有刷直流电机工作原理详解

　　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。

　　有刷直流电机工作原理详解

　　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。

　　
图一  简单的双磁极有刷直流电机

　　定子

　　定子会在转子周围产生固定的磁场。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。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进行检测 （见图9）。 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。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。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。

　　

　　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。