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直流电机深入讲解


原理简述直流电机是利用磁场和导体的相互作用将电能转换成旋转机械能的机电装置(前面已有文章详解,可翻阅查看),直流电机是连续的实行器,将电能转化为机械能,通过产生连续角度来实现旋转。大家可以把电动机分为三种:AC电机、DC电机、步进电机。AC电机大多用于高功率单相或多相应用中,具体的可以在网络上寻找资料。本篇文章主要先容直流电机



·基本直流电机


直流电机可以容易地控制旋转其速度,从而使它们适合于应用中使用是速度控制,伺服类型的控制,直流电机由两部分组成,“定子”是静止部分,“转子”是旋转部分,直流电机也可分为三类


※有刷电机:直流电机通过使电流通过换向器和碳刷组件在绕线转子(旋转部件)中产生磁场,因此称为“拉丝”。定子(静止部分)磁场通过使用绕线定子励磁绕组或永磁体产生。通常有刷直流电机便宜,小且易于控制;


※无刷电机:直流电机通过使用连接在其上的永磁体在转子中产生磁场,并且通过电子方式实现换向。它们通常比传统的有刷直流电机更小但更昂贵,因为它们在定子中使用“霍尔效应”开关来产生所需的定子磁场旋转顺序,但它们具有更好的扭矩/速度特性,更高效并且具有更长的使用寿命比同等拉丝类型;


※伺服电机:直流电机基本上是有刷直流电机,其某种形式的位置反馈控制连接到转子轴。它们连接到PWM型控制器并由其控制,主要用于位置控制系统和无线电控制模型。


直流电机

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普通直流电机具有几乎线性的特性,其旋转速度由施加的直流电压决定,其输出转矩由流过电动机绕组的电流决定。任何直流电机的旋转速度可以从几分钟每分钟(rpm)到数千转每分钟变化,使其适用于电子,汽车或机器人应用。通过将它们连接到齿轮箱或齿轮系,可以降低它们的输出速度,同时以高速增加电动机的扭矩输出。


“拉丝”直流电机


传统的有刷直流电机基本上由两部分组成,电动机的静止体称为定子,内部部分旋转产生称为转子的运动或用于直流电机的“电枢”。电动机绕线定子是一个电磁铁电路,由电气线圈组成,它们以圆形结构连接在一起,产生所需的北极,然后是一个南极,然后是一个北极等,用于旋转的固定磁场系统,不像交流电机那样。定子磁场随施加的频率连续旋转。在这些励磁线圈内流动的电流称为电动机励磁电流。形成定子磁场的这些电磁线圈可以与电动机电枢串联,并联或同时电连接(复合)。串联绕组直流电机的定子励磁绕组与电枢串联连接。同样,并联绕组直流电机的定子励磁绕组与电枢并联连接,如图所示。

串联和并联直流电动机示意图

串联和并联直流电动机示意图



串联和并联直流电机


直流电机的转子或电枢由在一端连接在一起的电流承载导体组成,称为换向器的电隔离铜段。换向器允许在电枢旋转时通过碳刷(因此称为“刷”电机)与外部电源进行电连接。由转子设定的磁场试图使其自身与固定的定子磁场对准,导致转子在其轴上旋转,但由于换向延迟而不能自身对准。电动机的转速取决于转子磁场的强度,并且转子旋转得越快,施加到电动机的电压越大。通过改变该施加的DC电压,也可以改变电动机的转速。


传统(有刷)直流电机


有刷直流电机示意图


永磁体(PMDC)有刷直流电机通常比其等效绕线定子型直流电机同类物体小得多且便宜,因为它们没有励磁绕组。在永磁直流(PMDC)电动机中,这些励磁线圈被强稀土(即Samarium Cobolt或钕铁硼)型磁体取代,这些磁体具有非常高的磁场。永磁体的使用使得直流电机比等效的绕线电机具有更好的线性速度/转矩特性,因为它具有永久性且有时非常强的磁场,使得它们更适合用于模型,机器人和伺服系统。虽然直流有刷电机非常有效且便宜,但是与有刷直流电机相关的问题是在换向器和碳刷的两个表面之间的重负载条件下发生火花,导致自发热,寿命短和由于火花引起的电噪声这会损坏任何半导体开关器件,如晶体管。为了克服这些缺点,开发了无刷直流电机。


“无刷”直流电机


无刷直流电机(BDCM)与永磁直流电机非常相似,但由于换向器火花,没有任何电刷可以更换或磨损。因此,转子中产生的热量很少,从而增加了电动机的寿命。无刷电机的设计通过使用更复杂的驱动电路消除了对电刷的需要,转子磁场是永磁体,其总是与定子磁场同步,允许更精确的速度和转矩控制。然后,无刷直流电机的结构与交流电动机非常相似,使其成为真正的同步电动机,但缺点是它比同等的“刷式”电动机设计更昂贵。无刷直流电机的控制与普通有刷直流电机的控制非常不同,因为这种类型的电动机包含一些装置来检测产生控制半导体开关所需的反馈信号所需的转子角位置(或磁极)。设备。最常见的位置/极传感器是“霍尔效应传感器”,但有些电机也使用光学传感器。使用霍尔效应传感器,电磁铁的极性由电机控制驱动电路切换。然后,电机可以轻松地与数字时钟信号同步,从而提供精确的速度控制。无刷直流电机可以构造成具有外部永磁转子和内部电磁铁定子或内部永磁转子和外部电磁铁定子。无刷直流电机与其“拉丝”表兄相比的优点是效率更高,可靠性高,电噪声低,速度控制更好,更重要的是,没有电刷或换向器磨损产生更高的速度。然而,它们的缺点是它们更昂贵并且控制更复杂。


直流伺服电机


直流伺服电机用于闭环型应用,输出电机轴的位置反馈到电机控制电路。典型的位置“反馈”设备包括旋转变压器,编码器和电位计,用于无线电控制模型,如飞机和船只等。伺服电动机通常包括用于减速的内置齿轮箱,并且能够直接提供高扭矩。由于安装了变速箱和反馈装置,伺服电机的输出轴不像直流电机的轴那样自由旋转。



直流伺服电机方框图


直流伺服电机方框图
伺服电机由直流电机,减速齿轮箱,位置反馈装置和某种形式的纠错装置组成。相对于施加到设备的位置输入信号或参考信号来控制速度或位置。误差检测放大器查看此输入信号并将其与电机输出轴的反馈信号进行比较,并确定电机输出轴是否处于错误状态,如果是,则控制器进行适当的修正,以加速电机或减速它失败了。这种对位置反馈装置的响应意味着伺服电动机在“闭环系统”内运行。除大型工业应用外,伺服电机还用于小型遥控模型和机器人技术,大多数伺服电机能够在两个方向上旋转约180度,使其成为精确角度定位的理想选择。然而,除非经过特殊修改,否则这些RC型伺服电机不能像传统的直流电机那样高速连续旋转。伺服电机由一个包装中的多个装置,电机,变速箱,反馈装置和用于控制位置,方向或速度的误差校正组成。它们广泛用于机器人和小型模型,因为它们只需使用三根电线即电源,接地和信号控制即可轻松控制。


直流电机切换和控制


小型直流电机可通过开关,继电器,晶体管或MOSFET电路“开”或“关”切换,最简单的电机控制形式为“线性”控制。这种类型的电路使用双极晶体管作为开关(也可以使用达林顿晶体管,需要更高的额定电流)来控制单个电源的电动机。通过改变流入晶体管的基极电流量,可以控制电动机的速度,例如,如果晶体管“半路”接通,则只有一半的电源电压流向电动机。如果晶体管“完全导通”(饱和),则所有电源电压都会进入电机并且旋转得更快。然后,对于这种线性控制,电源会不断地输送到电机如下所示。


直流电机速度控制 


直流电机速度控制电路图


上面的简单开关电路显示了用于单向(仅一个方向)电动机速度控制电路的电路。由于直流电机的转速与其两端的电压成正比,大家可以使用晶体管调节该端电压。两个晶体管作为达林顿对连接,以控制电动机的主电枢电流。甲5kΩ的电位器是用于基极驱动量控制到所述第一导频晶体管TR 1,这反过来又控制主开关晶体管,TR 2允许马达的DC电压,从0到Vcc被改变,在此实例9~12伏。可选的续流二极管连接在开关晶体管TR 2和电机端子两端,以防止电机旋转时产生的任何反电动势。可调电位器可以用连续逻辑“1”或逻辑“0”信号代替,直接施加到电路输入端,分别将电机“完全接通”(饱和)或“完全断开”(切断)切换来自微控制器或PIC的端口。


除了这种基本的速度控制之外,同样的电路也可用于控制电动机的转速。通过以足够高的频率反复切换电机电流“ON”和“OFF”,电机的速度可以通过改变其标记 - 空间比率在静止(0 rpm)和全速(100%)之间变化。供应。这是通过改变“ON”时间(t ON)与“OFF”时间(t OFF)的比例来实现的,这可以使用称为脉冲宽度调制的过程来实现。


脉冲宽度速度控制


大家之前说过,直流电机的转速与其端子上的平均(平均)电压值成正比,并且该值越高,直到最大允许电机电压,电机旋转得越快。换句话说,更多电压更快。通过改变“ON”(t ON)时间和“OFF”(t OFF)持续时间之间的比率,称为“负载比”,“标记/空间比”或“负载比”,平均值电动机电压因此可以改变其转速。对于简单的单极驱动器,负载比β如下:


直流电机负载比


※输入电动机的平均直流输出电压如下:Vmean =β×Vsupply。然后,通过改变脉冲宽度a,可以控制电动机电压并因此控制施加到电动机的功率,并且这种类型的控制被称为脉冲宽度调制或PWM;

※控制电动机转速的另一种方法是改变频率(并因此改变控制电压的时间周期),同时“ON”和“OFF”负载比时间保持恒定。这种类型的控制称为脉冲频率调制或PFM;

※利用脉冲频率调制,通过施加可变频率的脉冲来控制电动机电压,例如,以低频率或以非常少的脉冲施加到电动机的平均电压低,因此电动机速度慢。在较高频率或具有许多脉冲时,平均电动机端子电压增加并且电动机速度也将增加;

※然后,晶体管可用于控制施加到直流电机的功率,其操作模式为“线性”(改变电机电压),“脉冲宽度调制”(改变脉冲宽度)或“脉冲频率”调制“(改变脉冲的频率)。


反转直流电机的方向


虽然用单个晶体管控制DC电动机的速度具有许多优点,但它也有一个主要缺点,旋转方向总是相同的,它是一个“单向”电路。在许多应用中,大家需要在前后两个方向上操作电机。为了控制直流电机的方向,必须反转施加到电机连接的直流电源的极性,使其轴向相反方向旋转。控制DC电机旋转方向的一种非常简单且低价的方法是使用以下列方式布置的不同开关:

直流电机方向控制电路图


第一个电路使用单个双刀双掷(DPDT)开关来控制电机连接的极性。通过切换触点,电机端子的电源反转,电机反转方向。第二个电路稍微复杂一些,并使用四个以“H”配置排列的单刀单掷(SPST)开关;

机械开关布置成开关对,并且必须以特定组合操作以操作或停止DC电动机。例如,开关组合A + D控制正向旋转,而开关B + C控制反向旋转,如图所示。开关组合A + B或C + D使电机端子短路,导致其快速制动。然而,以这种方式使用开关具有危险,因为操作开关A + C或B + D一起会使电源短路;

虽然上面的两个电路对于大多数小型直流电机应用都能很好地工作,但大家是否真的想要操作不同的机械开关组合来反转电机的方向,不!大家可以更换一套机电继电器的手动开关,并有一个正向反向按钮或开关,甚至可以使用固态CMOS 4066B四边形双向开关。

但另一种实现电机双向控制(以及速度)的非常好的方法是将电机连接到晶体管H桥型电路装置,如下所示。



基本的双向H桥电路


直流电机H桥电路图 

上面的H桥电路之所以如此命名,是因为四个开关的基本配置,电子机械继电器或晶体管类似于字母“H”,电机位于中心杆上。晶体管或MOSFET H桥可能是最常用的双向直流电机控制电路之一。它在每个分支中使用“互补晶体管对” NPN和PNP,晶体管成对地一起切换以控制电动机。控制输入A在一个方向上操作电动机,即正向旋转,而输入B在另一个方向上操作电动机,即反向旋转。然后通过在它们的“对角线对”中切换晶体管“ON”或“OFF”导致电动机的方向控制。例如,当晶体管TR1为“ON”且晶体管TR2为“OFF”时,A点连接到电源电压(+ Vcc),如果晶体管TR3为“OFF”且晶体管TR4为“ON”,则B点连接到0伏(GND)。然后,电动机将在一个方向上旋转,该方向对应于电动机端子A为正,电动机端子B为负。如果切换状态被颠倒,使得TR1是“OFF”,TR2是“ON”,TR3为“ON”和TR4为“OFF”时,电机电流现在将流在相反的方向使电机在相反的转动方向。然后,通过向输入A和B施加相反的逻辑电平“1”或“0”,可以控制电动机旋转方向。


·直流步进电机


与上述直流电机一样,步进电机也是机电实行器,可将脉冲数字输入信号转换为离散(增量)机械运动,广泛用于工业控制应用。步进电动机是一种同步无刷电动机,因为它没有带换向器和碳刷的电枢,但是具有由许多制成的转子,一些类型具有数百个永磁齿和具有单独绕组的定子。顾名思义,步进电机不像传统直流电机那样以连续方式旋转,而是以离散的“步进”或“增量”运动,每个旋转运动或步长的角度取决于定子极和转子的数量步进电机有齿。由于它们的离散步进操作,步进电机可以很容易地旋转一次有限的旋转,例如1.8,3.6,7.5度等。例如,假设步进电机完成一整圈然后,电机的步进角为360度/ 100步=每步3.6度。该值通常称为步进电机步进角。步进电机有三种基本类型,可变磁阻,永磁和混合(两者的组合)。甲步进电机特别适用于需要精确的定位和可重复性一起启动,停止,反转和速度控制与步进电机的另一个关键特征的快速响应的应用程序,是能够保持负载稳定能力,一旦需要的位置是实现。通常,步进电动机具有内转子,该内转子具有大量永磁“齿”,其中多个电磁铁“齿”安装在定子上。定子电磁铁顺序极化和去极化,使转子一次旋转一步。现代多极多齿步进电机的精度小于每步0.9(每转400脉冲),主要用于高精度定位系统,如用于软盘/硬盘驱动器中的磁头,打印机/绘图仪或机器人应用程序。最常用的步进电机是每转200步进电机。它有一个50齿转子,4相定子和1.8度的步进角(360度/(50×4))。


步进电机的构造与控制


可变频步进电机示意图

在上面的可变磁阻步进电机的简单示例中,电机由中心转子组成,中心转子由标记为A,B,C和D的四个电磁场线圈围绕。所有具有相同字母的线圈连接在一起,以便激励,例如标记为A的线圈将使磁转子与该组线圈对齐。通过依次向每组线圈供电,转子可以通过其步进角结构确定的角度从一个位置旋转或“步进”,并且通过依次激励线圈,转子将产生旋转运动。步进电机驱动器通过以设定顺序激励励磁线圈来控制电机的步进角和速度,例如“ ADCB,ADCB,ADCB,A ... ”等,转子将沿一个方向(向前)旋转并通过将脉冲序列反转为“ ABCD,ABCD,ABCD,A ...... ”等,转子将沿相反方向(反向)旋转♂因此,在上面的简单示例中,步进电机有四个线圈,使其成为一个4相电机,定子上的极数为8(2 x 4),间隔为45度。转子上的齿数是六个,相隔60度。然后有24个(6个齿x 4个线圈)可能的位置或“步骤”,转子完成一整圈。


因此,上面的步距角为:360° / 24 = 15 °。


显然,更多的转子齿和/或定子线圈将导致更多的控制和更精细的步进角。另外,通过以不同的配置连接电动机的电线圈,可以实现全角度,半角度和微步角。然而,为了实现微步进,步进电机必须由(准)正弦电流驱动,该电流实施起来很昂贵。还可以通过改变施加到线圈的数字脉冲之间的时间延迟(频率)来控制步进电机的旋转速度,延迟越长,一整圈的速度越慢。通过向电动机施加固定数量的脉冲,电动机轴将旋转给定角度。使用时间延迟脉冲的优点是不需要任何形式的附加反馈,因为通过计算给予电动机的脉冲数量,转子的最终位置将是精确已知的。对一定数量的数字输入脉冲的这种响应允许步进电机在“开环系统”中操作,使得控制更容易和更便宜。

例如,假设大家的步进电机每步的步进角为3.6度。为了使电动机旋转216度的角度然后再在需要位置停止,仅需要总共:216度/(3.6度/步)= 80脉冲施加到定子线圈。

有许多步进电机控制器IC可用于控制步进速度,旋转速度和电机方向。一个这样的控制器IC是SAA1027,它内置了所有必要的计数器和代码转换功能,可以按正确的顺序自动驱动4个完全控制的电桥输出到电机。也可以在所选方向上选择单步模式或连续(无级)旋转来选择旋转方向,但这会给控制器带来一些负担。使用8位数字控制器时,每步也可以使用256个微步。


以上内容就是关于直流电机的讲解,更多的直流电机资讯请继续关注大家。


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