微型有刷直流電機(jī)具有價(jià)格便宜、容易操控的特點(diǎn)應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，如電動(dòng)玩具、美容產(chǎn)品、個(gè)人護(hù)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(jī)。有刷直流電機(jī)的工作原理是怎樣的呢？下面天孚微電機(jī)就來帶大家來了解：微型直流電機(jī)（有刷）的工作原理。

  首先我們來了解電機(jī)的結(jié)構(gòu)，幾乎所有的有刷直流電機(jī)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(chǎng)，磁場(chǎng)可以是永磁體或者電磁繞組產(chǎn)生，微型有刷直流電機(jī)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(gè)或者多個(gè)繞組構(gòu)成，當(dāng)繞組受到激勵(lì)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的磁極和定子的磁場(chǎng)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(huì)按照不同的順序持續(xù)激勵(lì)繞組，因此轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁極絕不會(huì)與定子產(chǎn)生的磁極重疊，這個(gè)過種叫做換向。

  3. 電刷與換向器

  微型有刷直流電機(jī)與無刷微型電機(jī)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(jìn)行換向。在微型有刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上有安裝一個(gè)分片式銅套，這個(gè)就是換向器，電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，電刷會(huì)沿著換向器滑動(dòng)，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(shí)就會(huì)在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)。也是這種原因，導(dǎo)致微型有刷直流電機(jī)磨損較為嚴(yán)重，導(dǎo)致電機(jī)使用壽命無法太長(zhǎng)，這也是微型有刷直流電機(jī)的缺陷所在。

  微型有刷直流電機(jī)的類型

  1. 微型永磁體有刷直流電機(jī)

  這種微型有刷直流電機(jī)是最常見的有刷電機(jī)，采用永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)，微型電機(jī)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(huì)隨著時(shí)間衰退（永磁體只是一個(gè)名字，并不是真正的永磁）。有的永磁體微型直流電機(jī)還會(huì)加上繞組，防止磁性丟失。由于定子磁場(chǎng)的恒定的，所以永磁體有刷直流電機(jī)對(duì)電壓變化響應(yīng)非常快（下圖為永磁體直流電機(jī)原理圖

）。

  2. 并激有刷直流電機(jī)

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

  3. 串激有刷直流電機(jī)

  即勵(lì)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(jī)是大轉(zhuǎn)矩應(yīng)用的理想之選。但是對(duì)速度不能實(shí)現(xiàn)精確控制。

  4. 復(fù)激有刷直流電機(jī)

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

  微型有刷直流電機(jī)基本驅(qū)動(dòng)電路

  驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路的目的是為控制器提供改變微型有刷直流電機(jī)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(jī)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(jī)繞組串聯(lián)一個(gè)額外的變阻器，這樣會(huì)降低效率。驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的方法多種多樣。有些應(yīng)用場(chǎng)合僅要求電機(jī)往一個(gè)方向運(yùn)轉(zhuǎn)。如下圖，向一個(gè)方向驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的電路。前者采用低端驅(qū)動(dòng)，后者采用高端驅(qū)動(dòng)。使用低端驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是可以不必使用FET驅(qū)動(dòng)器。

  在每個(gè)電路中，直流電機(jī)的兩端都跨接有一個(gè)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的。 當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，電機(jī)的繞組仍然處于通電狀態(tài)，會(huì)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(duì)于每個(gè)電路的工作很重要。R1用于保護(hù)單片機(jī)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(shí)，Q1關(guān)斷。

  直流電機(jī)的雙向控制需要一個(gè)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(jī)繞組中的電流沿兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。要理解這一點(diǎn)，H橋必須被分為兩個(gè)部分，或兩個(gè)半橋。 Q1和Q2構(gòu)成一個(gè)半橋，而Q3和Q4構(gòu)成另一個(gè)半橋。每個(gè)半橋都能夠控制直流電機(jī)一端的導(dǎo)通與關(guān)斷，使其電勢(shì)為供應(yīng)電壓或地電位。當(dāng)Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷時(shí)，直流電機(jī)的左端將處于供電電壓的電勢(shì)。導(dǎo)通Q4，保 持Q3關(guān)斷將使電機(jī)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(gè)MOSFET的兩端都跨接有一個(gè)二極管（D1-D4）。這些二極管保護(hù)MOSFET免遭MOSFET關(guān)斷時(shí)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(shí)，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(shì)，另一端處于VSUPPLY。IFWD和IRVS箭頭分別描繪了前向和后向運(yùn)行模式的電路路徑。在慣性滑行模式中，電機(jī)繞組的接線端保持懸空，電機(jī)靠慣性滑行直至停轉(zhuǎn)。 剎車模式用于快速停止直流電機(jī)。 在剎車模式下，直流電機(jī)的接線端接地。當(dāng)直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，它充當(dāng)一個(gè)發(fā)電機(jī)。將電機(jī)的引線短路相當(dāng)于電機(jī)帶有無窮大負(fù)載，可使電機(jī)快速停轉(zhuǎn)。　　

  設(shè)計(jì)H橋電路時(shí)，必須要考慮到一個(gè)非常重要的事項(xiàng)。當(dāng)電路的輸入不可預(yù)測(cè) （比如單片機(jī)啟動(dòng)過程中）時(shí)，必須將所有的MOSFET偏置到關(guān)斷狀態(tài)。 這將確保H橋每個(gè)半橋上的MOSFET絕不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。 同時(shí)導(dǎo)通同一個(gè)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(gè)MOSFET驅(qū)動(dòng)器輸入端上的下拉電阻將實(shí)現(xiàn)該功能。

  微型有刷直流電機(jī)速度控制

  直流電機(jī)的速度與施加給電機(jī)的電壓成正比。當(dāng)使用數(shù)控技術(shù)時(shí)，脈寬調(diào)制 （PWM）信號(hào)被用來產(chǎn)生平均電壓。電機(jī)的繞組充當(dāng)一個(gè)低通濾波器，因此具有足夠頻率的PWM信號(hào)將會(huì)在電機(jī)繞組中產(chǎn)生一個(gè)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(jī)在12V時(shí)以轉(zhuǎn)速7000 RPM旋轉(zhuǎn)，則當(dāng)給電機(jī)施加占空比為50%的信號(hào)時(shí)，則電機(jī)將 （理想情況下）以3500 RPM的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。PWM信號(hào)的頻率是考慮的重點(diǎn)。頻率太低會(huì)導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速過低，噪音較大，并且對(duì)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(shí)再重復(fù)下）。

  頻率太高，則會(huì)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(yàn)之談是在4 kHz至20 kHz范圍內(nèi)，調(diào)制輸入信號(hào)的頻率。這個(gè)范圍足夠高，電機(jī)的噪音能夠得到衰減，并且此時(shí)MOSFET（或BJT）中的開關(guān)損耗也可以忽略。一般來說，針對(duì)給定的電機(jī)用實(shí)驗(yàn)的辦法找到滿意的PWM頻率是一個(gè)好辦法。

  如何使用PIC單片機(jī)來產(chǎn)生控制直流電機(jī)速度的PWM信號(hào)

  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(gè)方法是選擇帶有硬件PWM模塊的PIC單片機(jī)。Microchip提供的具有該功能的模塊為CCP和ECCP模塊。許多PIC單片機(jī)都具有CCP和ECCP模塊。CCP模塊能夠在一個(gè)I/O引腳上輸出分辨率為10位的PWM信號(hào)。10位分辨率意味著模塊可以在0%至100%的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)210（即1024）個(gè)可能的占空比值。使用該模塊的優(yōu)點(diǎn)是它能在I/O 引腳上自主產(chǎn)生PWM信號(hào)，這樣解放了處理器，使之有時(shí)間完成其他任務(wù)。CCP模塊僅要求開發(fā)者對(duì)模塊的參數(shù)進(jìn)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(dòng)全橋或半橋電路。ECCP模塊還具有自動(dòng)關(guān)斷功能和可編程死區(qū)延時(shí)。

  微型有刷直流反饋機(jī)制

  雖然直流電機(jī)的速度一般與占空比成正比，但不存在完全理想的電機(jī)。發(fā)熱、換向器磨損以及負(fù)載均會(huì)影響電機(jī)的速度。 在需要精確控制速度的系統(tǒng)中引入某種反饋機(jī)制。速度控制可以兩種方式實(shí)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(jī)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(gè)組件組成。在電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端的軸上安裝一個(gè)槽輪。一個(gè)紅外LED在輪的一側(cè)提供光源，一個(gè)光電晶體管在輪的另一側(cè)對(duì)光線進(jìn)行檢測(cè)（如圖）。 通過輪中槽隙的光線會(huì)使光電晶體管導(dǎo)通。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電晶體管會(huì)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(jī)的速度。在電機(jī)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(jī)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(jī)上連有一個(gè)旋轉(zhuǎn)元件，并且還需要一個(gè)靜止元件。旋轉(zhuǎn)元件是一個(gè)外緣安裝有一個(gè)或多個(gè)磁體的轉(zhuǎn)輪。靜止的傳感器檢測(cè)經(jīng)過的磁體，并產(chǎn)生TTL脈沖。　　

  反電磁通量

  提供直流電機(jī)的快速反饋的另一種形式是BEMF電壓測(cè)量。BEMF電壓和速度成正比。 下圖顯示，在雙向驅(qū)動(dòng)電路中測(cè)量BEMF電壓的位置，一個(gè)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(jī)的一端懸空而另一端接地時(shí)測(cè)量的。在這種情況下，電機(jī)充當(dāng)發(fā)電機(jī)，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(jī)的行為會(huì)略有不同。實(shí)驗(yàn)是確定給定電機(jī)速度下BEMF電壓的最好方法。 電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的反射帶有助于數(shù)字轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速（單位為RPM）。在讀取數(shù)字轉(zhuǎn)速計(jì)時(shí)測(cè)量BEMF電壓將獲取電機(jī)速度和BEMF電壓的關(guān)系。

  有刷直流電機(jī)的使用和控制都非常簡(jiǎn)便，因此它的設(shè)計(jì)周期較短。PIC單片機(jī)，特別是具有CCP或ECCP模塊的單片機(jī)是驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的理想之選。更多有關(guān)微型直流電機(jī)資訊請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注天孚電機(jī)。