微型有刷直流電機具有價格便宜、容易操控的特點應(yīng)用在各個領(lǐng)域，如電動玩具、美容產(chǎn)品、個人護理產(chǎn)品、醫(yī)療器械等等大多用到的都是微型有刷直流電機。有刷直流電機的工作原理是怎樣的呢？下面天孚微電機就來帶大家來了解：微型直流電機（有刷）的工作原理。

  首先我們來了解電機的結(jié)構(gòu)，幾乎所有的有刷直流電機組件都是一樣的，定子+電刷+換向器如下圖所示。

  1.定子

  定子能在轉(zhuǎn)子的周圍產(chǎn)生固定的磁場，磁場可以是永磁體或者電磁繞組產(chǎn)生，微型有刷直流電機的分類是由定子或者電磁繞組鏈接到電源的方式來區(qū)別。

  2. 轉(zhuǎn)子

  轉(zhuǎn)子是由一個或者多個繞組構(gòu)成，當(dāng)繞組受到激勵時，就會產(chǎn)生磁場，轉(zhuǎn)子磁場的磁極和定子的磁場磁極相反，互相吸引，從而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)過種中，轉(zhuǎn)子會按照不同的順序持續(xù)激勵繞組，因此轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁極絕不會與定子產(chǎn)生的磁極重疊，這個過種叫做換向。

  3. 電刷與換向器

  微型有刷直流電機與無刷微型電機不同，不需要控制器來切換繞組的電流方向，遙是直接通過換向器進行換向。在微型有刷直流電機的轉(zhuǎn)軸上有安裝一個分片式銅套，這個就是換向器，電機在運轉(zhuǎn)過程中，電刷會沿著換向器滑動，和換向器不同分片接觸。這些分片與不同的轉(zhuǎn)子繞組連接，當(dāng)電刷通電時就會在電機內(nèi)部產(chǎn)生動態(tài)磁場。也是這種原因，導(dǎo)致微型有刷直流電機磨損較為嚴(yán)重，導(dǎo)致電機使用壽命無法太長，這也是微型有刷直流電機的缺陷所在。

  微型有刷直流電機的類型

  1. 微型永磁體有刷直流電機

  這種微型有刷直流電機是最常見的有刷電機，采用永磁體產(chǎn)生磁場，微型電機通的永磁體比繞組定子具有更高的效益，不過永磁體的磁性會隨著時間衰退（永磁體只是一個名字，并不是真正的永磁）。有的永磁體微型直流電機還會加上繞組，防止磁性丟失。由于定子磁場的恒定的，所以永磁體有刷直流電機對電壓變化響應(yīng)非常快（下圖為永磁體直流電機原理圖

）。

  2. 并激有刷直流電機

  微型電機的勵磁線圈與電樞并聯(lián)，勵磁線圈中的電流與電樞中的電流相互獨立（如圖）。 因此，這類電機具有卓越的速度控制能力，并激有刷直流電機不會出現(xiàn)磁性丟失的現(xiàn)象，因此比永磁體電機更加可靠。

  3. 串激有刷直流電機

  即勵磁線圈與電樞串聯(lián)，定子和電樞中的電流均隨負(fù)載的增加而增加，因此這類電機是大轉(zhuǎn)矩應(yīng)用的理想之選。但是對速度不能實現(xiàn)精確控制。

  4. 復(fù)激有刷直流電機

  這種微電機是并激和串激電機的結(jié)合體，可產(chǎn)生串激和并激兩種磁場。綜合了并激和串激電機的性能，它具有大轉(zhuǎn)矩與精準(zhǔn)的速度控制優(yōu)勢。

  微型有刷直流電機基本驅(qū)動電路

  驅(qū)動電路用在使用了某類控制器并且要求速度控制的應(yīng)用中。驅(qū)動電路的目的是為控制器提供改變微型有刷直流電機中繞組電流的方法，就功耗來說，這樣的速度控制方法在改變直流電機的速度方面比起傳統(tǒng)的模擬控制方法效率要高很多。傳統(tǒng)的模擬控制要求與電機繞組串聯(lián)一個額外的變阻器，這樣會降低效率。驅(qū)動直流電機的方法多種多樣。有些應(yīng)用場合僅要求電機往一個方向運轉(zhuǎn)。如下圖，向一個方向驅(qū)動直流電機的電路。前者采用低端驅(qū)動，后者采用高端驅(qū)動。使用低端驅(qū)動的優(yōu)點是可以不必使用FET驅(qū)動器。

  在每個電路中，直流電機的兩端都跨接有一個二極管，目的是防止反電磁通量電壓損壞晶體管。BEMF是在直流電機轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的。 當(dāng)MOSFET關(guān)斷時，電機的繞組仍然處于通電狀態(tài)，會產(chǎn)生反向電流。D1必須具有合適的額定值，以能夠消耗這一電流。

  從上圖可以看出，電阻R1和R2對于每個電路的工作很重要。R1用于保護單片機免遭電流突增的破壞，R2用于確保在輸入引腳處于三態(tài)時，Q1關(guān)斷。

  直流電機的雙向控制需要一個稱為H橋的電路。H橋的得名緣于其原理圖的外觀，它能夠使電機繞組中的電流沿兩個方向運動。要理解這一點，H橋必須被分為兩個部分，或兩個半橋。 Q1和Q2構(gòu)成一個半橋，而Q3和Q4構(gòu)成另一個半橋。每個半橋都能夠控制直流電機一端的導(dǎo)通與關(guān)斷，使其電勢為供應(yīng)電壓或地電位。當(dāng)Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷時，直流電機的左端將處于供電電壓的電勢。導(dǎo)通Q4，保 持Q3關(guān)斷將使電機的相反端接地。標(biāo)注有箭頭的IFWD顯示了該配置下電流的流向。

  每個MOSFET的兩端都跨接有一個二極管（D1-D4）。這些二極管保護MOSFET免遭MOSFET關(guān)斷時由BEMF產(chǎn)生的電流尖峰的破壞。只有在MOSFET內(nèi)部的二極管不足以消耗BEMF電流時，才需要這些二極管。電容 （C1-C4）是可選的。 這些電容的值通常不大于10 pF，它們用于減少由于換向器起拱產(chǎn)生的RF輻射。

  在前向和后向模式中，橋的一端處于地電勢，另一端處于VSUPPLY。IFWD和IRVS箭頭分別描繪了前向和后向運行模式的電路路徑。在慣性滑行模式中，電機繞組的接線端保持懸空，電機靠慣性滑行直至停轉(zhuǎn)。 剎車模式用于快速停止直流電機。 在剎車模式下，直流電機的接線端接地。當(dāng)直流電機旋轉(zhuǎn)時，它充當(dāng)一個發(fā)電機。將電機的引線短路相當(dāng)于電機帶有無窮大負(fù)載，可使電機快速停轉(zhuǎn)。　　

  設(shè)計H橋電路時，必須要考慮到一個非常重要的事項。當(dāng)電路的輸入不可預(yù)測 （比如單片機啟動過程中）時，必須將所有的MOSFET偏置到關(guān)斷狀態(tài)。 這將確保H橋每個半橋上的MOSFET絕不會同時導(dǎo)通。 同時導(dǎo)通同一個半橋上的MOSFET將導(dǎo)致電源短路，最終導(dǎo)致?lián)p壞MOSFET，致使電路無法工作。每個MOSFET驅(qū)動器輸入端上的下拉電阻將實現(xiàn)該功能。

  微型有刷直流電機速度控制

  直流電機的速度與施加給電機的電壓成正比。當(dāng)使用數(shù)控技術(shù)時，脈寬調(diào)制 （PWM）信號被用來產(chǎn)生平均電壓。電機的繞組充當(dāng)一個低通濾波器，因此具有足夠頻率的PWM信號將會在電機繞組中產(chǎn)生一個穩(wěn)定的電流。平均電壓、供電電壓和占空比的關(guān)系由以下公式給出：

  公式1：VAVERAGE= D ×VSUPPLY

  速度和占空比之間成正比關(guān)系。例如，如果額定直流電機在12V時以轉(zhuǎn)速7000 RPM旋轉(zhuǎn)，則當(dāng)給電機施加占空比為50%的信號時，則電機將 （理想情況下）以3500 RPM的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。PWM信號的頻率是考慮的重點。頻率太低會導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)速過低，噪音較大，并且對占空比變化的響應(yīng)過慢（關(guān)于速度控制前面已有文章描述過，這時再重復(fù)下）。

  頻率太高，則會因開關(guān)設(shè)備的開關(guān)損耗而降低系統(tǒng)的效率。經(jīng)驗之談是在4 kHz至20 kHz范圍內(nèi)，調(diào)制輸入信號的頻率。這個范圍足夠高，電機的噪音能夠得到衰減，并且此時MOSFET（或BJT）中的開關(guān)損耗也可以忽略。一般來說，針對給定的電機用實驗的辦法找到滿意的PWM頻率是一個好辦法。

  如何使用PIC單片機來產(chǎn)生控制直流電機速度的PWM信號

  通過編寫專門的匯編或C代碼來交替翻轉(zhuǎn)輸出引腳的電平。另一個方法是選擇帶有硬件PWM模塊的PIC單片機。Microchip提供的具有該功能的模塊為CCP和ECCP模塊。許多PIC單片機都具有CCP和ECCP模塊。CCP模塊能夠在一個I/O引腳上輸出分辨率為10位的PWM信號。10位分辨率意味著模塊可以在0%至100%的范圍內(nèi)實現(xiàn)210（即1024）個可能的占空比值。使用該模塊的優(yōu)點是它能在I/O 引腳上自主產(chǎn)生PWM信號，這樣解放了處理器，使之有時間完成其他任務(wù)。CCP模塊僅要求開發(fā)者對模塊的參數(shù)進行配置。 配置模塊包括設(shè)置頻率和占空比寄存器。ECCP模塊不僅能提供CCP模塊的所有功能，還可以驅(qū)動全橋或半橋電路。ECCP模塊還具有自動關(guān)斷功能和可編程死區(qū)延時。

  微型有刷直流反饋機制

  雖然直流電機的速度一般與占空比成正比，但不存在完全理想的電機。發(fā)熱、換向器磨損以及負(fù)載均會影響電機的速度。 在需要精確控制速度的系統(tǒng)中引入某種反饋機制。速度控制可以兩種方式實現(xiàn)。第一種方式是使用某種類型的速度傳感器。第二種方式是使用電機產(chǎn)生的BEMF電壓。

  傳感器反饋

  有多種傳感器可用于速度反饋。最常見的是光學(xué)編碼器和霍爾效應(yīng)傳感器。 光學(xué)編碼器由多個組件組成。在電機非驅(qū)動端的軸上安裝一個槽輪。一個紅外LED在輪的一側(cè)提供光源，一個光電晶體管在輪的另一側(cè)對光線進行檢測（如圖）。 通過輪中槽隙的光線會使光電晶體管導(dǎo)通。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，光電晶體管會隨著光線通過輪槽與否導(dǎo)通和關(guān)斷。晶體管通斷的頻率表征電機的速度。在電機發(fā)生移位的應(yīng)用中，還將使用光學(xué)編碼器來反饋電機位置。

  霍爾效應(yīng)傳感器也被用來提供速度反饋。與光學(xué)編碼器類似，霍爾效應(yīng)傳感器需要電機上連有一個旋轉(zhuǎn)元件，并且還需要一個靜止元件。旋轉(zhuǎn)元件是一個外緣安裝有一個或多個磁體的轉(zhuǎn)輪。靜止的傳感器檢測經(jīng)過的磁體，并產(chǎn)生TTL脈沖。　　

  反電磁通量

  提供直流電機的快速反饋的另一種形式是BEMF電壓測量。BEMF電壓和速度成正比。 下圖顯示，在雙向驅(qū)動電路中測量BEMF電壓的位置，一個分壓器用于使BEMF電壓下降到0-5V范圍內(nèi)，這樣才能被模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀取。BEMF電壓是在PWM脈沖之間，當(dāng)電機的一端懸空而另一端接地時測量的。在這種情況下，電機充當(dāng)發(fā)電機，并且產(chǎn)生與速度成正比的BEMF電壓。

  由于效率和材料不同，直流電機的行為會略有不同。實驗是確定給定電機速度下BEMF電壓的最好方法。 電機轉(zhuǎn)軸上的反射帶有助于數(shù)字轉(zhuǎn)速計測量電機的轉(zhuǎn)速（單位為RPM）。在讀取數(shù)字轉(zhuǎn)速計時測量BEMF電壓將獲取電機速度和BEMF電壓的關(guān)系。

  有刷直流電機的使用和控制都非常簡便，因此它的設(shè)計周期較短。PIC單片機，特別是具有CCP或ECCP模塊的單片機是驅(qū)動直流電機的理想之選。更多有關(guān)微型直流電機資訊請繼續(xù)關(guān)注天孚電機。