浅谈H-Bridge电机驱动原理

　　电动机

 

　　电动机（Motor）是把电能转换成机械能的一种设备。它是利用通电线圈（也就是定子绕组）产生旋转磁场并作用于转子（如鼠笼式闭合铝框）形成磁电动力旋转扭矩。电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机（电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速）。电动机主要由定子与转子组成，通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线（磁场方向）方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。

 

　　基本结构

 

　　一、三相异步电动机的结构，由定子、转子和其它附件组成。

 

　　（一）定子（静止部分）

 

　　1、定子铁心

 

　　作用：电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。

 

　　构造：定子铁心一般由0.35~0.5毫米厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成，在铁心的内圆冲有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组。

 

　　定子铁心槽型有以下几种：

 

　　半闭口型槽：电动机的效率和功率因数较高，但绕组嵌线和绝缘都较困难。一般用于小型低压电机中。

 

　　半开口型槽：可嵌放成型绕组，一般用于大型、中型低压电机。所谓成型绕组即绕组可事先经过绝缘处理后再放入槽内。

 

　　开口型槽：用以嵌放成型绕组，绝缘方法方便，主要用在高压电机中。

 

　　2、定子绕组

 

　　作用：是电动机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。

 

　　构造：由三个在空间互隔120°电角度、对称排列的结构完全相同绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。

 

　　定子绕组的主要绝缘项目有以下三种：（保证绕组的各导电部分与铁心间的可靠绝缘以及绕组本身间的可靠绝缘）。

 

　　⑴对地绝缘：定子绕组整体与定子铁心间的绝缘。

 

　　⑵相间绝缘：各相定子绕组间的绝缘。

 

　　⑶匝间绝缘：每相定子绕组各线匝间的绝缘。

 

　　电动机接线盒内的接线：

 

　　电动机接线盒内都有一块接线板，三相绕组的六个线头排成上下两排，并规定上排三个接线桩自左至右排列的编号为1（U1）、2（V1）、3（W1），下排三个接线桩自左至右排列的编号为6（W2）、4（U2）、5（V2），。将三相绕组接成星形接法或三角形接法。凡制造和维修时均应按这个序号排列。

 

　　3、机座

 

　　作用：固定定子铁心与前后端盖以支撑转子，并起防护、散热等作用。

 

　　构造：机座通常为铸铁件，大型异步电动机机座一般用钢板焊成，微型电动机的机座采用铸铝件。封闭式电机的机座外面有散热筋以增加散热面积，防护式电机的机座两端端盖开有通风孔，使电动机内外的空气可直接对流，以利于散热。

 

　　（二）转子（旋转部分）

 

　　1、三相异步电动机的转子铁心：

 

　　作用：作为电机磁路的一部分以及在铁心槽内放置转子绕组。

 

　　构造：所用材料与定子一样，由0.5毫米厚的硅钢片冲制、叠压而成，硅钢片外圆冲有均匀分布的孔，用来安置转子绕组。通常用定子铁心冲落后的硅钢片内圆来冲制转子铁心。一般小型异步电动机的转子铁心直接压装在转轴上，大、中型异步电动机（转子直径在300~400毫米以上）的转子铁心则借助与转子支架压在转轴上。

 

　　2、三相异步电动机的转子绕组

 

　　作用：切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转。

 

　　构造：分为鼠笼式转子和绕线式转子。

 

　　⑴鼠笼式转子：转子绕组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的端环组成。若去掉转子铁心，整个绕组的外形像一个鼠笼，故称笼型绕组。小型笼型电动机采用铸铝转子绕组，对于100KW以上的电动机采用铜条和铜端环焊接而成。

 

　　⑵绕线式转子：绕线转子绕组与定子绕组相似，也是一个对称的三相绕组，一般接成星形，三个出线头接到转轴的三个集流环上，再通过电刷与外电路联接。

 

　　特点：结构较复杂，故绕线式电动机的应用不如鼠笼式电动机广泛。但通过集流环和电刷在转子绕组回路中串入附加电阻等元件，用以改善异步电动机的起、制动性能及调速性能，故在要求一定范围内进行平滑调速的设备，如吊车、电梯、空气压缩机等上面采用。

 

　　（三）三相异步电动机的其它附件

 

　　1、端盖：支撑作用。

 

　　2、轴承：连接转动部分与不动部分。

 

　　3、轴承端盖：保护轴承。

 

　　4、风扇：冷却电动机。

 

　　注意事项

 

　　⑴在拆卸前，要用压缩空气吹净电机表面灰尘，并将表面污垢擦拭干净。

 

　　⑵选择电机解体的工作地点，清理现场环境。

 

　　⑶熟悉电机结构特点和检修技术要求。

 

　　⑷准备好解体所需工具（包括专用工具）和设备。

 

　　⑸为了进一步了解电机运行中的缺陷，有条件时可在拆卸前做一次检查试验。为此，将电机带上负载试转，详细检查电机各部分温度、声音、振动等情况，并测试电压、电流、转速等，然后再断开负载，单独做一次空载检查试验，测出空载电流和空载损耗，做好记录。

 

　　⑹切断电源，拆除电机外部接线，做好记录。

 

　　⑺选用合适电压的兆欧表测试电机绝缘电阻。为了跟上次检修时所测的绝缘电阻值相比较以判断电机绝缘变化趋势和绝缘状态，应将不同温度下测出的绝缘电阻值换算到同一温度，一般换算至75℃。

 

　　⑻测试吸收比K。当吸收比大于1.33时，表明电机绝缘不曾受潮或受潮程度不严重。为了跟以前数据进行比较，同样要将任意温度下测得的吸收比换算到同一温度。

　　电动机工作原理

　　当你把电源的正极接到电动机的一端，负极接到电动机的另一端，电动机开始正转，如果交换电动机的里两个电极，则电动机反转。这就是我们控制电动机的原理。

　　当电动机的一端为逻辑1的时候，即在本例中A点为＋12V电压，电动机正转。当A点为逻辑0的时候（接地），电动机停止转动。示意图如下：

　　和上图类似，当电动机的另一端为逻辑1的时候，即在本例中B点为＋12V电压，电动机反转。当B点为逻辑0的时候（接地），电动机停止转动。示意图如下：　　电动机速度控制

　　通过控制A或B的开关，（形成脉冲）可以使得电动机获得不同的扭矩，从而产生不同的速度。

　　如果你希望用一个电路控制电动机的正转和反转，这就需要更多的电路，你就会需要H-Bridge（叫H是因为和下图的外形相似）其电路图如下：

　　如果合上A和D，也就是A=1，B=0，C=0，D=1，电动机正转，示意图如下：

　　如果合上B和C，也就是A=0，B=1，C=1，D=0，电动机正转，示意图如下：

　　半导体H-Bridge

　　利用晶体管或者场效应管，我们能更好控制电动机。

　　用PNP晶体管或者P沟道场效应管，作为电动机的电源端

　　用NPN晶体管或者N沟道场效应管，作为电动机的接地端

　　示意图如下：

　　如果你使得A和B导通，就会产生刹车效果（C和D也是如此）。

　　原因是电动机是一台发电机，在转动得从时候，就会产生电压，当A和B同时导通的时候，就相当于将A和B短接，电动机产生的电压会使得电动机自身停止转动。其效果就如同刹车一样。

　　为了更好的保护晶体管，应该增加二极管来阻止电动机在电源打开和关断时所产生的电压。

　　这个电压有可能是供电电压的好几倍，如果不用二极管，有可能会使得晶体管烧毁。

　　因此我常用下图的连接方式：

　　作为半导体器件，晶体管会有电阻，这会使得在通过大的电流的时候发热，也就是说不能有太大的电流通过。

　　而同样作为半导体器件，MOSFET可以通过更加多得电流而不至于发热烧毁，而且通常MOSFET内含了二极管，因此，就不需要再去连接一个二极管。

　　如果MOSFET来制作H-Bridge则A和B要用P沟道MOSFET。C和D要用N沟道MOSFET

　　N沟道MOSFET要比P沟道MOSFET便宜，但是N沟道MOSFET来做A和B的话需要7V的电压，这比提供的电压要大。

　　合理的开关H-Bridge的四个端口是很重要的，如果A和C导通的话，就相当于短路，这是十分危险的。所以我们建议用H-Bridge芯片，因为现有的H-Bridge芯片则既安全又简单。