詳解直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

1、直流電機(jī)（direct current machine ）是指能將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能 （直流電動(dòng)機(jī)）或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成直流電能（直流發(fā)電機(jī)）的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。它 是能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)。當(dāng)它作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流電 動(dòng)機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換 為電能。直流電機(jī)的基本構(gòu)成直流電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，其間有一定的氣隙。直流電機(jī)的定子由機(jī)座、主磁極、換向磁極、前后端蓋和刷架等部件組 成。其中主磁極是產(chǎn)生直流電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的主要部件，由永磁體或帶有直流 勵(lì)磁繞組的疊片鐵心構(gòu)成。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子則由電樞、換向器（又稱整流子）和轉(zhuǎn)軸等部件構(gòu)成。 其中電樞由電

2、樞鐵心和電樞繞組兩部分組成。電樞鐵心由硅鋼片疊成，在其 外圓處均勻分布著齒槽，電樞繞組則嵌置于這些槽中。換向器是一種機(jī)械整流部件。由換向片疊成圓筒形后，以金屬夾件或塑 料成型為一個(gè)整體。各換向片間互相絕緣。換向器質(zhì)量對(duì)運(yùn)行可靠性有很大 影響。直流電機(jī)的組成結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不 動(dòng)的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)，由機(jī)座、主磁極、換向極、 端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是 產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又 稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。01定子主磁

3、極主磁極的作用是產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)。主磁極由主磁極鐵心和勵(lì)磁繞組兩部分 組成鐵心一般用0.5mm1.5mm厚的硅鋼板沖片疊壓鉚緊而成，分為極身和 極靴兩部分，上面套勵(lì)磁繞組的部分稱為極身，下面擴(kuò)寬的部分稱為極靴， 極靴寬于極身，既可以調(diào)整氣隙中磁場(chǎng)的分布，又便于固定勵(lì)磁繞組。勵(lì)磁 繞組用絕緣銅線繞制而成，套在主磁極鐵心上。整個(gè)主磁極用螺釘固定在機(jī) 座上。換向極換向極的作用是改善換向，減小電機(jī)運(yùn)行時(shí)電刷與換向器之間可能產(chǎn)生 的換向火花，一般裝在兩個(gè)相鄰主磁極之間，由換向極鐵心和換向極繞組組 成。換向極繞組用絕緣導(dǎo)線繞制而成，套在換向極鐵心上，換向極的數(shù)目與 主磁極相等。機(jī)座電機(jī)定子的外殼稱為機(jī)座。機(jī)座

4、的作用有兩個(gè)： 一是用來(lái)固定主磁極、換向極和端蓋，并起整個(gè)電機(jī)的支撐和固定作用。二是機(jī)座本身也是磁路的一部分，借以構(gòu)成磁極之間磁的通路，磁通通過(guò)的部 分稱為磁軛。為保證機(jī)座具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和良好的導(dǎo)磁性能，一般為鑄鋼 件或由鋼板焊接而成。電刷裝置電刷裝置是用來(lái)引入或引出直流電壓和直流電流的。電刷裝置由電刷、 刷握、刷桿和刷桿座等組成。電刷放在刷握內(nèi)，用彈簧壓緊，使電刷與換向 器之間有良好的滑動(dòng)接觸，刷握固定在刷桿上，刷桿裝在圓環(huán)形的刷桿座上， 相互之間必須絕緣。刷桿座裝在端蓋或軸承內(nèi)蓋上，圓周位置可以調(diào)整，調(diào) 好以后加以固定。02轉(zhuǎn)子電樞鐵心電樞鐵心是主磁路的主要部分，同時(shí)用以嵌放電樞繞組。

5、一般電樞鐵心 采用由0.5mm厚的硅鋼片沖制而成的沖片疊壓而成，以降低電機(jī)運(yùn)行時(shí)電樞 鐵心中產(chǎn)生的渦流損耗和磁滯損耗。疊成的鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上。 鐵心的外圓開(kāi)有電樞槽，槽內(nèi)嵌放電樞繞組。電樞繞組電樞繞組的作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是直流電機(jī)進(jìn)行能量變 換的關(guān)鍵部件，所以叫電樞。它是由許多線圈（以下稱元件）按一定規(guī)律連 接而成，線圈采用高強(qiáng)度漆包線或玻璃絲包扁銅線繞成，不同線圈的線圈邊 分上下兩層嵌放在電樞槽中，線圈與鐵心之間以及上、下兩層線圈邊之間都 必須妥善絕緣。為防止離心力將線圈邊甩出槽外，槽口用槽楔固定。線圈伸 出槽外的端接部分用熱固性無(wú)緯玻璃帶進(jìn)行綁扎。換向器在直流電動(dòng)機(jī)

6、中，換向器配以電刷，能將外加直流電源轉(zhuǎn)換為電樞線圈 中的交變電流，使電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變；在直流發(fā)電機(jī)中，換向器配以 電刷，能將電樞線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換為正、負(fù)電刷上引出的直 流電動(dòng)勢(shì)。換向器是由許多換向片組成的圓柱體，換向片之間用云母片絕緣。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸起轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的支撐作用，需有一定的機(jī)械強(qiáng)度和剛度，一般用圓鋼 加工而成。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路-設(shè)計(jì)目標(biāo)在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)中，主要考慮一下幾點(diǎn)。01功能電機(jī)是單向還是雙向轉(zhuǎn)動(dòng)？需不需要調(diào)速？對(duì)于單向的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，只要用一個(gè)大功率三極管或場(chǎng)效應(yīng)管或繼電器直 接帶動(dòng)電機(jī)即可，當(dāng)電機(jī)需要雙向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以使用由4個(gè)功率元件組成的 H橋電路或者使用

7、一個(gè)雙刀雙擲的繼電器。如果不需要調(diào)速，只要使用繼電 器即可；但如果需要調(diào)速，可以使用三極管、場(chǎng)效應(yīng)管等開(kāi)關(guān)元件實(shí)現(xiàn) PWM 調(diào)速。02性能對(duì)于PWM調(diào)速的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，主要有以下性能指標(biāo)。（1）輸出電流和電壓范圍。它決定著電路能驅(qū)動(dòng)多大功率的電機(jī)。（2）效率。高的效率不僅意味著節(jié)省電源，也會(huì)減少驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)熱。 要提高電路的效率，可以從保證功率器件的開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)和防止共態(tài)導(dǎo)通入 手。（3）對(duì)控制輸入端的影響。功率電路對(duì)其輸入端應(yīng)有良好的信號(hào)隔離， 防止有高電壓大電流進(jìn)入主控電路，這可以用高的輸入阻抗或者光電耦合器 實(shí)現(xiàn)隔離。（4）對(duì)電源的影響。共態(tài)導(dǎo)通可以引起電源電壓的瞬間下降造成高頻電 源污

8、染;大的電流可能導(dǎo)致地線電位浮動(dòng)。（5）可靠性。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該盡可能做到，無(wú)論加上何種控制信號(hào)， 何種無(wú)源負(fù)載，電路都是安全的。三極管-電阻做柵極驅(qū)動(dòng)01輸入與電平轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)線由DATA引入，1腳是地線，其余是信號(hào)線。注意1腳對(duì)地連 接了一個(gè)2K歐的電阻。當(dāng)驅(qū)動(dòng)板與單片機(jī)分別供電時(shí)，這個(gè)電阻可以提供 信號(hào)電流回流的通路。當(dāng)驅(qū)動(dòng)板與單片機(jī)共用一組電源時(shí)，這個(gè)電阻可以防 止大電流沿著連線流入單片機(jī)主板的地線造成干擾?；蛘哒f(shuō)，相當(dāng)于把驅(qū)動(dòng) 板的地線與單片機(jī)的地線隔開(kāi)，實(shí)現(xiàn)“一點(diǎn)接地”。高速運(yùn)放KF347（也可以用TL084）的作用是比較器，把輸入邏輯信號(hào)同 來(lái)自指示燈和一個(gè)二極管的2.7V基準(zhǔn)電

9、壓比較，轉(zhuǎn)換成接近功率電源電壓 幅度的方波信號(hào)。KF347的輸入電壓范圍不能接近負(fù)電源電壓，否則會(huì)出錯(cuò)。 因此在運(yùn)放輸入端增加了防止電壓范圍溢出的二極管。輸入端的兩個(gè)電阻一 個(gè)用來(lái)限流，一個(gè)用來(lái)在輸入懸空時(shí)把輸入端拉到低電平。不能用LM339或其他任何開(kāi)路輸出的比較器代替運(yùn)放，因?yàn)殚_(kāi)路輸出的 高電平狀態(tài)輸出阻抗在1千歐以上，壓降較大，后面一級(jí)的三極管將無(wú)法截 止。02柵極驅(qū)動(dòng)后面三極管和電阻，穩(wěn)壓管組成的電路進(jìn)一步放大信號(hào)，驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管 的柵極并利用場(chǎng)效應(yīng)管本身的柵極電容（大約1000pF）進(jìn)行延時(shí)，防止H橋上 下兩臂的場(chǎng)效應(yīng)管同時(shí)導(dǎo)通（共態(tài)導(dǎo)通）造成電源短路。當(dāng)運(yùn)放輸出端為低電平時(shí)，下面的三

10、極管截止，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通；上面的 三極管導(dǎo)通，場(chǎng)效應(yīng)管截止，輸出為高電平。當(dāng)運(yùn)放輸出端為高電平時(shí)，下 面的三極管導(dǎo)通，場(chǎng)效應(yīng)管截止；上面的三極管截止，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，輸出 為低電平。上面的分析是靜態(tài)的，下面討論開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)過(guò)程：三極管導(dǎo)通電阻 遠(yuǎn)小于2kQ，因此三極管由截止轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管柵極電容上的電荷可 以迅速釋放，場(chǎng)效應(yīng)管迅速截止。但是三極管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)換到截止時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管 柵極通過(guò)2kQ電阻充電卻需要一定的時(shí)間。相應(yīng)的，場(chǎng)效應(yīng)管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)換 到截止的速度要比由截止轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通的速度快。假如兩個(gè)三極管的開(kāi)關(guān)動(dòng)作 是同時(shí)發(fā)生的，這個(gè)電路可以讓上下兩臂的場(chǎng)效應(yīng)管先斷后通，消除共態(tài)導(dǎo) 通現(xiàn)象。實(shí)際上，

11、運(yùn)放輸出電壓變化需要一定的時(shí)間，這段時(shí)間內(nèi)運(yùn)放輸出電壓 處于正負(fù)電源電壓之間的中間值。這時(shí)兩個(gè)三極管同時(shí)導(dǎo)通，場(chǎng)效應(yīng)管就同 時(shí)截止了。所以實(shí)際的電路比這種理想情況還要安全一些。場(chǎng)效應(yīng)管柵極的12V穩(wěn)壓二極管用于防止場(chǎng)效應(yīng)管柵極過(guò)壓擊穿。一般 的場(chǎng)效應(yīng)管柵極的耐壓是18V或20V，直接加上24V電壓將會(huì)擊穿，因此這 個(gè)穩(wěn)壓二極管不能用普通的二極管代替，但是可以用2千歐的電阻代替，同 樣能得到12V的分壓。03場(chǎng)效應(yīng)管輸出大功率場(chǎng)效應(yīng)管內(nèi)部在源極和漏極之間反向并聯(lián)有二極管，接成H橋使 用時(shí)，相當(dāng)于輸出端已經(jīng)并聯(lián)了消除電壓尖峰用的四個(gè)二極管，因此這里就 沒(méi)有外接二極管。輸出端并聯(lián)一個(gè)小電容（out1

12、和out2之間）對(duì)降低電機(jī)產(chǎn) 生的尖峰電壓有一定的好處，但是在使用PWM時(shí)有產(chǎn)生尖峰電流的副作用， 因此容量不宜過(guò)大。在使用小功率電機(jī)時(shí)這個(gè)電容可以略去。如果加這個(gè)電 容的話，一定要用高耐壓的，普通的瓷片電容可能會(huì)出現(xiàn)擊穿短路的故障。輸出端并聯(lián)的由電阻和發(fā)光二極管，電容組成的電路指示電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方 向。04性能指標(biāo)電源電壓1530V，最大持續(xù)輸出電流5A/每個(gè)電機(jī)，短時(shí)間（10秒）可以 達(dá)到10A，PWM頻率最高可以用到30KHz（ 一般用1到10KHz）。電路板包含4 個(gè)邏輯上獨(dú)立的，輸出端兩兩接成H橋的功率放大單元，可以直接用單片機(jī) 控制。實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙向轉(zhuǎn)動(dòng)和調(diào)速。05布線大電流線路要盡量的

13、短粗，并且盡量避免經(jīng)過(guò)過(guò)孔，一定要經(jīng)過(guò)過(guò)孔的 話要把過(guò)孔做大一些（1mm）并且在焊盤上做一圈小的過(guò)孔，在焊接時(shí)用焊錫 填滿，否則可能會(huì)燒斷。另外，如果使用了穩(wěn)壓管，場(chǎng)效應(yīng)管源極對(duì)電源和 地的導(dǎo)線要盡可能的短粗，否則在大電流時(shí)，這段導(dǎo)線上的壓降可能會(huì)經(jīng)過(guò) 正偏的穩(wěn)壓管和導(dǎo)通的三極管將其燒毀。在一開(kāi)始的設(shè)計(jì)中，NMOS管的源極于地之間曾經(jīng)接入一個(gè)0.15歐的電 阻用來(lái)檢測(cè)電流，這個(gè)電阻就成了不斷燒毀板子的罪魁禍?zhǔn)?。?dāng)然如果把穩(wěn) 壓管換成電阻就不存在這個(gè)問(wèn)題了。低壓驅(qū)動(dòng)電路的簡(jiǎn)易柵極驅(qū)動(dòng)一般功率場(chǎng)效應(yīng)管的最高柵源電壓為20V左右，所以在24V應(yīng)用中要保 證柵源電壓不能超過(guò)20V，增加了電路的復(fù)雜程度

14、。但在12V或更低電壓的 應(yīng)用中，電路就可以大大簡(jiǎn)化。上圖就是一個(gè)12V驅(qū)動(dòng)橋的一邊，上面電路的三極管部分被兩個(gè)二極管 和兩個(gè)電阻代替。由于場(chǎng)效應(yīng)管柵極電容的存在，通過(guò)R3, R4向柵極電容 充電使場(chǎng)效應(yīng)管延緩導(dǎo)通；而通過(guò)二極管直接將柵極電容放電使場(chǎng)效應(yīng)管立 即截止，從而避免了共態(tài)導(dǎo)通。這個(gè)電路要求在IN端輸入的是邊緣陡峭的方波脈沖，因此控制信號(hào)從 單片機(jī)或者其他開(kāi)路輸出的設(shè)備接入后，要經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器（比如555） 或者推挽輸出的高速比較器才能接到IN端。如果輸入邊緣過(guò)緩，二極管延 時(shí)電路也就失去了作用。R3、R4的選取與IN信號(hào)邊沿升降速度有關(guān)，信號(hào)邊緣越陡峭，R3、R4 可以選的越小，開(kāi)

15、關(guān)速度也就可以做的越快。邊沿延時(shí)驅(qū)動(dòng)電路在前級(jí)邏輯電路里，有意地對(duì)控制PMOS的下降沿和控制NMOS的上升沿 進(jìn)行延時(shí)，再整形成方波，也可以避免場(chǎng)效應(yīng)管的共態(tài)導(dǎo)通。另外，這樣做這個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路由兩級(jí)三極管組成：前級(jí)提供驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管柵極所需 的正確電壓，后級(jí)是一級(jí)射極跟隨器，降低輸出阻抗，消除柵極電容的影響。 為了保證不共態(tài)導(dǎo)通，輸入的邊沿要比較陡，上述先延時(shí)再整形的電路就可 以做到。其他幾種驅(qū)動(dòng)電路01繼電器+半導(dǎo)體功率器件繼電器有著電流大，工作穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，可以大大簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。 在需要實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，也可以充分利用繼電器。有一個(gè)方案就 是利用繼電器來(lái)控制電流方向來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)向

16、，而用單個(gè)的特大電流場(chǎng)效應(yīng) 管（比如IRF3205，一般只有N型特大電流的管子）來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速，如下右圖所示。這樣是實(shí)現(xiàn)特別大電流驅(qū)動(dòng)的一個(gè)方法。換向的繼電器要使用雙 刀雙擲型的，接線如下左圖；線圈接線如下中圖。02步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)小功率4相步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下面是一種驅(qū)動(dòng)電路框圖：達(dá)林頓管陣列ULN2803分別從鎖存器取出第0、2、4、6位和1、3、5、 7位去驅(qū)動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)。四相步進(jìn)電機(jī)的通電順序可以有幾種：A、B、C、 D（4 相 4 拍）；AB、BC、CD、DA（4 相雙 4 拍）；A、AB、B、BC、C、CD、D、 DA（4相8拍）。為了兼顧穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)矩和功耗，一般采用4相8拍方式。所

17、有這些方式都可以通過(guò)循環(huán)移位實(shí)現(xiàn)（也要有定期監(jiān)控），為了使4相8拍容 易實(shí)現(xiàn)，鎖存器與驅(qū)動(dòng)部分采用了交叉連接。步進(jìn)電機(jī)工作在四相八拍模式，對(duì)應(yīng)每個(gè)步進(jìn)電機(jī)要有四個(gè)信號(hào)輸入端， 理論上向端口輸出信號(hào)可以控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的工作。寄存器循環(huán)移位奇偶 位分別作兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)端的做法，其思想如下： LOOP: MOV A,#1110000B;在 A 寄存器中置入 11100000 RR A;右移位AJMPLOOP;循環(huán)右移位這樣在寄存器A中存儲(chǔ)的值會(huì)有如下循環(huán)：11100000f01110000f00111000f00011100f00001110f00000111f10000 011-110000

18、01-11100000其奇數(shù)位有如下循環(huán)：1000-1100-0100-0110-0010-0011-0001-1001-1000其偶數(shù)位有如下循環(huán)：110001000110001000110001 1001 10001100將A輸出到P0端口，則奇數(shù)位和偶數(shù)位正是我們所需要的步進(jìn)電機(jī)輸 入信號(hào)。而事實(shí)上每個(gè)電機(jī)的動(dòng)作是不同的，為此我們?cè)赗AM中為每個(gè)電機(jī)開(kāi)辟 一個(gè)byte的狀態(tài)字節(jié)用以循環(huán)移位。在每一個(gè)電機(jī)周期里，根據(jù)需要對(duì)每 個(gè)電機(jī)的byte進(jìn)行移位，并用ANL指令將兩個(gè)電機(jī)的狀態(tài)合成到一個(gè)字節(jié) 里輸出，此時(shí)的A同時(shí)可以控制兩個(gè)電機(jī)了。步進(jìn)電機(jī)的速度由驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率決定，移位的周期不同，電機(jī)的速度 也就不同了。前面提到的電機(jī)周期，應(yīng)該取各種可能的周期的最大公約數(shù)。 換句話說(shuō)，一旦電機(jī)周期取定，每個(gè)電機(jī)移位的周期應(yīng)該是它的倍數(shù)。在程序中，對(duì)每個(gè)電機(jī)的相應(yīng)時(shí)刻設(shè)定相應(yīng)的分頻比值，同時(shí)用一個(gè)變 量進(jìn)行加一計(jì)數(shù)：每到一個(gè)電機(jī)周期若計(jì)數(shù)變量分頻比值，則計(jì)