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    直流電機深入講解


    原理簡述直流電機是利用磁場和導體的相互作用將電能轉換成旋轉機械能的機電裝置(前面已有文章詳解,可翻閱查看),直流電機是連續的執行器,將電能轉化為機械能,通過產生連續角度來實現旋轉。我們可以把電動機分為三種:AC電機、DC電機、步進電機。AC電機大多用于高功率單相或多相應用中,具體的可以在網絡上尋找資料。本篇文章主要介紹直流電機。



    ·基本直流電機


    直流電機可以容易地控制旋轉其速度,從而使它們適合于應用中使用是速度控制,伺服類型的控制,直流電機由兩部分組成,“定子”是靜止部分,“轉子”是旋轉部分,直流電機也可分為三類


    ※有刷電機:直流電機通過使電流通過換向器和碳刷組件在繞線轉子(旋轉部件)中產生磁場,因此稱為“拉絲”。定子(靜止部分)磁場通過使用繞線定子勵磁繞組或永磁體產生。通常有刷直流電機便宜,小且易于控制;


    ※無刷電機:直流電機通過使用連接在其上的永磁體在轉子中產生磁場,并且通過電子方式實現換向。它們通常比傳統的有刷直流電機更小但更昂貴,因為它們在定子中使用“霍爾效應”開關來產生所需的定子磁場旋轉順序,但它們具有更好的扭矩/速度特性,更高效并且具有更長的使用壽命比同等拉絲類型;


    ※伺服電機:直流電機基本上是有刷直流電機,其某種形式的位置反饋控制連接到轉子軸。它們連接到PWM型控制器并由其控制,主要用于位置控制系統和無線電控制模型。


    直流電機

    有刷微型直流電機


    普通直流電機具有幾乎線性的特性,其旋轉速度由施加的直流電壓決定,其輸出轉矩由流過電動機繞組的電流決定。任何直流電機的旋轉速度可以從幾分鐘每分鐘(rpm)到數千轉每分鐘變化,使其適用于電子,汽車或機器人應用。通過將它們連接到齒輪箱或齒輪系,可以降低它們的輸出速度,同時以高速增加電動機的扭矩輸出。


    “拉絲”直流電機


    傳統的有刷直流電機基本上由兩部分組成,電動機的靜止體稱為定子,內部部分旋轉產生稱為轉子的運動或用于直流電機的“電樞”。電動機繞線定子是一個電磁鐵電路,由電氣線圈組成,它們以圓形結構連接在一起,產生所需的北極,然后是一個南極,然后是一個北極等,用于旋轉的固定磁場系統,不像交流電機那樣。定子磁場隨施加的頻率連續旋轉。在這些勵磁線圈內流動的電流稱為電動機勵磁電流。形成定子磁場的這些電磁線圈可以與電動機電樞串聯,并聯或同時電連接(復合)。串聯繞組直流電機的定子勵磁繞組與電樞串聯連接。同樣,并聯繞組直流電機的定子勵磁繞組與電樞并聯連接,如圖所示。

    串聯和并聯直流電動機示意圖

    串聯和并聯直流電動機示意圖



    串聯和并聯直流電機


    直流電機的轉子或電樞由在一端連接在一起的電流承載導體組成,稱為換向器的電隔離銅段。換向器允許在電樞旋轉時通過碳刷(因此稱為“刷”電機)與外部電源進行電連接。由轉子設定的磁場試圖使其自身與固定的定子磁場對準,導致轉子在其軸上旋轉,但由于換向延遲而不能自身對準。電動機的轉速取決于轉子磁場的強度,并且轉子旋轉得越快,施加到電動機的電壓越大。通過改變該施加的DC電壓,也可以改變電動機的轉速。


    傳統(有刷)直流電機


    有刷直流電機示意圖


    永磁體(PMDC)有刷直流電機通常比其等效繞線定子型直流電機同類物體小得多且便宜,因為它們沒有勵磁繞組。在永磁直流(PMDC)電動機中,這些勵磁線圈被強稀土(即Samarium Cobolt或釹鐵硼)型磁體取代,這些磁體具有非常高的磁場。永磁體的使用使得直流電機比等效的繞線電機具有更好的線性速度/轉矩特性,因為它具有永久性且有時非常強的磁場,使得它們更適合用于模型,機器人和伺服系統。雖然直流有刷電機非常有效且便宜,但是與有刷直流電機相關的問題是在換向器和碳刷的兩個表面之間的重負載條件下發生火花,導致自發熱,壽命短和由于火花引起的電噪聲這會損壞任何半導體開關器件,如晶體管。為了克服這些缺點,開發了無刷直流電機。


    “無刷”直流電機


    無刷直流電機(BDCM)與永磁直流電機非常相似,但由于換向器火花,沒有任何電刷可以更換或磨損。因此,轉子中產生的熱量很少,從而增加了電動機的壽命。無刷電機的設計通過使用更復雜的驅動電路消除了對電刷的需要,轉子磁場是永磁體,其總是與定子磁場同步,允許更精確的速度和轉矩控制。然后,無刷直流電機的結構與交流電動機非常相似,使其成為真正的同步電動機,但缺點是它比同等的“刷式”電動機設計更昂貴。無刷直流電機的控制與普通有刷直流電機的控制非常不同,因為這種類型的電動機包含一些裝置來檢測產生控制半導體開關所需的反饋信號所需的轉子角位置(或磁極)。設備。最常見的位置/極傳感器是“霍爾效應傳感器”,但有些電機也使用光學傳感器。使用霍爾效應傳感器,電磁鐵的極性由電機控制驅動電路切換。然后,電機可以輕松地與數字時鐘信號同步,從而提供精確的速度控制。無刷直流電機可以構造成具有外部永磁轉子和內部電磁鐵定子或內部永磁轉子和外部電磁鐵定子。無刷直流電機與其“拉絲”表兄相比的優點是效率更高,可靠性高,電噪聲低,速度控制更好,更重要的是,沒有電刷或換向器磨損產生更高的速度。然而,它們的缺點是它們更昂貴并且控制更復雜。


    直流伺服電機


    直流伺服電機用于閉環型應用,輸出電機軸的位置反饋到電機控制電路。典型的位置“反饋”設備包括旋轉變壓器,編碼器和電位計,用于無線電控制模型,如飛機和船只等。伺服電動機通常包括用于減速的內置齒輪箱,并且能夠直接提供高扭矩。由于安裝了變速箱和反饋裝置,伺服電機的輸出軸不像直流電機的軸那樣自由旋轉。



    直流伺服電機方框圖


    直流伺服電機方框圖
    伺服電機由直流電機,減速齒輪箱,位置反饋裝置和某種形式的糾錯裝置組成。相對于施加到設備的位置輸入信號或參考信號來控制速度或位置。誤差檢測放大器查看此輸入信號并將其與電機輸出軸的反饋信號進行比較,并確定電機輸出軸是否處于錯誤狀態,如果是,則控制器進行適當的修正,以加速電機或減速它失敗了。這種對位置反饋裝置的響應意味著伺服電動機在“閉環系統”內運行。除大型工業應用外,伺服電機還用于小型遙控模型和機器人技術,大多數伺服電機能夠在兩個方向上旋轉約180度,使其成為精確角度定位的理想選擇。然而,除非經過特殊修改,否則這些RC型伺服電機不能像傳統的直流電機那樣高速連續旋轉。伺服電機由一個包裝中的多個裝置,電機,變速箱,反饋裝置和用于控制位置,方向或速度的誤差校正組成。它們廣泛用于機器人和小型模型,因為它們只需使用三根電線即電源,接地和信號控制即可輕松控制。


    直流電機切換和控制


    小型直流電機可通過開關,繼電器,晶體管或MOSFET電路“開”或“關”切換,最簡單的電機控制形式為“線性”控制。這種類型的電路使用雙極晶體管作為開關(也可以使用達林頓晶體管,需要更高的額定電流)來控制單個電源的電動機。通過改變流入晶體管的基極電流量,可以控制電動機的速度,例如,如果晶體管“半路”接通,則只有一半的電源電壓流向電動機。如果晶體管“完全導通”(飽和),則所有電源電壓都會進入電機并且旋轉得更快。然后,對于這種線性控制,電源會不斷地輸送到電機如下所示。


    直流電機速度控制 


    直流電機速度控制電路圖


    上面的簡單開關電路顯示了用于單向(僅一個方向)電動機速度控制電路的電路。由于直流電機的轉速與其兩端的電壓成正比,我們可以使用晶體管調節該端電壓。兩個晶體管作為達林頓對連接,以控制電動機的主電樞電流。甲5kΩ的電位器是用于基極驅動量控制到所述第一導頻晶體管TR 1,這反過來又控制主開關晶體管,TR 2允許馬達的DC電壓,從0到Vcc被改變,在此實例9~12伏。可選的續流二極管連接在開關晶體管TR 2和電機端子兩端,以防止電機旋轉時產生的任何反電動勢??烧{電位器可以用連續邏輯“1”或邏輯“0”信號代替,直接施加到電路輸入端,分別將電機“完全接通”(飽和)或“完全斷開”(切斷)切換來自微控制器或PIC的端口。


    除了這種基本的速度控制之外,同樣的電路也可用于控制電動機的轉速。通過以足夠高的頻率反復切換電機電流“ON”和“OFF”,電機的速度可以通過改變其標記 - 空間比率在靜止(0 rpm)和全速(100%)之間變化。供應。這是通過改變“ON”時間(t ON)與“OFF”時間(t OFF)的比例來實現的,這可以使用稱為脈沖寬度調制的過程來實現。


    脈沖寬度速度控制


    我們之前說過,直流電機的轉速與其端子上的平均(平均)電壓值成正比,并且該值越高,直到最大允許電機電壓,電機旋轉得越快。換句話說,更多電壓更快。通過改變“ON”(t ON)時間和“OFF”(t OFF)持續時間之間的比率,稱為“負載比”,“標記/空間比”或“負載比”,平均值電動機電壓因此可以改變其轉速。對于簡單的單極驅動器,負載比β如下:


    直流電機負載比


    ※輸入電動機的平均直流輸出電壓如下:Vmean =β×Vsupply。然后,通過改變脈沖寬度a,可以控制電動機電壓并因此控制施加到電動機的功率,并且這種類型的控制被稱為脈沖寬度調制或PWM;

    ※控制電動機轉速的另一種方法是改變頻率(并因此改變控制電壓的時間周期),同時“ON”和“OFF”負載比時間保持恒定。這種類型的控制稱為脈沖頻率調制或PFM;

    ※利用脈沖頻率調制,通過施加可變頻率的脈沖來控制電動機電壓,例如,以低頻率或以非常少的脈沖施加到電動機的平均電壓低,因此電動機速度慢。在較高頻率或具有許多脈沖時,平均電動機端子電壓增加并且電動機速度也將增加;

    ※然后,晶體管可用于控制施加到直流電機的功率,其操作模式為“線性”(改變電機電壓),“脈沖寬度調制”(改變脈沖寬度)或“脈沖頻率”調制“(改變脈沖的頻率)。


    反轉直流電機的方向


    雖然用單個晶體管控制DC電動機的速度具有許多優點,但它也有一個主要缺點,旋轉方向總是相同的,它是一個“單向”電路。在許多應用中,我們需要在前后兩個方向上操作電機。為了控制直流電機的方向,必須反轉施加到電機連接的直流電源的極性,使其軸向相反方向旋轉??刂艱C電機旋轉方向的一種非常簡單且廉價的方法是使用以下列方式布置的不同開關:

    直流電機方向控制電路圖


    第一個電路使用單個雙刀雙擲(DPDT)開關來控制電機連接的極性。通過切換觸點,電機端子的電源反轉,電機反轉方向。第二個電路稍微復雜一些,并使用四個以“H”配置排列的單刀單擲(SPST)開關;

    機械開關布置成開關對,并且必須以特定組合操作以操作或停止DC電動機。例如,開關組合A + D控制正向旋轉,而開關B + C控制反向旋轉,如圖所示。開關組合A + B或C + D使電機端子短路,導致其快速制動。然而,以這種方式使用開關具有危險,因為操作開關A + C或B + D一起會使電源短路;

    雖然上面的兩個電路對于大多數小型直流電機應用都能很好地工作,但我們是否真的想要操作不同的機械開關組合來反轉電機的方向,不!我們可以更換一套機電繼電器的手動開關,并有一個正向反向按鈕或開關,甚至可以使用固態CMOS 4066B四邊形雙向開關。

    但另一種實現電機雙向控制(以及速度)的非常好的方法是將電機連接到晶體管H橋型電路裝置,如下所示。



    基本的雙向H橋電路


    直流電機H橋電路圖 

    上面的H橋電路之所以如此命名,是因為四個開關的基本配置,電子機械繼電器或晶體管類似于字母“H”,電機位于中心桿上。晶體管或MOSFET H橋可能是最常用的雙向直流電機控制電路之一。它在每個分支中使用“互補晶體管對” NPN和PNP,晶體管成對地一起切換以控制電動機。控制輸入A在一個方向上操作電動機,即正向旋轉,而輸入B在另一個方向上操作電動機,即反向旋轉。然后通過在它們的“對角線對”中切換晶體管“ON”或“OFF”導致電動機的方向控制。例如,當晶體管TR1為“ON”且晶體管TR2為“OFF”時,A點連接到電源電壓(+ Vcc),如果晶體管TR3為“OFF”且晶體管TR4為“ON”,則B點連接到0伏(GND)。然后,電動機將在一個方向上旋轉,該方向對應于電動機端子A為正,電動機端子B為負。如果切換狀態被顛倒,使得TR1是“OFF”,TR2是“ON”,TR3為“ON”和TR4為“OFF”時,電機電流現在將流在相反的方向使電機在相反的轉動方向。然后,通過向輸入A和B施加相反的邏輯電平“1”或“0”,可以控制電動機旋轉方向。


    ·直流步進電機


    與上述直流電機一樣,步進電機也是機電執行器,可將脈沖數字輸入信號轉換為離散(增量)機械運動,廣泛用于工業控制應用。步進電動機是一種同步無刷電動機,因為它沒有帶換向器和碳刷的電樞,但是具有由許多制成的轉子,一些類型具有數百個永磁齒和具有單獨繞組的定子。顧名思義,步進電機不像傳統直流電機那樣以連續方式旋轉,而是以離散的“步進”或“增量”運動,每個旋轉運動或步長的角度取決于定子極和轉子的數量步進電機有齒。由于它們的離散步進操作,步進電機可以很容易地旋轉一次有限的旋轉,例如1.8,3.6,7.5度等。例如,假設步進電機完成一整圈然后,電機的步進角為360度/ 100步=每步3.6度。該值通常稱為步進電機步進角。步進電機有三種基本類型,可變磁阻,永磁和混合(兩者的組合)。甲步進電機特別適用于需要精確的定位和可重復性一起啟動,停止,反轉和速度控制與步進電機的另一個關鍵特征的快速響應的應用程序,是能夠保持負載穩定能力,一旦需要的位置是實現。通常,步進電動機具有內轉子,該內轉子具有大量永磁“齒”,其中多個電磁鐵“齒”安裝在定子上。定子電磁鐵順序極化和去極化,使轉子一次旋轉一步。現代多極多齒步進電機的精度小于每步0.9(每轉400脈沖),主要用于高精度定位系統,如用于軟盤/硬盤驅動器中的磁頭,打印機/繪圖儀或機器人應用程序。最常用的步進電機是每轉200步進電機。它有一個50齒轉子,4相定子和1.8度的步進角(360度/(50×4))。


    步進電機的構造與控制


    可變頻步進電機示意圖

    在上面的可變磁阻步進電機的簡單示例中,電機由中心轉子組成,中心轉子由標記為A,B,C和D的四個電磁場線圈圍繞。所有具有相同字母的線圈連接在一起,以便激勵,例如標記為A的線圈將使磁轉子與該組線圈對齊。通過依次向每組線圈供電,轉子可以通過其步進角結構確定的角度從一個位置旋轉或“步進”,并且通過依次激勵線圈,轉子將產生旋轉運動。步進電機驅動器通過以設定順序激勵勵磁線圈來控制電機的步進角和速度,例如“ ADCB,ADCB,ADCB,A ... ”等,轉子將沿一個方向(向前)旋轉并通過將脈沖序列反轉為“ ABCD,ABCD,ABCD,A ...... ”等,轉子將沿相反方向(反向)旋轉♂因此,在上面的簡單示例中,步進電機有四個線圈,使其成為一個4相電機,定子上的極數為8(2 x 4),間隔為45度。轉子上的齒數是六個,相隔60度。然后有24個(6個齒x 4個線圈)可能的位置或“步驟”,轉子完成一整圈。


    因此,上面的步距角為:360° / 24 = 15 °。


    顯然,更多的轉子齒和/或定子線圈將導致更多的控制和更精細的步進角。另外,通過以不同的配置連接電動機的電線圈,可以實現全角度,半角度和微步角。然而,為了實現微步進,步進電機必須由(準)正弦電流驅動,該電流實施起來很昂貴。還可以通過改變施加到線圈的數字脈沖之間的時間延遲(頻率)來控制步進電機的旋轉速度,延遲越長,一整圈的速度越慢。通過向電動機施加固定數量的脈沖,電動機軸將旋轉給定角度。使用時間延遲脈沖的優點是不需要任何形式的附加反饋,因為通過計算給予電動機的脈沖數量,轉子的最終位置將是精確已知的。對一定數量的數字輸入脈沖的這種響應允許步進電機在“開環系統”中操作,使得控制更容易和更便宜。

    例如,假設我們的步進電機每步的步進角為3.6度。為了使電動機旋轉216度的角度然后再在需要位置停止,僅需要總共:216度/(3.6度/步)= 80脈沖施加到定子線圈。

    有許多步進電機控制器IC可用于控制步進速度,旋轉速度和電機方向。一個這樣的控制器IC是SAA1027,它內置了所有必要的計數器和代碼轉換功能,可以按正確的順序自動驅動4個完全控制的電橋輸出到電機。也可以在所選方向上選擇單步模式或連續(無級)旋轉來選擇旋轉方向,但這會給控制器帶來一些負擔。使用8位數字控制器時,每步也可以使用256個微步。


    以上內容就是關于直流電機的講解,更多的直流電機資訊請繼續關注我們。


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