直流電動機 是將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能的電動機。因其良好的調(diào)速性能而在電力拖動中得到廣泛應(yīng)用。直流電動機按勵磁方式分為永磁、他勵和自勵3類，其中自勵又分為并勵、串勵和復(fù)勵3種。當(dāng)直流電源通過電刷向電樞繞組供電時，電樞表面的N極下導(dǎo)體可以流過相同方向的電流，根據(jù)左手定則導(dǎo)體將受到逆時針方向的力矩作用;電樞表面S極下部分導(dǎo)體也流過相同方向的電流，同樣根據(jù)左手定則導(dǎo)體也將受到逆時針方向的力矩作用。
這樣，整個電樞繞組即轉(zhuǎn)子將按逆時針旋轉(zhuǎn)，輸入的直流電能就轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子軸上輸出的機械能。由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子：基座，主磁極，換向極，電刷裝置等;轉(zhuǎn)子(電樞)：電樞鐵心，電樞繞組，換向器，轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等。直流電動機轉(zhuǎn)子部分由電樞鐵芯、電樞、換向器等裝置組成，下面對構(gòu)造中的各部件進行詳細介紹。
1.電樞鐵芯部分：其作用是嵌放電樞繞組和顛末磁通，為了下降電機工作時電樞鐵芯中發(fā)作的渦流損耗和磁滯損耗。
2.電樞部分：作用是發(fā)作電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，而進行能量變換。電樞繞組有許多線圈或玻璃絲包扁鋼銅線或強度漆包線。
3.換向器又稱整流子，在直流電動機中，它的作用是將電刷上的直流電源的電流變換成電樞繞組內(nèi)的溝通電流，使電磁轉(zhuǎn)矩的傾向穩(wěn)定不變，在直流發(fā)電機中，它將電樞繞組溝通電動勢變換為電刷端上輸出地直流電動勢。換向器由許多片構(gòu)成的圓柱體之間用云母絕緣，電樞繞組每一個線圈兩端區(qū)分接在兩個換向片上。
直流發(fā)電機中換向器的作用是把電樞繞組中的交變電動熱變換為電刷間的直流電動勢，負載中就有電流通過，直流發(fā)電機向負載輸出電功率，同時電樞線圈中也肯定有電流通過。它與磁場相互作用發(fā)作電磁轉(zhuǎn)矩，其傾向與發(fā)電機相反，原想法只需抑制這一磁場轉(zhuǎn)矩才華股動電樞改變。因此，發(fā)電機向負載輸出電功率的還，從原想法輸出機械功率，完結(jié)了直流發(fā)電機將機械能變換為電能的作用。
什么是電機驅(qū)動器?電機驅(qū)動器是控制扭矩、位置輸出和電機速度的電子設(shè)備。驅(qū)動器可以對進入電機的負載電流進行普通開關(guān)或者PWM控制，從而實現(xiàn)想要的電機工作狀態(tài)。電機控制器和電機驅(qū)動器是同一個東西，只不過是兩個不同的名字而已。接下來我們說說直流電機驅(qū)動電路。
直流電機驅(qū)動電路的基本功能是將交流電 (AC) 轉(zhuǎn)換為直流電 (DC)，為直流電機供電。直流驅(qū)動器是用作直流電機和控制器之間接口的電源模塊。通常，電機帶有與驅(qū)動電路集成在一起的控制器，有助于為與驅(qū)動器通信的控制信號供電。
有幾種不同類型的直流電機驅(qū)動器，最常見的驅(qū)動器類型帶有兩個 SCR(可控硅整流器)，它們使用單相交流輸入來產(chǎn)生半周期直流輸出。這種驅(qū)動方式稱為半橋法。更復(fù)雜和更強大的直流驅(qū)動器包含六個可控硅整流器，通過使用全橋的方法來驅(qū)動。當(dāng)使用全橋驅(qū)動方式時，六個可控硅可以將三相交流輸入來實現(xiàn)直流輸出。
無刷直流電機驅(qū)動控制電路如圖1 所示。該電路采用三相六臂全橋驅(qū)動方式，采用此方式可以減少電流波動和轉(zhuǎn)矩脈動，使得電機輸出較大的轉(zhuǎn)矩。在電機驅(qū)動部分使用6個功率場效應(yīng)管控制輸出電壓，四軸飛行器中的直流無刷電機驅(qū)動電路電源電壓為12 V.驅(qū)動電路中，Q1~Q3采用IR公司的IRFR5305(P溝道)，Q4~Q6為IRFR1205(N 溝道)。該場效應(yīng)管內(nèi)藏續(xù)流二極管，為場效應(yīng)管關(guān)斷時提供電流通路，以避免管子的反向擊穿，其典型特性參數(shù)見表1.T1~T3 采用PDTC143ET 為場效應(yīng)管提供驅(qū)動信號。
下面為您詳細介紹直流電機驅(qū)動設(shè)計需要注意的事項，低壓驅(qū)動電路的簡易柵極驅(qū)動、邊沿延時驅(qū)動電路圖解及其設(shè)計思路。
由圖1 可知，A1~A3 提供三相全橋上橋臂柵極驅(qū)動信號，并與ATMEGA16單片機的硬件PWM驅(qū)動信號相接，通過改變PWM信號的占空比來實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速控制;B1~B3提供下橋臂柵極驅(qū)動信號，由單片機的I/O口直接提供，具有導(dǎo)通與截止兩種狀態(tài)。
一、 直流電機驅(qū)動電路的設(shè)計目標(biāo)
在直流電機驅(qū)動電路的設(shè)計中，主要考慮一下幾點：
1.功能：電機是單向還是雙向轉(zhuǎn)動?需不需要調(diào)速?對于單向的電機驅(qū)動，只要用一個大功率三極管或場效應(yīng)管或繼電器直接帶動電機即可，當(dāng)電機需要雙向轉(zhuǎn)動時，可以使用由4個功率元件組成的H橋電路或者使用一個雙刀雙擲的繼電器。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，場效應(yīng)管等開關(guān)元件實現(xiàn)PWM(脈沖寬度調(diào)制)調(diào)速。
2. 性能：對于PWM調(diào)速的電機驅(qū)動電路，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)動多大功率的電機。
2)效率，高的效率不僅意味著節(jié)省電源，也會減少驅(qū)動電路的發(fā)熱。要提高電路的效率，可以從保證功率器件的開關(guān)工作狀態(tài)和防止共態(tài)導(dǎo)通(H橋或推挽電路可能出現(xiàn)的一個問題，即兩個功率器件同時導(dǎo)通使電源短路)入手。
3)對控制輸入端的影響。功率電路對其輸入端應(yīng)有良好的信號隔離，防止有高電壓大電流進入主控電路，這可以用高的輸入阻抗或者光電耦合器實現(xiàn)隔離。
4)對電源的影響。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染;大的電流可能導(dǎo)致地線電位浮動。
5)可靠性。電機驅(qū)動電路應(yīng)該盡可能做到，無論加上何種控制信號，何種無源負載，電路都是安全的。
電機不同的部分有不同的設(shè)計要求。
1.輸入與電平轉(zhuǎn)換部分：
輸入信號線由DATA引入，1腳是地線，其余是信號線。注意1腳對地連接了一個2K歐的電阻。當(dāng)驅(qū)動板與單片機分別供電時，這個電阻可以提供信號電流回流的通路。當(dāng)驅(qū)動板與單片機共用一組電源時，這個電阻可以防止大電流沿著連線流入單片機主板的地線造成干擾?；蛘哒f，相當(dāng)于把驅(qū)動板的地線與單片機的地線隔開，實現(xiàn)“一點接地”。
高速運放KF347(也可以用TL084)的作用是比較器，把輸入邏輯信號同來自指示燈和一個二極管的2.7V基準(zhǔn)電壓比較，轉(zhuǎn)換成接近功率電源電壓幅度的方波信號。KF347的輸入電壓范圍不能接近負電源電壓，否則會出錯。因此在運放輸入端增加了防止電壓范圍溢出的二極管。輸入端的兩個電阻一個用來限流，一個用來在輸入懸空時把輸入端拉到低電平。
不能用LM339或其他任何開路輸出的比較器代替運放，因為開路輸出的高電平狀態(tài)輸出阻抗在1千歐以上，壓降較大，后面一級的三極管將無法截止。
2.柵極驅(qū)動部分：
后面三極管和電阻，穩(wěn)壓管組成的電路進一步放大信號，驅(qū)動場效應(yīng)管的柵極并利用場效應(yīng)管本身的柵極電容(大約1000pF)進行延時，防止H橋上下兩臂的場效應(yīng)管同時導(dǎo)通(“共態(tài)導(dǎo)通”)造成電源短路。
當(dāng)運放輸出端為低電平(約為1V至2V,不能完全達到零)時，下面的三極管截止，場效應(yīng)管導(dǎo)通。上面的三極管導(dǎo)通，場效應(yīng)管截止,輸出為高電平。當(dāng)運放輸出端為高電平(約為VCC-(1V至2V),不能完全達到VCC)時，下面的三極管導(dǎo)通，場效應(yīng)管截止。上面的三極管截止，場效應(yīng)管導(dǎo)通,輸出為低電平。
上面的分析是靜態(tài)的，下面討論開關(guān)轉(zhuǎn)換的動態(tài)過程：三極管導(dǎo)通電阻遠小于2千歐，因此三極管由截止轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通時場效應(yīng)管柵極電容上的電荷可以迅速釋放，場效應(yīng)管迅速截止。但是三極管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)換到截止時場效應(yīng)管柵極通過2千歐電阻充電卻需要一定的時間。相應(yīng)的，場效應(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。假如兩個三極管的開關(guān)動作是同時發(fā)生的，這個電路可以讓上下兩臂的場效應(yīng)管先斷后通，消除共態(tài)導(dǎo)通現(xiàn)象。
實際上，運放輸出電壓變化需要一定的時間，這段時間內(nèi)運放輸出電壓處于正負電源電壓之間的中間值。這時兩個三極管同時導(dǎo)通，場效應(yīng)管就同時截止了。所以實際的電路比這種理想情況還要安全一些。
場效應(yīng)管柵極的12V穩(wěn)壓二極管用于防止場效應(yīng)管柵極過壓擊穿。一般的場效應(yīng)管柵極的耐壓是18V或20V，直接加上24V電壓將會擊穿，因此這個穩(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。
3.場效應(yīng)管輸出部分：
大功率場效應(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，相當(dāng)于輸出端已經(jīng)并聯(lián)了消除電壓尖峰用的四個二極管，因此這里就沒有外接二極管。輸出端并聯(lián)一個小電容(out1和out2之間)對降低電機產(chǎn)生的尖峰電壓有一定的好處，但是在使用PWM時有產(chǎn)生尖峰電流的副作用，因此容量不宜過大。在使用小功率電機時這個電容可以略去。如果加這個電容的話，一定要用高耐壓的，普通的瓷片電容可能會出現(xiàn)擊穿短路的故障。
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