過(guò)Q2和Q3的寄生二極管繼續(xù)流動(dòng)，如②線所示?？砂l(fā)現(xiàn)，此時(shí)電流的流向是與電源電壓相反的，因此電流衰減很快，當(dāng)電流衰減為0時(shí)，由于FET是關(guān)斷的，電源電壓不會(huì)加在電機(jī)上，電機(jī)會(huì)逐漸停下。

  3.如果采取制動(dòng)/慢衰減模式：Q2、Q4導(dǎo)通，Q1、Q3關(guān)斷。電機(jī)上的電流通過(guò)Q2和Q4繼續(xù)流動(dòng)，如③線所示，電機(jī)上的能量會(huì)逐漸消耗在電機(jī)本身和Q2、Q3上，這樣的電流衰減相對(duì)較慢。

  特別注意：快慢衰減指的是電流，而不是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。

  在快衰減模式(fast decay)下，由于電流迅速下降，那么電感電機(jī)上儲(chǔ)存的能量就會(huì)釋放很慢(簡(jiǎn)單理解E=I^2R),電機(jī)會(huì)逐漸停止，因此該模式又叫滑動(dòng)；

  在慢衰減模式(slow decay)下，電機(jī)的兩端類似于短接，電流很大且衰減慢，儲(chǔ)存的能量被瞬間釋放，此時(shí)電機(jī)會(huì)瞬間停止，因此該模式又叫制動(dòng)。