电子发烧友网工业操控最全直流电机作业原理与操控电路解析（无刷+有刷+伺服+步进）

  直流电动机是接连的执行器，可将电能转化为机械能。直流电动机经过发生接连的角旋转来完结此意图，该角旋转可用于旋转泵，电扇，压缩机，车轮等。

  与传统的旋转直流电动机相同，也能够运用线性电动机，它们能够发生接连的衬套运动。根本上有三种类型的惯例电动机可用：AC型电动机，DC型电动机和步进电动机。

  沟通电动机一般用于高功率的单相或多相工业运用中，需求安稳的旋转扭矩和速度来操控大负载，例如电扇或泵。

  在本教程中，咱们仅介绍简略的轻型直流电动机和步进电动机，这些电动机用于许多不同类型的电子，方位操控，微处理器，PIC和机器人类型的电路中。

  根本直流电动机该直流电动机或直流电动机，以给它的完好的标题，是用于发生接连运动和旋转，其速度能够简单地操控，然后使它们合适于运用中运用是速度操控，伺服操控类型的最常用的致动器，和/或需求定位。直流电动机由两部分组成，“定子”是固定部分，而“转子”是旋转部分。结果是根本上能够运用三种类型的直流电动机。

  有刷电机–这种类型的电机经过使电流流经换向器和碳刷组件而在绕线转子(旋转的零件)中发生磁场，因而称为“有刷”。定子(中止部分)的磁场是经过运用绕制的定子励磁绕组或永磁体发生的。一般，有刷直流电动机廉价，体积小且易于操控。

  无刷电动机–这种电动机经过运用附着在其上的永磁体在转子中发生磁场，并经过电子办法完结换向。它们一般比惯例的有刷型直流电动机更小，但价格更高，由于它们在定子中运用“霍尔效应”开关来发生所需的定子磁场旋转次序，可是它们具有更好的转矩/速度特性，功率更高且运用寿数更长比平等拉丝类型。

  伺服电动机–这种电动机根本上是一种有刷直流电动机，带有某种办法的方位反应操控衔接到转子轴。它们衔接到PWM型操控器并由其操控，首要用于方位操控体系和无线电操控模型。

  一般的直流电动机具有简直线性的特性，其旋转速度取决于所施加的直流电压，输出转矩则取决于流经电动机绕组的电流。任何直流电动机的旋转速度能够从每分钟几转(rpm)到每分钟几千转不等，然后使其适用于电子，轿车或机器人运用。经过将它们衔接到变速箱或齿轮系，能够下降它们的输出速度，一同又能够进步电动机的高速转矩输出。

  “有刷”直流电动机传统的有刷直流电动机根本上由两部分组成，电动机的中止主体称为定子，而内部旋转发生的运动称为直流电动机的转子或“电枢”。

  电机绕制定子是一个电磁电路，由圆形衔接在一同的电线圈组成，以发生所需的北极，南极，然后是北极等类型的旋转固定磁场体系，这与沟通电机不同。定子磁场以施加的频率接连旋转。在这些励磁线圈中活动的电流称为电动机励磁电流。

  这些构成定子磁场的电磁线圈能够与电动机电枢串联，并联或一同电衔接在一同(复合)。串联绕制直流电动机的定子励磁绕组与电枢串联衔接。相同，并联绕组直流电动机的定子励磁绕组与电枢并联，如图所示。

  直流电机的转子或电枢由载流导体组成，载流导体的一端衔接到称为换向器的电阻隔铜段。换向器答应在电枢旋转时经过碳刷(因而称为“有刷”电动机)与外部电源进行电气衔接。

  转子树立的磁场企图使其本身与中止的定子磁场对准，然后导致转子沿其轴线旋转，但由于换向推迟而无法使其本身对准。电动机的转速取决于转子磁场的强度，施加在电动机上的电压越大，转子旋转得越快。经过改动施加的直流电压，也能够改动电动机的转速。

  永磁(PMDC)有刷直流电动机一般比平等绕制定子型直流电动机表亲小得多，而且廉价得多，由于它们没有励磁绕组。在永磁直流(PMDC)电动机中，这些励磁线圈被具有很高磁场能量的强稀土(例如(Cobolt或钕铁硼)磁体替代。

  永磁体的运用使直流电动机的线性速度/转矩特性比平等的绕线电动机好得多，这是由于其具有永久性的磁场(有时是非常强的磁场)，使其更合适用于模型，机器人和伺服体系。

  虽然直流有刷电动机非常高效且廉价，但与直流有刷电动机相关的问题是，在重载条件下，换向器和碳刷的两个外表之间会发生火花，导致自发热，短寿数以及由于火花发生的电噪声，这会损坏任何半导体开关器材，例如MOSFET晶体管。为了战胜这些缺陷，开发了无刷直流电动机。

  “无刷”直流电动机无刷直流电动机(BDCM)与永磁直流电动机非常类似，可是没有任何电刷可替换或由于换向器火花而磨损。因而，在转子中发生的热量很少，然后延长了电动机的寿数。无刷电机的规划经过运用更杂乱的驱动电路来消除对电刷的需求，由于转子磁场是永久磁铁，一直与定子磁场坚持同步，然后能够完结更精确的速度和转矩操控。

  然后，无刷直流电动机的结构与沟通电动机非常类似，因而成为真实的同步电动机，但缺陷是它比等效的“有刷”电动机规划贵。

  无刷直流电动机的操控与一般的有刷直流电动机的操控办法有很大的不同，由于它与某些有刷直流电动机的操控办法相结合，能够检测出发生操控半导体开关所需的反应信号所需的转子角方位(或磁极)。设备。最常见的方位/极点传感器是“霍尔效应传感器”，可是某些电动机也运用光学传感器。

  运用霍尔效应传感器，电磁铁的极性由电动机操控驱动电路切换。然后，能够轻松地将电动机与数字时钟信号同步，然后供给精确的速度操控。无刷直流电动机可构形成具有外部永磁体转子和内部电磁定子，或内部永磁体转子和外部电磁定子。

  与“有刷”表兄比较，无刷直流电动机的长处是功率更高，可靠性更高，电气噪声更低，速度操控杰出，更重要的是，没有电刷或换向器会发生更高的转速。可是，它们的缺陷是它们更贵重而且操控更杂乱。

  直流伺服电机直流伺服电动机用于闭环型运用，将输出电动机轴的方位反应到电动机操控电路。典型的方位“反应”设备包含用于无线电操控模型(例如飞机和轮船等)的旋转变压器，编码器和电位计。

  伺服电动机一般包含用于减速的内置齿轮箱，而且能够直接传递高扭矩。由于安装了变速箱和反应设备，因而伺服电动机的输出轴不能像直流电动机的轴那样自在旋转。

  伺服电动机由直流电动机，减速齿轮箱，方位反应设备和某种办法的差错校对组成。相关于施加到设备的方位输入信号或参阅信号来操控速度或方位。

  过错检测放大器会检查此输入信号，并将其与来自电机输出轴的反应信号进行比较，以确认电机输出轴是否处于过错状况，假如是，则操控器会进行恰当的校对，以使电机加快或减速它下来。对方位反应设备的这种呼应意味着伺服电机在“闭环体系”内运转。

  除大型工业运用外，伺服电动机还用于小型遥控模型和机器人技能中，大多数伺服电动机都能够在两个方向上旋转大约180度，因而非常合适精确的视点定位。可是，除非特别修正，不然这些RC型伺服器无法像传统的DC电动机相同接连高速旋转。

  伺服电动机由一个设备中的多个设备，电动机，变速箱，反应设备和用于操控方位，方向或速度的差错校对组成。它们仅需运用电源，接地和信号操控三根导线即可轻松操控，因而广泛用于机器人和小型模型。

  直流电动机开关与操控小型直流电动机能够经过开关，继电器，晶体管或MOSFET电路“接通”或“断开”，最简略的电动机操控办法是“线性”操控。这种类型的电路运用双极晶体管作为开关(假如需求更高的额定电流，也能够运用达林顿晶体管)，以经过单个电源操控电动机。

  经过改动流入晶体管的基极电流量，能够操控电动机的速度，例如，假如晶体管“半路”导通，则只要一半的电源电压流向电动机。假如晶体管“彻底导通”(饱满)，则一切电源电压都流向电动机，而且旋转速度更快。然后，关于这种线性操控类型，功率将不断地传递到电动机，如下所示。

  上面的简略开关电路显现了单向(仅一个方向)电动机速度操控电路的电路。由于直流电动机的转速与两头的电压成正比，因而咱们能够运用晶体管来调理该端电压。

  两个晶体管作为达林顿对衔接，以操控电动机的主电枢电流。甲5kΩ的电位器是用于基极驱动量操控到所述榜首导频晶体管TR 1，这反过来又操控主开关晶体管，TR 2答应马达的DC电压从零改动到Vcc，在本施行例9至12中伏特。

  可选的飞轮二极管跨接在开关晶体管TR 2和电机端子之间，以避免电机旋转时发生的反电动势。可调电位器能够用直接加到电路输入端的接连逻辑“ 1”或逻辑“ 0”信号替代，以分别将电动机“全开”(饱满)或“全关”(堵截)从微操控器或PIC的端口。

  除了根本的速度操控之外，还能够运用相同的电路来操控电动机的转速。经过以足够高的频率重复切换电动机电流“ ON”和“ OFF”，能够经过改动其符号空间比来在中止(0 rpm)和全速(100%)之间改动电动机的速度。供给。这能够经过改动“敞开”时刻(t ON)与“封闭”时刻(t OFF)的份额来完结，而且能够运用称为脉冲宽度调制的进程来完结。

  脉冲宽度速度操控前面咱们曾说过，直流电动机的转速与其端子上的均匀(均匀)电压值成正比，而且该值越高，直到到达最大答应电动机电压，电动机旋转的速度就越快。换句话说，电压越高，速度越快。经过改动“开”(t ON)时刻和“关”(t OFF)持续时刻之间的比率，称为“占空比”，“符号/距离比率”或“占空比”，能够得出电机电压及其转速能够改动。关于简略的单极驱动器，占空比β为：

  馈入电动机的均匀直流输出电压为：Vmean =βx Vsupply。然后，经过改动脉冲a的宽度，能够操控电动机电压，然后能够操控施加到电动机的功率，这种操控办法称为脉冲宽度调制或PWM。

  操控电动机转速的另一种办法是在坚持“开”和“关”占空比时刻不变的情况下改动频率(以及操控电压的时刻段)。这种操控称为脉冲频率调制或PFM。

  经过脉冲频率调制，经过施加可变频率的脉冲来操控电动机电压，例如，以低频或只要很少的脉冲，施加到电动机的均匀电压较低，因而电动机速度较慢。在较高频率下或带有许多脉冲时，均匀电动机端子电压会添加，而且电动机速度也会添加。

  然后，晶体管可用于操控施加到直流电动机的功率，其作业方式为“线性”(电动机电压改动)，“脉冲宽度调制”(脉冲宽度改动)或“脉冲频率”调制”(改动脉冲频率)。

  回转直流电动机的方向虽然用单个晶体管操控直流电动机的速度具有许多长处，但它也有一个首要缺陷，即旋转方向一直相同，这是一个“单向”电路。在许多运用中，咱们需求沿正反两个方向操作电动机。

  为了操控直流电动机的方向，有必要回转施加到电动机衔接处的直流电源的极性，以使其轴沿相反方向旋转。

  操控直流电动机旋转方向的一种非常简略且廉价的办法，是运用按以下办法摆放的不同开关：

  榜首个电路运用单个双刀双掷(DPDT)开关来操控电动机衔接的极性。经过切换触点，能够将电动机端子的电源反向，并使电动机的方向反向。第二个电路略微杂乱一些，并运用四个以“ H”形装备的单刀单掷(SPST)开关。

  机械开关成对安置，而且有必要以特定的组合办法操作才干操作或中止直流电动机。例如，如图所示，开关组合A + D操控正向旋转，而开关B + C操控反向旋转。组合开关A + B或C + D使电动机端子短路，然后使其敏捷制动。可是，以这种办法运用开关有其风险，由于一同操作开关A + C或B + D会使电源短路。

  虽然以上两个电路在大多数小型直流电动机运用中都能很好地作业，但咱们是否真的要操作机械开关的不同组合仅仅为了回转电动机的方向?咱们能够更改机电继电器组的手动开关，并具有单个行进/撤退按钮或开关，乃至能够运用固态CMOS 4066B四边双向开关。

  可是，完结电动机双向操控(以及其速度)的另一种很好的办法是将电动机衔接到晶体管H桥型电路设备，如下所示。

  所述H桥电路的上方，如此命名是由于四个开关，无论是电动机械继电器或晶体管类似于字母“H”与坐落中心条上的电动机的根本结构。晶体管或MOSFET H桥或许是双向DC电动机操控电路中最常用的类型之一。它在每个分支中运用NPN和PNP的“互补晶体管对”，晶体管成对切换到一同以操控电动机。

  操控输入A在一个方向(正向旋转)上运转电动机，而输入B在另一个方向(即反向旋转)上运转电动机。然后，经过将其“对角线对”中的晶体管切换为“ ON”或“ OFF”，能够完结电动机的方向操控。

  例如，当晶体管TR1为“ ON”且晶体管TR2为“ OFF”时，点A衔接至电源电压(+ Vcc)，假如晶体管TR3为“ OFF”且晶体管TR4为“ ON”，则点B衔接至0伏(GND)。然后，电动机将沿与电动机端子A为正且电动机端子B为负的一个方向旋转。

  假如切换状况回转，然后TR1为“ OFF”，TR2为“ ON”，TR3为“ ON”，TR4为“ OFF”，则电动机电流将沿相反方向活动，然后使电动机反向旋转方向。

  然后，经过将相反的逻辑电平“ 1”或“ 0”运用于输入端A和B，能够如下操控电动机的旋转方向。

  重要的是，不答应有其他输入组合，由于这或许会导致电源短路，即，两个晶体管TR1和TR2一同切换为“ ON”(保险丝=爆破!)。

  好像上面看到的单向直流电动机操控相同，也能够运用脉冲宽度调制或PWM操控电动机的转速。然后，经过将H桥开关与PWM操控相结合，能够精确地操控电动机的方向和速度。

  商用现成的解码器IC，例如SN754410四通道半H桥IC或具有2个H桥的L298N，可供给内置的一切必要操控和安全逻辑，这些逻辑和安全逻辑是专门为H桥双向电动机操控电路规划的。

  直流步进电机像上面的直流电动机相同，步进电动机也是机电致动器，它将脉冲数字输入信号转化为离散的(增量的)机械运动，已广泛用于工业操控运用中。步进电动机是同步无刷电动机的一种，它不具有带有换向器和碳刷的电枢，而是具有由许多转子组成的转子，某些类型的转子具有数百个永磁齿和带有单个绕组的定子。

  望文生义，步进电机不会像惯例直流电机那样接连旋转，而是以离散的“步进”或“增量”运动，每次旋转或步进的视点取决于定子磁极和转子的数量步进电机的齿。

  由于其离散的步进操作，步进电机能够轻松地一次旋转有限的一部分旋转，例如1.8、3.6、7.5度等。因而，例如，假定步进电机完结一整圈(360 o分100步。

  然后，电动机的步距角为360度/ 100步=每步3.6度。该值一般称为步进电机“步进角”。

  步进电机有三种根本类型，可变磁阻，永磁体和混合动力(两者的一种组合)。甲步进电机特别适用于需求精确的定位和可重复性一同发动，中止，回转和速度操控与步进电机的另一个要害特征的快速呼应的运用程序，是能够坚持负载才能安稳一旦需求的方位是完结。

  一般，步进电动机具有一个内部转子，该内部转子具有很多的永磁体“齿”，而且多个电磁体“齿”安装在定子上。定子电磁体顺次被极化和去极化，然后使转子一次旋转一个“步长”。

  现代的多极，多齿步进电机的每步精度小于0.9度(每转400脉冲)，首要用于高度精确的定位体系，例如用于软盘/硬盘驱动器中的磁头的定位体系，打印机/绘图仪或机器人运用程序。最常用的步进电机是每转200步的步进电机。它具有50个齿的转子，4相定子和1.8度(360度/(50×4))的步进角。

  在上面的可变磁阻步进电动机的简略示例中，电动机由一个中心转子组成，该中心转子被四个符号为A，B，C和D的电磁场线圈围住。一切具有相同字母的线圈都衔接在一同，以便通电，例如符号为A的线圈将导致磁转子与该组线圈对齐。

  经过顺次向每组线圈供电，能够使转子从一个方位旋转或“步进”一个视点，该视点由其步进视点结构确认，而且经过顺次鼓励线圈，转子将发生旋转运动。

  步进电机驱动器经过按设置次序为励磁线圈通电(例如“ADCB，ADCB，ADCB，A… ”等)来操控电机的步进角和速度，转子将沿一个方向(正向)旋转，将脉冲序列回转为“ ABCD，ABCD，ABCD，A… ”等，转子将沿相反方向旋转(反向)。

  因而，在上面的简略示例中，步进电机有四个线相电机，定子上的极数为八(2 x 4)，每相的距离为45度。转子上的齿数为六个，相距60度。

  然后，转子有24个(6个齿x 4个线圈)或许的方位或“阶梯”完结一整圈。因而，上述步距角为：360 o / 24 = 15 o。

  明显，更多的转子齿和/或定子线圈将导致更多的操控和更小的步进角。相同，经过以不同的装备衔接电动机的电线圈，能够完结全步距，半步距和微步距角。可是，要完结微步进，步进电机有必要由(准)正弦电流驱动，该电流的完结本钱很高。

  也能够经过改动施加到线圈的数字脉冲之间的时刻推迟(频率)来操控步进电机的旋转速度，推迟时刻越长，一整圈的速度就越慢。经过对电动机施加固定数量的脉冲，电动机轴将旋转给定视点。

  运用延时脉冲的优势在于，不需求任何办法的附加反应，由于经过对供给给电动机的脉冲数进行计数，能够精确知道转子的终究方位。对必定数量的数字输入脉冲的这种呼应使步进电机能够在“开环体系”中运转，然后使操控变得既简单又廉价。

  例如，假定咱们上面的步进电机的步距角为每步3.6度。要使电动机旋转例如216度的视点，然后再在所需方位中止，则一共需求：216度/(3.6度/步)= 80个脉冲施加到定子线圈。

  有许多步进电机操控器IC可用，它们能够操控步进速度，旋转速度和电机方向。SAA1027是这样的一种操控器IC，它内置了一切必需的计数器和代码转化功用，而且能够依照正确的次序主动驱动4个彻底受控的桥式输出到电动机。

  旋转方向也能够与单步方式或沿所选方向的接连(无级)旋转一同挑选，但这给操控器带来了一些担负。当运用8位数字操控器时，每步也能够完结256微步

  在关于旋转执行器的本教程中，咱们研讨了有刷和无刷直流电动机，直流伺服电动机和步进电动机，它们是机电致动器，可用作方位或速度操控的输出设备。

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