第六講電機的使用

主講人：韓竺秦2013年10月9日電工電子實習

——電機控制新語新知

——汽車車身里面的電動機舉例：你了解的汽車中有多少中電動機或者馬達新語新知

——汽車車身里面的電動機多向可調(diào)電控座椅該座椅共設置了滑動電動機、前垂直電動機、傾斜電動機、后垂直電動機和腰墊電動機，分別對座椅的前后滑動、前部上下移動、靠背前后傾斜、后部上下移動及腰墊前后移動等十個方向進行調(diào)節(jié)。新語新知

——汽車車身里面的電動機鷗翼門、剪刀式車門帕加尼Huayra蘭博基尼新語新知

——汽車車身里面的電動機電動后視鏡新語新知

——汽車車身里面的電動機汽車的電動后視鏡一般由鏡片、驅(qū)動電動機、控制電路及操縱開關等部分組成。在每個后視鏡鏡片的背后都有兩個可逆電動機，可操縱其上下左右運動。通常垂直方向的傾斜運動由一個永磁電動機控制，水平方向的傾斜運動由另一個永磁電動機控制。新語新知

——汽車車身里面的電動機起動電機，雨刮電機、玻璃升降器電機、怠速電機、電動大燈高低調(diào)節(jié)電機、空汽油泵里面也有電機，空調(diào)的鼓風機也是電機帶動葉輪、散熱網(wǎng)風扇電機工作原理電機是把電能轉(zhuǎn)換成機械能的設備。電機之所以會轉(zhuǎn)動，是由于一種洛倫茲力作用的結(jié)果。洛倫茲力產(chǎn)生的機理是：當一段有電流通過的導體處于磁場中時，導體就會受到力（洛倫茲力）的作用，其方向與電流方向和磁場方向均保持垂直。常用電機電機類別五花八門，這里只就常用到的直流電機、步進電機及舵機進行一下簡要介紹。旨在讓大家了解它們的區(qū)別以及各自的用途，并且能熟練地使用這三種電機。電機是使機械能與電能相互轉(zhuǎn)換的機械，直流電機把直流電能變?yōu)闄C械能。作為機電執(zhí)行元部件，直流電機內(nèi)部有一個閉合的主磁路。主磁通在主磁路中流動，同時與兩個電路交聯(lián)，其中一個電路是用以產(chǎn)生磁通的，稱為激磁電路，另外一個是用來傳遞功率，稱為功率回路或者電樞回路?，F(xiàn)行的直流電動機都是旋轉(zhuǎn)電樞式，也就是說激磁繞組及其所包圍的鐵芯組成的磁極為定子，帶換向單元的電樞繞組和電樞鐵芯結(jié)合構(gòu)成直流電動機的轉(zhuǎn)子。直流電機有以下幾方面的優(yōu)點：

(1)調(diào)速范圍廣，且易于平滑調(diào)節(jié)；

(2)過載、起動、制動轉(zhuǎn)矩大；

(3)易于控制，可靠性高；

(4)調(diào)速時的能量損耗較小。U+–NS電刷換向片直流電源電刷換向器線圈II電流方向：上半邊向里，下半邊向外，如圖所示。一、工作原理電動機交流電動機直流電動機籠式繞線式異步機同步機（他勵、并勵、串勵、復勵）主要介紹直流電動機的工作原理。電機直流電機比賽中常用到的直流電機一般有兩根引線，不分正負極。共有兩種不同的供電方式，對應了電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。給直流電機持續(xù)供電，電機就保持工作狀態(tài)。斷電即停止轉(zhuǎn)動。步進電機 （1）通俗來講，所謂步進電機，就是電機運轉(zhuǎn)時是嚴格按一步一步轉(zhuǎn)動的，每一步對應一個確定的轉(zhuǎn)動角度。如1.8°，表示步進電機每轉(zhuǎn)一步對應1.8°。 （2）從控制的角度來看，步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。舵機舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器，適用于那些角度需要不斷變化并能夠保持的控制系統(tǒng)。其工作原理就是，控制端輸入的不同控制信號對應著輸出端不同的角度。

直流電機參數(shù)

額定輸入電壓—電機正常的輸入電壓空載轉(zhuǎn)速—電機的最高轉(zhuǎn)速。輸出功率—電機的最大輸出功率。電機的轉(zhuǎn)矩—電機的輸出轉(zhuǎn)矩等于電流乘以轉(zhuǎn)矩系數(shù)。轉(zhuǎn)矩系數(shù)—電機在一定電流所產(chǎn)生的輸出轉(zhuǎn)矩（N.m/A）電機參數(shù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩—電機無法轉(zhuǎn)動時所對應的轉(zhuǎn)矩，電機所能輸出的最大轉(zhuǎn)矩?？蛰d電流—指電機在空載狀態(tài)的輸入電流。（三）L298驅(qū)動模塊小功率大功率EN1EN2IN1IN2IN3IN4A1A2B1B211101010101101100110001010XXXX10101010XX注意！使能端的開關作用。電機調(diào)速L298N調(diào)速； L298N工作時使能端應拉高。若作調(diào)速用途，單片機的I/O口對使能端輸入PWM波。通過改變PWM波的占空比來調(diào)節(jié)輸出有效電壓的大小。進而達到控制電機轉(zhuǎn)速的目的。占空比可調(diào)的PWM波直流電機優(yōu)點（1）調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)速。（2）過載、起動、制動轉(zhuǎn)矩較大。（3）易于控制，可靠性高。（4）調(diào)速時能量損耗小。直流電機注意！直流電機的供電電壓盡量不要超過標稱電壓！不對直流電機供電時，直流電機沒有保持力矩！直流電機由工作狀態(tài)到停止狀態(tài)，由于轉(zhuǎn)子的慣性會有一個時間差！程序?qū)嵗ㄒ唬┏绦蚬δ?；利用軟件控制直流電機實現(xiàn)正轉(zhuǎn)時的逐漸加速和反轉(zhuǎn)時的逐漸加速?？山柚趌ed燈直觀展示。步進電機介紹步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。在非超載的情況下，可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機的分類分類一：永磁式（PM）—轉(zhuǎn)子有繞組，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步距角一般為7.5°或15°。反應式（VR）—轉(zhuǎn)子無繞組，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步距角一般為1.5°，但噪聲和震動較大?；旌鲜剑℉B）—混合了永磁式和反應式的優(yōu)點，步距角一般為1.8°，應用最為廣泛。步進電機的分類分類二：單極性步進電機雙極性步進電機混合式步進電機單極性步進電機通常也稱為四相步進電機，有四組繞組；雙極性步進電機通常也稱為兩相步進電機，有兩組繞組。對單極性步進電機而言，其線圈兩端的電壓方向是不變的，故稱為單極性；而雙極性步進電機是通過不斷改變其繞組兩端的電壓方向來實現(xiàn)轉(zhuǎn)動的，故稱雙極性。識別步進電機的類別一個雙極性步進電機有四根引線，每個繞組兩根。一個單極性步進電機則可能有五根、六根或者八根。如果是五根，那么有一根引線是四個繞組公用的公共引線，其余四根分別單獨屬于四個繞組。而如果是六根（最常見），則是每兩個繞組公用一根引線。而具有八根引線的步進電機稱為通用步進電機，既可以用作單極性步進電機，也可以用作雙極性步進電機。注意，購買步進電機時，一定要向供應商索取電機附帶的引線示意圖。實物及內(nèi)部原理雙極性步進電機實物雙極性（兩相四線）步進電機內(nèi)部動態(tài)工作原理圖

雙極性步進電機控制XYX-Y-1100011000111001XYX-Y-1000010000100001

雙拍單拍

雙極性步進電機控制XYX-Y-10001100010001100010001100011001半拍控制半拍控制硬件驅(qū)動電路注意；使能端一直拉高！步進電機的優(yōu)點一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積誤差。電機停轉(zhuǎn)的時候具有最大的轉(zhuǎn)矩（當繞組有激磁時）。優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應。使用步進電機注意事項（1）電機旋轉(zhuǎn)的角度正比于脈沖數(shù)。（2）步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。（3）如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，為了防止步進電機丟步，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的頻率（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。（4）步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。繞組轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生反向電動勢，且隨轉(zhuǎn)速的增大而增加，進而影響相電流。程序?qū)嵗ǘ┏绦蚬δ?；利用軟件控制步進電機實現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)?？山柚趌ed燈直觀展示。舵機介紹舵機英文稱Servo，也稱伺服機。其特點是結(jié)構(gòu)簡單、易安裝調(diào)試、控制簡單、大扭力、成本較低等。舵機的性能主要取決于最大力矩和工作速度（一般是以秒/60°為單位）。舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器，適用于那些角度需要不斷變化并能夠保持的控制系統(tǒng)。圖片舵機引腳標準的舵機有三條引線，分別是電源線Vcc、地線GND和控制信號線。舵機工作原理舵機主要是由外殼、電路板、核心電機、齒輪與位置檢測器所構(gòu)成。其工作原理是：控制信號由接收機的通道進入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個基準電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負輸出到電機驅(qū)動芯片決定電機的正反轉(zhuǎn)。當電機轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機停止轉(zhuǎn)動。

原理框圖信號調(diào)制芯片控制信號基準電路偏壓2偏壓1電壓差電機驅(qū)動芯片電機轉(zhuǎn)動電位器齒輪機構(gòu)舵機的控制控制舵機時，需要根據(jù)相應舵機的功率，選擇足夠功率的電源為舵機供電，控制端無需大電流，直接使用單片機I/O口就可以了。采用單片機驅(qū)動舵機時，一般是采用PPM（脈沖比例調(diào)制）來告訴舵機應該轉(zhuǎn)到那里。也就是說脈沖的寬度是舵機控制器需要的編碼信息。它經(jīng)常被理解為PWM，PWM的占空比可以是從0到100%，而PPM只是利用20mS周期時間中0.5～2.5mS之間的部分來對信息編碼。定時器。。PPM注意：脈沖寬度控制的是舵機的絕對角度，而不是相對角度。另外，脈沖一定要持續(xù)提供，維持舵機角度。演示驅(qū)動自行思考；一個L298N驅(qū)動模塊可以同時控制幾路舵機？程序?qū)嵗ㄈ┏绦蚬δ?；利用軟件產(chǎn)生一個20ms周期的PPM波，通過單片機I/O口控制舵機轉(zhuǎn)角。電機驅(qū)動模塊L298的典型應用電動小車的組成 一個電動小車整體的運行性能，首先取決于它的電源模塊和電機驅(qū)動模塊。電機驅(qū)動模塊主要功能：驅(qū)動小車輪子轉(zhuǎn)動，使小車行進。 電源模塊：顧名思義，就是為整個系統(tǒng)提供動力支持的部分。電機部分電動小車的驅(qū)動系統(tǒng)一般由控制器、功率變換器及電動機三個主要部分組成。電動小車的驅(qū)動不但要求電機驅(qū)動系統(tǒng)具有高轉(zhuǎn)矩重量比、寬調(diào)速范圍、高可靠性，而且電機的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性受電源功率的影響，這就要求驅(qū)動具有盡可能寬的高效率區(qū)。我們所使用的電機一般為直流電機，主要用到永磁直流電機、伺服電機及步進電機三種。直流電機的控制很簡單，性能出眾，直流電源也容易實現(xiàn)。

這種直流電機的驅(qū)動及控制需要電機驅(qū)動芯片進行驅(qū)動。常用的電機驅(qū)動芯片有L297/298，MC33886，ML4428等。下面我們主要對L298進行詳細的講解。L298驅(qū)動芯片L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路。是一種二相和四相電機的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46V、2A以下的電機。其實物及引腳圖如下所示：實物圖管腳圖L298內(nèi)部的原理圖L298的邏輯功能

IN1IN2ENA電機狀態(tài)110停止011逆時針101順時針XX0停止000停止電機驅(qū)動模塊連接圖L298有兩路電源分別為邏輯電源和動力電源，上圖中6V為邏輯電源，12V為動力電源。J4接入邏輯電源，J6接入動力電源，J1與J2分別為單片機控制兩個電機的輸入端，J3與J5分別與兩個電極的正負極相連。ENA與ENB直接接入6V邏輯電源也就是說兩個電機時刻都工作在使能狀態(tài)，控制電機的運行狀態(tài)只有通過J1與J2兩個接口。由于我們使用的電機是線圈式的，在從運行狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換到停止狀態(tài)和從順時針狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換到逆時針狀態(tài)時會形成很大的反向電流，在電路中加入二極管的作用就是在產(chǎn)生反向電流的時候進行泄流，保護芯片的安全。PCB圖電機驅(qū)動例程/*****************************************實現(xiàn)電機的方向控制******************************************/

#include<reg51.h>

#define uchar unsignedchar

#define uint unsignedint/***************************************端口定義****************************************/

sbitIN1=P1^0;//P10與電機驅(qū)動IN1相連

sbitIN2=P1^1; //P11與電機驅(qū)動IN2相連

sbitIN3=P1^2; //P12與電機驅(qū)動IN3相連

sbitIN4=P1^3; //P13與電機驅(qū)動IN4相連/****************************各個子函數(shù)定義****************************/voidTurn_left(void){

IN1=0;IN2=0;IN3=0;IN4=1;}voidTurn_right(void){IN1=1;IN2=0;IN3=0;IN4=0;}

voidGo(void){IN1=1;IN2=0;IN3=1;IN4=0;}

voidBack(void){IN1=0;IN2=1;IN3=0;IN4=1;}/*********************************************************主函數(shù)**********************************************************/main(){while(1){ Go(); Delay(20); Back(); Delay(20); Turn_left(); Delay(20);