各種直流電機(jī)工作原理與控制電路解析 

直流電動(dòng)機(jī)是連續(xù)的執(zhí)行器，可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。直流電動(dòng)機(jī)通過產(chǎn)生連續(xù)的角旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)此目的，該角旋轉(zhuǎn)可用于旋轉(zhuǎn)泵、風(fēng)扇、壓縮機(jī)、車輪等。 

與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)直流電動(dòng)機(jī)一樣，也可以使用線性電動(dòng)機(jī)，它們能夠產(chǎn)生連續(xù)的襯套運(yùn)動(dòng)?；旧嫌腥N類型的常規(guī)電動(dòng)機(jī)可用：AC型電動(dòng)機(jī)，DC型電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 

交流電動(dòng)機(jī)通常用于高功率的單相或多相工業(yè)應(yīng)用中，需要恒定的旋轉(zhuǎn)扭矩和速度來控制大負(fù)載，例如風(fēng)扇或泵。
我們僅介紹簡單的輕型直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，這些電動(dòng)機(jī)用于許多不同類型的電子、位置控制、微處理器、PIC和機(jī)器人類型的電路中。 

基本直流電動(dòng)機(jī)是用于產(chǎn)生連續(xù)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，其速度可以容易地控制，從而使它們適合于應(yīng)用中，是速度控制、伺服控制類型的最常用的致動(dòng)器。直流電動(dòng)機(jī)由兩部分組成，“定子”是固定部分，而“轉(zhuǎn)子”是旋轉(zhuǎn)部分。 

有刷電機(jī)—這種類型的電機(jī)通過使電流流經(jīng)換向器和碳刷組件，而在繞線轉(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)的零件）中產(chǎn)生磁場，因此稱為“有刷”。定子（靜止部分）的磁場是通過使用繞制的定子勵(lì)磁繞組或永磁體產(chǎn)生的。通常，有刷直流電動(dòng)機(jī)便宜，體積小且易于控制。 

無刷電動(dòng)機(jī)—這種電動(dòng)機(jī)通過使用附著在其上的永磁體在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生磁場，并通過電子方式實(shí)現(xiàn)換向。它們通常比常規(guī)的有刷型直流電動(dòng)機(jī)更小，但價(jià)格更高，因?yàn)樗鼈冊诙ㄗ又惺褂?/span>“霍爾效應(yīng)”開關(guān)來產(chǎn)生所需的定子磁場旋轉(zhuǎn)順序，但是它們具有更好的轉(zhuǎn)矩/速度特性，效率更高且使用壽命更長。 

伺服電動(dòng)機(jī)—這種電動(dòng)機(jī)基本上是一種有刷直流電動(dòng)機(jī)，帶有某種形式的位置反饋控制連接到轉(zhuǎn)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(tǒng)和無線電控制模型。
普通的直流電動(dòng)機(jī)具有幾乎線性的特性，其旋轉(zhuǎn)速度取決于所施加的直流電壓，輸出轉(zhuǎn)矩則取決于流經(jīng)電動(dòng)機(jī)繞組的電流。任何直流電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度可以從每分鐘幾轉(zhuǎn)（rpm）到每分鐘幾千轉(zhuǎn)不等，從而使其適用于電子，汽車或機(jī)器人應(yīng)用。通過將它們連接到變速箱或齒輪系，可以降低它們的輸出速度，同時(shí)又可以提高電動(dòng)機(jī)的高速轉(zhuǎn)矩輸出。 

有刷直流電動(dòng)機(jī)—傳統(tǒng)的有刷直流電動(dòng)機(jī)基本上由兩部分組成，電動(dòng)機(jī)的靜止主體稱為定子，而內(nèi)部旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱為直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子或“電樞”。
電機(jī)繞制定子是一個(gè)電磁電路，由圓形連接在一起的電線圈組成，以產(chǎn)生所需的北極，南極，然后是北極等類型的旋轉(zhuǎn)固定磁場系統(tǒng)，這與交流電機(jī)不同。定子磁場以施加的頻率連續(xù)旋轉(zhuǎn)。在這些勵(lì)磁線圈中流動(dòng)的電流稱為電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流。

這些形成定子磁場的電磁線圈可以與電動(dòng)機(jī)電樞串聯(lián)，并聯(lián)或同時(shí)電連接在一起。串聯(lián)繞制直流電動(dòng)機(jī)的定子勵(lì)磁繞組與電樞串聯(lián)連接。同樣，并聯(lián)繞組直流電動(dòng)機(jī)的定子勵(lì)磁繞組與電樞并聯(lián)。 

串聯(lián)和并聯(lián)直流電動(dòng)機(jī) 

直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子或電樞由載流導(dǎo)體組成，載流導(dǎo)體的一端連接到稱為換向器的電隔離銅段。換向器允許在電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)通過碳刷與外部電源進(jìn)行電氣連接。轉(zhuǎn)子建立的磁場試圖使其自身與靜止的定子磁場對(duì)準(zhǔn)，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子沿其軸線旋轉(zhuǎn)，但由于換向延遲而無法使其自身對(duì)準(zhǔn)。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于轉(zhuǎn)子磁場的強(qiáng)度，施加在電動(dòng)機(jī)上的電壓越大，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)得越快。通過改變施加的直流電壓，也可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 

常規(guī)（有刷）直流電動(dòng)機(jī) 

永磁有刷直流電動(dòng)機(jī)通常比同等繞制定子型直流電動(dòng)機(jī)表親小得多，并且便宜得多，因?yàn)樗鼈儧]有勵(lì)磁繞組。在永磁直流電動(dòng)機(jī)中，這些勵(lì)磁線圈被具有很高磁場能量的強(qiáng)稀土磁體代替。
永磁體的使用使直流電動(dòng)機(jī)的線性速度/轉(zhuǎn)矩特性比同等的繞線電動(dòng)機(jī)好得多，這是因?yàn)槠渚哂杏谰眯缘拇艌觯ㄓ袝r(shí)是非常強(qiáng)的磁場），使其更適合用于模型，機(jī)器人和伺服系統(tǒng)。
盡管有刷直流電動(dòng)機(jī)非常高效且便宜，但與直流有刷電動(dòng)機(jī)相關(guān)的問題是，在重載條件下，換向器和碳刷的兩個(gè)表面之間會(huì)產(chǎn)生火花，導(dǎo)致自發(fā)熱，短壽命以及由于火花產(chǎn)生的電噪聲，這會(huì)損壞任何半導(dǎo)體開關(guān)器件，例如MOSFET或晶體管。為了克服這些缺點(diǎn)，開發(fā)了無刷直流電動(dòng)機(jī)。
無刷直流電動(dòng)機(jī)與永磁直流電動(dòng)機(jī)非常相似，但是沒有任何電刷可更換或由于換向器火花而磨損。因此，在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的熱量很少，從而延長了電動(dòng)機(jī)的壽命。無刷電機(jī)的設(shè)計(jì)通過使用更復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路來消除對(duì)電刷的需求，因?yàn)檗D(zhuǎn)子磁場是永久磁鐵，始終與定子磁場保持同步，從而可以實(shí)現(xiàn)更精確的速度和轉(zhuǎn)矩控制。 

然后，無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與交流電動(dòng)機(jī)非常相似，因此成為真正的同步電動(dòng)機(jī)，但缺點(diǎn)是，它比等效的有刷電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)貴。 

無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制與普通的有刷直流電動(dòng)機(jī)的控制方法有很大的不同，因?yàn)樗c某些有刷直流電動(dòng)機(jī)的控制方式相結(jié)合，可以檢測出產(chǎn)生控制半導(dǎo)體開關(guān)所需的反饋信號(hào)所需的轉(zhuǎn)子角位置。最常見的位置/極點(diǎn)傳感器是“霍爾效應(yīng)傳感器”，但是某些電動(dòng)機(jī)也使用光學(xué)傳感器。
使用霍爾效應(yīng)傳感器，電磁鐵的極性由電動(dòng)機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路切換。然后，可以輕松地將電動(dòng)機(jī)與數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)同步，從而提供精確的速度控制。無刷直流電動(dòng)機(jī)可構(gòu)造成具有外部永磁體轉(zhuǎn)子和內(nèi)部電磁定子，或內(nèi)部永磁體轉(zhuǎn)子和外部電磁定子。與有刷直流電動(dòng)機(jī)相比，無刷直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是效率更高，可靠性更高，電氣噪聲更低，速度控制良好，更重要的是，沒有電刷或換向器會(huì)產(chǎn)生更高的轉(zhuǎn)速。然而，它們的缺點(diǎn)是它們更昂貴并且控制更復(fù)雜。
直流伺服電動(dòng)機(jī)用于閉環(huán)型應(yīng)用，將輸出電動(dòng)機(jī)軸的位置反饋到電動(dòng)機(jī)控制電路。典型的位置“反饋”設(shè)備，包括用于無線電控制模型的旋轉(zhuǎn)變壓器、編碼器和電位計(jì)。 

伺服電動(dòng)機(jī)通常包括用于減速的內(nèi)置齒輪箱，并且能夠直接傳遞高扭矩。由于安裝了變速箱和反饋裝置，因此伺服電動(dòng)機(jī)的輸出軸不能像直流電動(dòng)機(jī)的軸那樣自由旋轉(zhuǎn)。 

直流伺服電機(jī)框 

伺服電動(dòng)機(jī)由直流電動(dòng)機(jī)、減速齒輪箱、位置反饋裝置和某種形式的誤差校正組成。相對(duì)于施加到設(shè)備的位置輸入信號(hào)或參考信號(hào)來控制速度或位置。

RC伺服馬達(dá) 

錯(cuò)誤檢測放大器會(huì)查看此輸入信號(hào)，并將其與來自電機(jī)輸出軸的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，以確定電機(jī)輸出軸是否處于錯(cuò)誤狀態(tài)，如果是，則控制器會(huì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男Ｕ?，以使電機(jī)加速或減速它下來。對(duì)位置反饋設(shè)備的這種響應(yīng)，意味著伺服電機(jī)在“閉環(huán)系統(tǒng)”內(nèi)運(yùn)行。
除大型工業(yè)應(yīng)用外，伺服電動(dòng)機(jī)還用于小型遙控模型和機(jī)器人技術(shù)中，大多數(shù)伺服電動(dòng)機(jī)都可以在兩個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)大約180度，因此非常適合精確的角度定位。但是，除非特別修改，否則這些RC型伺服器無法像傳統(tǒng)的DC電動(dòng)機(jī)一樣連續(xù)高速旋轉(zhuǎn)。 

伺服電動(dòng)機(jī)由一個(gè)裝置中的多個(gè)裝置，電動(dòng)機(jī)，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。它們僅需使用電源、接地和信號(hào)控制三根導(dǎo)線即可輕松控制，因此廣泛用于機(jī)器人和小型模型。
直流電動(dòng)機(jī)開關(guān)與控制小型直流電動(dòng)機(jī)可以通過開關(guān)，繼電器，晶體管或MOSFET電路“接通”或“斷開”，最簡單的電動(dòng)機(jī)控制形式是“線性”控制。這種類型的電路使用雙極晶體管作為開關(guān)，以通過單個(gè)電源控制電動(dòng)機(jī)。
通過改變流入晶體管的基極電流量，可以控制電動(dòng)機(jī)的速度，例如，如果晶體管“半路”導(dǎo)通，則只有一半的電源電壓流向電動(dòng)機(jī)。如果晶體管“完全導(dǎo)通，則所有電源電壓都流向電動(dòng)機(jī)，并且旋轉(zhuǎn)速度更快。然后，對(duì)于這種線性控制類型，功率將不斷地傳遞到電動(dòng)機(jī)。 

電機(jī)速度控制 

上面的簡單開關(guān)電路顯示了單向（僅一個(gè)方向）電動(dòng)機(jī)速度控制電路的電路。由于直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與兩端的電壓成正比，因此我們可以使用晶體管來調(diào)節(jié)該端電壓。 

兩個(gè)晶體管作為達(dá)林頓對(duì)連接，以控制電動(dòng)機(jī)的主電樞電流。甲5kΩ的電位器是用于基極驅(qū)動(dòng)量控制到所述第一導(dǎo)頻晶體管TR1，這反過來又控制主開關(guān)晶體管，TR2允許馬達(dá)的DC電壓從零變化到Vcc，在本實(shí)施例9至12中伏特。
可選的飛輪二極管跨接在開關(guān)晶體管TR2和電機(jī)端子之間，以防止電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢。可調(diào)電位器可以用直接加到電路輸入端的連續(xù)邏輯“ 1”或邏輯“ 0”信號(hào)代替，以分別將電動(dòng)機(jī)“全開”（飽和）或“全關(guān)”（切斷）從微控制器或PIC的端口。 

除了基本的速度控制之外，還可以使用相同的電路來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。通過以足夠高的頻率反復(fù)切換電動(dòng)機(jī)電流“ ON”和“ OFF”，可以通過改變其標(biāo)記空間比來在靜止（0 rpm）和全速（100％）之間改變電動(dòng)機(jī)的速度。這可以通過改變“開啟”時(shí)間（t ON）與“關(guān)閉”時(shí)間（t OFF）的比例來實(shí)現(xiàn)，并且可以使用稱為脈沖寬度調(diào)制的過程來實(shí)現(xiàn)。 

脈沖寬度、速度控制前面我們曾說過，直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與其端子上的平均（平均）電壓值成正比，并且該值越高，直到達(dá)到最大允許電動(dòng)機(jī)電壓，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度就越快。換句話說，電壓越高，速度越快。通過改變“開”（t ON）時(shí)間和“關(guān)”（t OFF）持續(xù)時(shí)間之間的比率，稱為“占空比”，“標(biāo)記/間距比率”或“占空比”，可以得出電機(jī)電壓及其轉(zhuǎn)速可以改變。對(duì)于簡單的單極驅(qū)動(dòng)器，占空比β為：饋入電動(dòng)機(jī)的平均直流輸出電壓為：Vmean =βx Vsupply。然后，通過改變脈沖a的寬度，可以控制電動(dòng)機(jī)電壓，從而可以控制施加到電動(dòng)機(jī)的功率，這種控制方式稱為脈沖寬度調(diào)制或PWM。
控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的另一種方法是在保持“開”和“關(guān)”占空比時(shí)間不變的情況下改變頻率（以及控制電壓的時(shí)間段）。這種控制稱為脈沖頻率調(diào)制或PFM。
通過脈沖頻率調(diào)制，通過施加可變頻率的脈沖來控制電動(dòng)機(jī)電壓，例如，以低頻或只有很少的脈沖，施加到電動(dòng)機(jī)的平均電壓較低，因此電動(dòng)機(jī)速度較慢。在較高頻率下或帶有許多脈沖時(shí)，平均電動(dòng)機(jī)端子電壓會(huì)增加，并且電動(dòng)機(jī)速度也會(huì)增加。
然后，晶體管可用于控制施加到直流電動(dòng)機(jī)的功率，其工作模式為“線性”（電動(dòng)機(jī)電壓變化），“脈沖寬度調(diào)制”（脈沖寬度變化）或“脈沖頻率”調(diào)制”（改變脈沖頻率）。
反轉(zhuǎn)直流電動(dòng)機(jī)的方向盡管用單個(gè)晶體管控制直流電動(dòng)機(jī)的速度具有許多優(yōu)點(diǎn)，但它也有一個(gè)主要缺點(diǎn)，即旋轉(zhuǎn)方向始終相同，這是一個(gè)“單向”電路。在許多應(yīng)用中，我們需要沿正反兩個(gè)方向操作電動(dòng)機(jī)。
為了控制直流電動(dòng)機(jī)的方向，必須反轉(zhuǎn)施加到電動(dòng)機(jī)連接處的直流電源的極性，以使其軸沿相反方向旋轉(zhuǎn)。 

控制直流電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的一種非常簡單的方法，是使用按以下方式排列的不同開關(guān)。 

直流電動(dòng)機(jī)方向控制 

第一個(gè)電路使用單個(gè)雙刀雙擲開關(guān)來控制電動(dòng)機(jī)連接的極性。通過切換觸點(diǎn)，可以將電動(dòng)機(jī)端子的電源反向，并使電動(dòng)機(jī)的方向反向。第二個(gè)電路稍微復(fù)雜一些，并使用四個(gè)以“ H”形配置的單刀單擲開關(guān)。
機(jī)械開關(guān)成對(duì)布置，并且必須以特定的組合方式操作才能操作或停止直流電動(dòng)機(jī)。例如開關(guān)組合A + D控制正向旋轉(zhuǎn)，而開關(guān)B + C控制反向旋轉(zhuǎn)。組合開關(guān)A + B或C + D使電動(dòng)機(jī)端子短路，從而使其迅速制動(dòng)。但是，以這種方式使用開關(guān)有其危險(xiǎn)，因?yàn)橐黄鸩僮鏖_關(guān)A + C或B + D會(huì)使電源短路。
盡管以上兩個(gè)電路在大多數(shù)小型直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用中都能很好地工作，但我們是否真的要操作機(jī)械開關(guān)的不同組合只是為了反轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的方向？我們可以更改機(jī)電繼電器組的手動(dòng)開關(guān)，并具有單個(gè)前進(jìn)/后退按鈕或開關(guān)，甚至可以使用固態(tài)CMOS 4066B四邊雙向開關(guān)。
但是，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)雙向控制（以及其速度）的另一種很好的方法，是將電動(dòng)機(jī)連接到晶體管H橋型電路裝置。 

基本雙向H橋電路 

所述H橋電路的上方，如此命名是因?yàn)樗膫€(gè)開關(guān)，無論是電動(dòng)機(jī)械繼電器或晶體管類似于字母“H”與位于中心條上的電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。晶體管或MOSFET H橋可能是雙向DC電動(dòng)機(jī)控制電路中最常用的類型之一。它在每個(gè)分支中使用NPN和PNP的“互補(bǔ)晶體管對(duì)”，晶體管成對(duì)切換到一起以控制電動(dòng)機(jī)。
控制輸入A在一個(gè)方向（正向旋轉(zhuǎn)）上運(yùn)行電動(dòng)機(jī)，而輸入B在另一個(gè)方向（即反向旋轉(zhuǎn)）上運(yùn)行電動(dòng)機(jī)。然后，通過將其“對(duì)角線對(duì)”中的晶體管切換為“ ON”或“ OFF”，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的方向控制。
例如，當(dāng)晶體管TR1為“ ON”且晶體管TR2為“ OFF”時(shí)，點(diǎn)A連接至電源電壓（+ Vcc），如果晶體管TR3為“ OFF”且晶體管TR4為“ ON”，則點(diǎn)B連接至0伏（GND）。然后，電動(dòng)機(jī)將沿與電動(dòng)機(jī)端子A為正且電動(dòng)機(jī)端子B為負(fù)的一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。
如果切換狀態(tài)反轉(zhuǎn)，從而TR1為“ OFF”，TR2為“ ON”，TR3為“ ON”，TR4為“ OFF”，則電動(dòng)機(jī)電流將沿相反方向流動(dòng)，從而使電動(dòng)機(jī)反向旋轉(zhuǎn)方向。 

然后，通過將相反的邏輯電平“ 1”或“ 0”應(yīng)用于輸入端A和B，可以如下控制電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。 

H橋真值表 

重要的是，不允許有其他輸入組合，因?yàn)檫@可能會(huì)導(dǎo)致電源短路，即，兩個(gè)晶體管TR1和TR2同時(shí)切換為“ ON”。
如同上面看到的單向直流電動(dòng)機(jī)控制一樣，也可以使用脈沖寬度調(diào)制或PWM控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。然后，通過將H橋開關(guān)與PWM控制相結(jié)合，可以精確地控制電動(dòng)機(jī)的方向和速度。
商用現(xiàn)成的解碼器IC，例如SN754410四通道半H橋IC或具有2個(gè)H橋的L298N，可提供內(nèi)置的所有必要控制和安全邏輯，這些邏輯和安全邏輯是專門為H橋雙向電動(dòng)機(jī)控制電路設(shè)計(jì)的。直流步進(jìn)電機(jī)像上面的直流電動(dòng)機(jī)一樣，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也是機(jī)電致動(dòng)器，它將脈沖數(shù)字輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，已廣泛用于工業(yè)控制應(yīng)用中。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是同步無刷電動(dòng)機(jī)的一種，它不具有帶有換向器和碳刷的電樞，而是具有由許多轉(zhuǎn)子組成的轉(zhuǎn)子，某些類型的轉(zhuǎn)子具有數(shù)百個(gè)永磁齒和帶有單個(gè)繞組的定子。 

步進(jìn)電機(jī) 

顧名思義，步進(jìn)電機(jī)不會(huì)像常規(guī)直流電機(jī)那樣連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而是以離散的“步進(jìn)”或“增量”運(yùn)動(dòng)，每次旋轉(zhuǎn)或步進(jìn)的角度取決于定子磁極和轉(zhuǎn)子的數(shù)量步進(jìn)電機(jī)的齒。 

由于其離散的步進(jìn)操作，步進(jìn)電機(jī)可以輕松地一次旋轉(zhuǎn)有限的一部分旋轉(zhuǎn)，例如1.8、3.6、7.5度等。因此，假設(shè)步進(jìn)電機(jī)完成一整圈：360度分100步。然后，電動(dòng)機(jī)的步距角為360度/ 100步=每步3.6度。該值通常稱為步進(jìn)電機(jī)“步進(jìn)角”。 

步進(jìn)電機(jī)有三種基本類型，可變磁阻，永磁體和混合動(dòng)力（兩者的一種組合）。甲步進(jìn)電機(jī)特別適用于需要精確的定位和可重復(fù)性一起啟動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)和速度控制與步進(jìn)電機(jī)的另一個(gè)關(guān)鍵特征的快速響應(yīng)的應(yīng)用程序，是能夠保持負(fù)載能力穩(wěn)定一旦需要的位置是實(shí)現(xiàn)。