微型直流电机驱动原理及设计

微型直流电动机驱动及控制电路设计主讲人：吕国涛直流电动机应用•录音机、录像机、电动剃须刀、电动玩具、电动自行车等•控制内容：直流电动机启动、暂停或转速、旋转方向等•驱动电路构成：直流电源、开关、调速装置等•直流电机工作原理不讲，自己看书电机的种类电机是一种将电能转换成机械能的装置，在各个领域都有广泛的应用。电机有多种不同的类型，常见电机分类如下：控制电机电动机信号电机电机发电机功率电机伺服电机步进电机力矩电机无刷直流电机直流电机交流电机交直两用电机直流发电机交流发电机速度信号电机位置信号电机直流电机的基本工作原理和结构直流电机的主要结构主磁极：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成换向磁极：改善换向。电刷装置：与换向片配合,完成直流与交流的互换机座和端盖：起支撑和固定作用。定子转子电枢铁心：主磁路的一部分，放置电枢绕组。电枢绕组：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。换向器：与电刷装置配合,完成直流与交流的互换转轴轴承直流电机的工作原理直流电机的基本工作原理和结构一、直流发电机工作原理右图为直流发电机的物理模型，N、S为定子磁极，abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端a、d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。直流电动机的调速方法•1、变电枢电压调速。这种方法具有启动力矩大，阻尼效果好，响应速度快，线性度好等优点，应用较多。•2、变磁通调速。实际上是改变励磁磁场的大小，对于励磁电机来说，改变励磁电压可以进行变磁通调速。这种调速方式调速范围小，而且会使电机的机械特性变软，一般只作为变电枢电压调速的辅助方式。•3、串电阻调速。这种调速是保持输入电压不变，在电枢回路中串入电阻来进行调速。这种方式引起电机的机械特性变软，功耗增大，一般应用不多。直流电机的驱动二.开关驱动型：利用大功率晶体管的开关作用。处理器光电隔离大功率晶体管电机PWM信号PWM信号功率输出晶体管将恒定的直流电源转换成一定的方波电压加在电机电枢上。优点：与线性驱动方式不同，该方式下，晶体管工作在开关状态。当器件导通时，器件的电流很大但压降却很小；器件关断时，压降很大电流却很小。因此这种驱动方式功耗小，效率高。通过控制开关的频率和脉宽，可以对电机的转动进行控制。直流电机的驱动-PWM方式PWM全称是脉冲宽度调制。采用PWM进行电机的调速控制，实际上是保持加在电机电枢上的脉冲电压频率不变，调节其脉冲宽度。电机是一个惯性环节，它的电枢电流和转速均不能突变，很高频率的PWM波加在电机上，效果相当于施加一个恒定电压的直流电，这个电压可以由脉冲的宽度调节。围绕PWM还有许多其他的调速方式，如PFM(脉冲频率调节)、SPWM、随机PWM等。直流电机的驱动电路-H桥PWM驱动方式易于与处理器接口，使用简单，性能较好。相应的驱动电路有多种形式，最常用的一种是H桥电路。H桥驱动电路原理一、H桥驱动电路图中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注意：该图只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如下图所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。H桥驱动电路原理H桥电路驱动电机顺时针转动下图所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。H桥驱动电路原理H桥电路驱动电机逆时针转动实际使用的时候，用分立元件制作H桥是很麻烦的，好在现在市面上有很多封装好的H桥集成电路，接上电源、电机和控制信号就可以使用了，在额定的电压和电流内使用非常方便可靠。比如常用的L293D、L298N、MC33886、TA7257P、SN754410、BTS7970等。H桥驱动电路原理实际H桥电路L298是著名的SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路，具有两套H桥电路。L298内置两个H桥，每个桥提供1A的额定工作电流，和最大3A的峰值电流。它能驱动的马达不超过可乐罐大小。H桥驱动芯片-L298•电机驱动的几点心得：•1.电机供电最好和单片机供电独立开来，中间加光耦隔离。防止电机通过回路干扰单片机。如果非要共用一个电源，那也要采取一些措施模拟地和数字地单点共地，采用0欧电阻或磁珠连接；•2.元件件的参数要留一定的富裕量，保证能可靠工作。IC器件VCC加104电容高频滤波；•3.PCB布线强弱电分开，尽量远离走线；H桥驱动芯片-L298