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直流電機

  基本概念

  電機：俗稱“馬達”，依據(jù)電磁感應(yīng)定律實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。包括：電動機和發(fā)電機。

電動機在電路中是用字母M表示，它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；作為用電器或各種機械的動力源，發(fā)電機在電路中用字母G表示，它的主要作用是利用機械能轉(zhuǎn)化為電能。

電機控制：對電機的啟動、加速、運轉(zhuǎn)、減速及停止進行的控制。

直流電機分類

  1.直流有刷電機

  直流有刷電機(BrushedDC，簡稱BDC)，由于其結(jié)構(gòu)簡單，操控方便，成本低廉，具有良好的偏動和調(diào)速性能等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于各種動力器件中，小到玩具，按鈕調(diào)節(jié)式汽車座椅，大到印刷機械等生產(chǎn)機械中都能看到它的身影。

直流電源的電能通過電刷和換向器進入電樞繞組，產(chǎn)生電樞電流，電樞電流產(chǎn)生的磁場與主磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電機旋轉(zhuǎn)帶動負載。

  優(yōu)點：價格低、控制方便

  缺點：由于電刷和換向器的存在，有刷電機的結(jié)構(gòu)復雜，可靠性差，故障多，維護工作量大，壽命短，換向火花易產(chǎn)生電磁干擾。

  2.無刷直流電機

  無刷直流電機【BLDCM】是在有刷直流電機的基礎(chǔ)上發(fā)展來的，但它的驅(qū)動電流是不折不扣的交流。一般地，無刷電機的驅(qū)動電流有兩種，一種是梯形波(方波)，另一種是正弦一般的，把方波驅(qū)動的叫做直流無刷電機(BLDC)；把正弦波驅(qū)動的叫做永磁同步電機(PMSM)，這個實際上就是伺服電機。

  直流無刷電機與伺服電機有類似的優(yōu)缺點。BLDC電機比PMSM電機造價便宜一些，驅(qū)動控制方法簡單一些。

  3.直流減速電機

  直流減速電機，即齒輪減速電機，是在普通直流電機的基礎(chǔ)上，加上配套齒輪減速箱。齒輪減速箱的作用是，提供較低的轉(zhuǎn)速，較大的力矩。同時，齒輪箱不同的減速比可以提供不同的轉(zhuǎn)速和力矩。這大大提高了，直流電機在自動化行業(yè)中的使用率。減速電機是指減速機和電機(馬達)的集成體。

  直流電機兩條原理：

  1.直流電機的轉(zhuǎn)速和電壓成正比；

  2.直流電機的扭矩和電流成正比。

2.H橋驅(qū)動電路

直流電機驅(qū)動機理

  直流電機旋轉(zhuǎn)：給電機兩根線供電電機就可以旋轉(zhuǎn)，給正電壓電機正轉(zhuǎn)，給相反電壓電機反轉(zhuǎn)；電壓越大，電機轉(zhuǎn)得越快，電壓越小，轉(zhuǎn)速也變小。

  一般我們利用STM32單片機可以方便的調(diào)整電機速度，但STM32的IO接口電壓和電流一般都是非常有限的，電壓是3.3V，電流是8mA，所以為方便控制需要在微控制器和電機直接添加驅(qū)動電路板，該電機驅(qū)動板有兩種輸入線：電源輸入線和控制信號輸入線。

  電源輸入線一般要求是可以提供電機額定電源的大電流電源，一般來說電機所需要的電壓和額定電流是多少，那么就要給電機驅(qū)動板提供多大的電壓和電流，它是給電機提供動力的來源。

  控制信號線與微控制器的信號線連接，是實現(xiàn)調(diào)速的方法，一般是PWM的可調(diào)方波信號。

  電機驅(qū)動板還有一個輸出線，有兩個接口，它與直流電機的引腳直接連接。注意，這里的電機驅(qū)動板輸出線是應(yīng)該一系列電路之后才輸出的，也就是通過輸入信號調(diào)制后的輸出線。電機控制都是必須有驅(qū)動器的。

  H橋驅(qū)動電路

  下面以MOS管搭建的H橋電路解釋電機正反轉(zhuǎn)控制。要使電機運轉(zhuǎn)，必須使對角線上的一對MOS管導通。

  如下圖，當Q1管和Q4管導通時(此時必須保Q2和Q3關(guān)斷)，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機，然后再經(jīng)Q4回到電源負極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動。

  另一對MOS管2相Q3導通的時候(此時必須保證Q1和Q4關(guān)斷)，電流從右至左流過電機，從而驅(qū)動電機沿逆時針方向轉(zhuǎn)動。

  驅(qū)動電機時，保證H橋兩個同側(cè)的MOS管不會同時導通非常重要，如果MOS管Q1和Q2同時導通，那么電流就會從電源正極穿過兩個MOS管直接回到負極，此時電路中除了MOS管外沒有其它任何負載，因此電路上的電流就達到最大值，燒壞MOS管和電源。Q3和Q4同時導通是同樣的道理。

  簡單的開關(guān)只能控制電機正反轉(zhuǎn)，引入PWM控制可以實現(xiàn)方向和速度調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)占空比實現(xiàn)控速，占空比越大平均電壓(電流)越大，速度越快PWM頻率一般在10KHz~20KHz之間。頻率太低會導致電機轉(zhuǎn)速過低，噪聲較大。頻率太高，會因為MOS管的開關(guān)損耗而降低系統(tǒng)的效率。

  電流衰減模式(decay mode)

  所謂衰減模式，可簡單理解為如何使電機停下：如果控制電機一直向一個方向旋轉(zhuǎn)不會產(chǎn)生問題。但是如果這是想讓電機停下，那么問題就來了。由于電機是感性負載，電流不能突變。在斷開電機兩端所加的電壓時，電機產(chǎn)生的反向電動勢很有可能損壞FET。因此想讓電機停下，除了斷開供電，還要形成一個續(xù)流的回路，釋放掉電機上的能量。

  以左側(cè)正向旋轉(zhuǎn)的圖為例：

  1.首先電機正向旋轉(zhuǎn)，電流流向如①線所示；

  2.如果此時采取滑動/快衰減模式：四個MOSFET關(guān)斷，電機上的電流會通過Q2和Q3的寄生二極管繼續(xù)流動，如②線所示?？砂l(fā)現(xiàn)，此時電流的流向是與電源電壓相反的，因此電流衰減很快，當電流衰減為0時，由于FET是關(guān)斷的，電源電壓不會加在電機上，電機會逐漸停下。

  3.如果采取制動/慢衰減模式：Q2、Q4導通，Q1、Q3關(guān)斷。電機上的電流通過Q2和Q4繼續(xù)流動，如③線所示，電機上的能量會逐漸消耗在電機本身和Q2、Q3上，這樣的電流衰減相對較慢。

  特別注意：快慢衰減指的是電流，而不是電機轉(zhuǎn)動的速度。

  在快衰減模式(fast decay)下，由于電流迅速下降，那么電感電機上儲存的能量就會釋放很慢(簡單理解E=I^2R),電機會逐漸停止，因此該模式又叫滑動；

  在慢衰減模式(slow decay)下，電機的兩端類似于短接，電流很大且衰減慢，儲存的能量被瞬間釋放，此時電機會瞬間停止，因此該模式又叫制動。