有刷直流電機(jī)被廣泛用于從玩具到按鈕調(diào)節(jié)式汽車坐椅的應(yīng)用中。有刷直流 （Brushed DC，BDC）電機(jī)價(jià)格便宜、易于驅(qū)動(dòng)并且易于制造成各種尺寸和形狀。本應(yīng)用筆記將討論BDC電機(jī)的工作原理、驅(qū)動(dòng)BDC電機(jī)的方法以及將驅(qū)動(dòng)電路與PIC唀片機(jī)接口的方法。

有刷直流電機(jī)工作原理詳解

圖1給出了一個(gè)簡(jiǎn)單BDC電機(jī)的結(jié)構(gòu)。所有BDC 電機(jī)的基本組件都是一樣的：定子、電刷和換向器。后面將更詳細(xì)地介紹每個(gè)組件。

圖一 簡(jiǎn)單的雙磁極有刷直流電機(jī)

定子

定子會(huì)在轉(zhuǎn)子周圍產(chǎn)生固定的磁場(chǎng)。這一磁場(chǎng)可由永磁體或電磁繞組產(chǎn)生。BDC電機(jī)的類型由定子的結(jié)構(gòu)或電磁繞組連接到電源的方式劃分 （欲知BDC電機(jī)的不同類型請(qǐng)參見(jiàn)步進(jìn)電機(jī)的類型）。

轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子（也稱為電樞）由一個(gè)或多個(gè)繞組構(gòu)成。當(dāng)這些繞組受到激勵(lì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的磁極將與定子磁場(chǎng)的相反磁極相吸引，從而使定子旋轉(zhuǎn)。在電機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，會(huì)按不同的順序持續(xù)激勵(lì)繞組，因此轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁極絕不會(huì)與定子產(chǎn)生的磁極重疊。轉(zhuǎn)子繞組中磁場(chǎng)的這種轉(zhuǎn)換被稱為換向。

電刷和換向器

與其他電機(jī)類型 （即，無(wú)刷直流電機(jī)和交流感應(yīng)電機(jī)）不同，BDC電機(jī)不需要控制器來(lái)切換電極繞組中電流的方向，而是通過(guò)機(jī)械的方式完成BDC電機(jī)繞組的換向。在BDC電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝有一個(gè)分片式銅套，稱為換向器。隨著電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，碳刷會(huì)沿著換向器滑動(dòng)，與換向器的不同分片接觸。這些分片與不同的轉(zhuǎn)子繞組連接，因此，當(dāng)通過(guò)電機(jī)的電刷上電時(shí)，就會(huì)在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的磁場(chǎng)。注意電刷和換向器由于兩者之間存在相對(duì)滑動(dòng)，因而是BDC電機(jī)中最容易損耗的部分，這一點(diǎn)很重要。

步進(jìn)電機(jī)的類型

如前所述，BDC電機(jī)的各種類型用定子中固定磁場(chǎng)的產(chǎn)生方式來(lái)區(qū)別。本節(jié)將討論BDC電機(jī)的不同類型，以及每種類型的優(yōu)缺點(diǎn)。

永磁體

永磁體有刷直流 （Permanent Magnet Brushed DC ，PMDC）電機(jī)是世界上最常見(jiàn)的BDC電機(jī)。這類電機(jī)使用永磁體產(chǎn)生定子磁場(chǎng)。PMDC電機(jī)通常用在包括分馬力電動(dòng)機(jī)在內(nèi)的應(yīng)用中，這是因?yàn)橛来朋w比繞組定子具有更高的成本效益。PMDC電機(jī)的缺點(diǎn)是永磁體的磁性會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸衰退。 某些PMDC電機(jī)的永磁體上還繞有繞組，以防止磁性丟失的情況發(fā)生。PMDC電機(jī)的性能曲線 （電壓與速度關(guān)系曲線）的線性非常好。電流與轉(zhuǎn)矩成線性關(guān)系。由于定子磁場(chǎng)是恒定的，所以這類電機(jī)對(duì)電壓變化的響應(yīng)非?？?。

并激

并激有刷直流（Shunt-wound Brushed DC，SHWDC）電機(jī)的勵(lì)磁線圈與電樞并聯(lián) 。勵(lì)磁線圈中的電流與電樞中的電流相互獨(dú)立。 因此，這類電機(jī)具有卓越的速度控制能力。SHWDC電機(jī)通常用在需要五個(gè)或五個(gè)以上馬力的應(yīng)用中。在SHWDC電機(jī)中，不會(huì)出現(xiàn)磁性丟失的問(wèn)題，因此它們通常比PMDC電機(jī)更加可靠。

串激

串激有刷直流 （Series-wound Brushed DC，SWDC）電機(jī)的勵(lì)磁線圈與電樞串聯(lián)。由于定子和電樞中的電流均隨負(fù)載的增加而增加，因此這類電機(jī)是大轉(zhuǎn)矩應(yīng)用的理想之選。SWDC電機(jī)的缺點(diǎn)是它不能像PMDC和SHWDC電機(jī)那樣對(duì)速度進(jìn)行精確控制。

復(fù)激

復(fù)激 （Compound Wound，CWDC）電機(jī)是并激和串激電機(jī)的結(jié)合體。如圖5所示，CWDC電機(jī)可產(chǎn)生串激和并激兩種磁場(chǎng)。CWDC電機(jī)綜合了SWDC和SHWDC電機(jī)的性能，它具有比SHWDC電機(jī)更大的轉(zhuǎn)矩，又能提供比SWDC電機(jī)更佳的速度控制。

基本驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路用在使用了某類控制器并且要求速度控制的應(yīng)用中。驅(qū)動(dòng)電路的目的是為控制器提供改變BDC電機(jī)中繞組電流的方法。本節(jié)中討論的驅(qū)動(dòng)電路允許控制器對(duì)BDC電機(jī)的供電電壓進(jìn)行脈寬調(diào)制。就功耗來(lái)說(shuō)，這樣的速度控制方法在改變BDC電機(jī)的速度方面比起傳統(tǒng)的模擬控制方法效率要高很多。傳統(tǒng)的模擬控制要求與電機(jī)繞組串聯(lián)一個(gè)額外的變阻器，這樣會(huì)降低效率。驅(qū)動(dòng)BDC電機(jī)的方法多種多樣。 有些應(yīng)用場(chǎng)合僅要求電機(jī)往一個(gè)方向運(yùn)轉(zhuǎn)。圖6和圖7給出了向一個(gè)方向驅(qū)動(dòng)BDC電機(jī)的電路。前者采用低端驅(qū)動(dòng)，后者采用高端驅(qū)動(dòng)。 使用低端驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是可以不必使用FET驅(qū)動(dòng)器。FET驅(qū)動(dòng)器的用途是：

1、將驅(qū)動(dòng)MOSFET的TTL信號(hào)轉(zhuǎn)換為供電電壓的電平。

2、提供足以驅(qū)動(dòng)MOSFET的電流（1）

3、提供半橋應(yīng)用中的電平轉(zhuǎn)換。

注1：對(duì)于絕大多數(shù)PIC唀片機(jī)應(yīng)用，第二點(diǎn)通常不適用，這是因?yàn)?a target="_blank">PIC單片機(jī)的I/O引腳可提供20 mA的拉電流。

注意，在每個(gè)電路中，電機(jī)的兩端都跨接有一個(gè)二極管，目的是防止反電磁通量（Back ElectromagneticFlux，BEMF）電壓損壞MOSFET。BEMF是在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的。 當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，電機(jī)的繞組仍然處于通電狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)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。

圖6和圖7中的電阻R1和R2對(duì)于每個(gè)電路的工作很重要。R1用于保護(hù)單片機(jī)免遭電流突增的破壞，R2用于確保在輸入引腳處于三態(tài)時(shí)，Q1關(guān)斷。

BDC電機(jī)的雙向控制需要一個(gè)稱為H橋的電路。H橋的得名緣于其原理圖的外觀，它能夠使電機(jī)繞組中的電流沿兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。要理解這一點(diǎn)，H橋必須被分為兩個(gè)部分，或兩個(gè)半橋。 如圖8所示，Q1和Q2構(gòu)成一個(gè)半橋，而Q3和Q4構(gòu)成另一個(gè)半橋。每個(gè)半橋都能夠控制BDC電機(jī)一端的導(dǎo)通與關(guān)斷，使其電勢(shì)為供應(yīng)電壓或地電位。例如，當(dāng)Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷時(shí)，電機(jī)的左端將處于供電電壓的電勢(shì)。導(dǎo)通Q4，保 持Q3關(guān)斷將使電機(jī)的相反端接地。標(biāo)注有箭頭的IFWD顯示了該配置下電流的流向。

注意，每個(gè)MOSFET的兩端都跨接有一個(gè)二極管（D1-D4）。這些二極管保護(hù)MOSFET免遭MOSFET關(guān)斷時(shí)由BEMF產(chǎn)生的電流尖峰的破壞。只有在MOSFET內(nèi)部的二極管不足以消耗BEMF電流時(shí)，才需要這些二極管。電容 （C1-C4）是可選的。 這些電容的值通常不大于10 pF，它們用于減少由于換向器起拱產(chǎn)生的RF輻射。

表1給出了H橋電路的不同驅(qū)動(dòng)模式。在前向和后向模式中，橋的一端處于地電勢(shì)，另一端處于VSUPPLY。在圖8 中，IFWD和IRVS箭頭分別描繪了前向和后向運(yùn)行模式的電路路徑。在慣性滑行 （Coast）模式中，電機(jī)繞組的接線端保持懸空，電機(jī)靠慣性滑行直至停轉(zhuǎn)。 剎車（Brake）模式用于快速停止BDC電機(jī)。 在剎車模式下，電機(jī)的接線端接地。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，它充當(dāng)一個(gè)發(fā)電機(jī)。將電機(jī)的引線短路相當(dāng)于電機(jī)帶有無(wú)窮大負(fù)載，可使電機(jī)快速停轉(zhuǎn)。IBRK箭頭描繪了這一點(diǎn)

設(shè)計(jì)H橋電路時(shí)，必須要考慮到一個(gè)非常重要的事項(xiàng)。當(dāng)電路的輸入不可預(yù)測(cè) （比如單片機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中）時(shí)，必須將所有的MOSFET偏置到關(guān)斷狀態(tài)。 這將確保H橋每個(gè)半橋上的MOSFET絕不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。 同時(shí)導(dǎo)通同一個(gè)半橋上的MOSFET將導(dǎo)致電源短路，最終導(dǎo)致?lián)p壞MOSFET，致使電路無(wú)法工作。每個(gè)MOSFET驅(qū)動(dòng)器輸入端上的下拉電阻將實(shí)現(xiàn)該功能（配置圖請(qǐng)見(jiàn)圖8）。

速度控制

BDC電機(jī)的速度與施加給電機(jī)的電壓成正比。當(dāng)使用數(shù)控技術(shù)時(shí)，脈寬調(diào)制 （PWM）信號(hào)被用來(lái)產(chǎn)生平均電壓。電機(jī)的繞組充當(dāng)一個(gè)低通濾波器，因此具有足夠頻率的PWM信號(hào)將會(huì)在電機(jī)繞組中產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的電流。平均電壓、供電電壓和占空比的關(guān)系由以下公式給出：

公式1：VAVERAGE= D ×VSUPPLY

速度和占空比之間成正比關(guān)系。例如，如果額定BDC電機(jī)在12V時(shí)以轉(zhuǎn)速15000 RPM旋轉(zhuǎn)，則當(dāng)給電機(jī)施加占空比為50%的信號(hào)時(shí)，則電機(jī)將 （理想情況下）以7500 RPM的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。PWM信號(hào)的頻率是考慮的重點(diǎn)。頻率太低會(huì)導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)低，噪音較大，并且對(duì)占空比變化的響應(yīng)過(guò)慢。

頻率太高，則會(huì)因開(kāi)關(guān)設(shè)備的開(kāi)關(guān)損耗而降低系統(tǒng)的效率。經(jīng)驗(yàn)之談是在4 kHz至20 kHz范圍內(nèi)，調(diào)制輸入信號(hào)的頻率。這個(gè)范圍足夠高，電機(jī)的噪音能夠得到衰減，并且此時(shí)MOSFET（或BJT）中的開(kāi)關(guān)損耗也可以忽略。一般來(lái)說(shuō)，針對(duì)給定的電機(jī)用實(shí)驗(yàn)的辦法找到滿意的PWM頻率是一個(gè)好辦法。如何使用PIC單片機(jī)來(lái)產(chǎn)生控制BDC電機(jī)速度的PWM信號(hào)？一個(gè)方法是通過(guò)編寫專門的匯編或C代碼來(lái)交替翻轉(zhuǎn)輸出引腳的電平（1）。另一個(gè)方法是選擇帶有硬件PWM模塊的PIC單片機(jī)。Microchip提供的具有該功能的模塊為CCP和ECCP模塊。許多PIC單片機(jī)都具有CCP和ECCP模塊。請(qǐng)參見(jiàn)產(chǎn)品選型指南了解具有這些功能模塊的器件。

注 1：Microchip的應(yīng)用筆記AN847給出了使用固件對(duì)I/O 引腳進(jìn)行脈寬調(diào)制的匯編代碼例程。

CCP模塊 （捕捉比較和PWM（Capture Compare和PWM）的英文縮寫）能夠在一個(gè)I/O引腳上輸出分辨率為10位的PWM信號(hào)。10位分辨率意味著模塊可以在0%至100%的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)210（即1024）個(gè)可能的占空比值。使用該模塊的優(yōu)點(diǎn)是它能在I/O 引腳上自主產(chǎn)生PWM信號(hào)，這樣解放了處理器，使之有時(shí)間完成其他任務(wù)。CCP模塊僅要求開(kāi)發(fā)者對(duì)模塊的參數(shù)進(jìn)行配置。 配置模塊包括設(shè)置頻率和占空比寄存器。ECCP模塊 （增強(qiáng)型捕捉比較和PWM（EnhancedCapture Compare和PWM）的英文縮寫）不僅能提供CCP模塊的所有功能，還可以驅(qū)動(dòng)全橋或半橋電路。ECCP模塊還具有自動(dòng)關(guān)斷功能和可編程死區(qū)延時(shí)。

注： Microchip的應(yīng)用筆記AN893給出了配置ECCP模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)BDC電機(jī)的詳細(xì)說(shuō)明。該應(yīng)用筆記中還包含有固件和驅(qū)動(dòng)電路示例。

反饋機(jī)制

雖然BDC電機(jī)的速度一般與占空比成正比，但不存在完全理想的電機(jī)。發(fā)熱、換向器磨損以及負(fù)載均會(huì)影響電機(jī)的速度。 在需要精確控制速度的系統(tǒng)中引入某種反饋機(jī)智是個(gè)好注意。速度控制可以兩種方式實(shí)現(xiàn)。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(jī)產(chǎn)生的BEMF電壓。

傳感器反饋

有多種傳感器可用于速度反饋。最常見(jiàn)的是光學(xué)編碼器和霍爾效應(yīng)傳感器。 光學(xué)編碼器由多個(gè)組件組成。在電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端的軸上安裝一個(gè)槽輪。一個(gè)紅外LED在輪的一側(cè)提供光源，一個(gè)光電晶體管在輪的另一側(cè)對(duì)光線進(jìn)行檢測(cè) （見(jiàn)圖9）。 通過(guò)輪中槽隙的光線會(huì)使光電晶體管導(dǎo)通。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電晶體管會(huì)隨著光線通過(guò)輪槽與否導(dǎo)通和關(guān)斷。晶體管通斷的頻率表征電機(jī)的速度。在電機(jī)發(fā)生移位的應(yīng)用中，還將使用光學(xué)編碼器來(lái)反饋電機(jī)位置。

霍爾效應(yīng)傳感器也被用來(lái)提供速度反饋。與光學(xué)編碼器類似，霍爾效應(yīng)傳感器需要電機(jī)上連有一個(gè)旋轉(zhuǎn)元件，并且還需要一個(gè)靜止元件。旋轉(zhuǎn)元件是一個(gè)外緣安裝有一個(gè)或多個(gè)磁體的轉(zhuǎn)輪。靜止的傳感器檢測(cè)經(jīng)過(guò)的磁體，并產(chǎn)生TTL脈沖。圖10顯示了霍爾效應(yīng)傳感器的基本組成部分。

反電磁通量 （BEMF）

提供BDC電機(jī)的快速反饋的另一種形式是BEMF電壓測(cè)量。BEMF電壓和速度成正比。 圖11顯示了在雙向驅(qū)動(dòng)電路中測(cè)量BEMF電壓的位置。一個(gè)分壓器用于使BEMF電壓下降到0-5V范圍內(nèi)，這樣才能被模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀取。BEMF電壓是在PWM脈沖之間，當(dāng)電機(jī)的一端懸空而另一端接地時(shí)測(cè)量的。在這種情況下，電機(jī)充當(dāng)發(fā)電機(jī)，并且產(chǎn)生與速度成正比的BEMF電壓。

由于效率和材料不同，所有BDC電機(jī)的行為會(huì)略有不同。實(shí)驗(yàn)是確定給定電機(jī)速度下BEMF電壓的最好方法。 電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的反射帶有助于數(shù)字轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速（單位為RPM）。在讀取數(shù)字轉(zhuǎn)速計(jì)時(shí)測(cè)量BEMF電壓將獲取電機(jī)速度和BEMF電壓的關(guān)系。

注： Microchip的應(yīng)用筆記AN893提供了使用PIC16F684讀取BEMF電壓的固件和電路示例。

結(jié)論

有刷直流電機(jī)的使用和控制都非常簡(jiǎn)便，因此它的設(shè)計(jì)周期較短。PIC單片機(jī)，特別是具有CCP或ECCP模塊的單片機(jī)是驅(qū)動(dòng)BDC電機(jī)的理想之選。