淺談H-Bridge電機驅(qū)動原理

　　電動機

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　　電動機（Motor）是把電能轉(zhuǎn)換成機械能的一種設(shè)備。它是利用通電線圈（也就是定子繞組）產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場并作用于轉(zhuǎn)子（如鼠籠式閉合鋁框）形成磁電動力旋轉(zhuǎn)扭矩。電動機按使用電源不同分為直流電動機和交流電動機，電力系統(tǒng)中的電動機大部分是交流電機，可以是同步電機或者是異步電機（電機定子磁場轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不保持同步速）。電動機主要由定子與轉(zhuǎn)子組成，通電導(dǎo)線在磁場中受力運動的方向跟電流方向和磁感線（磁場方向）方向有關(guān)。電動機工作原理是磁場對電流受力的作用，使電動機轉(zhuǎn)動。

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　　基本結(jié)構(gòu)

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　　一、三相異步電動機的結(jié)構(gòu)，由定子、轉(zhuǎn)子和其它附件組成。

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　?。ㄒ唬┒ㄗ樱o止部分）

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　　1、定子鐵心

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　　作用：電機磁路的一部分，并在其上放置定子繞組。

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　　構(gòu)造：定子鐵心一般由0.35~0.5毫米厚表面具有絕緣層的硅鋼片沖制、疊壓而成，在鐵心的內(nèi)圓沖有均勻分布的槽，用以嵌放定子繞組。

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　　定子鐵心槽型有以下幾種：

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　　半閉口型槽：電動機的效率和功率因數(shù)較高，但繞組嵌線和絕緣都較困難。一般用于小型低壓電機中。

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　　半開口型槽：可嵌放成型繞組，一般用于大型、中型低壓電機。所謂成型繞組即繞組可事先經(jīng)過絕緣處理后再放入槽內(nèi)。

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　　開口型槽：用以嵌放成型繞組，絕緣方法方便，主要用在高壓電機中。

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　　2、定子繞組

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　　作用：是電動機的電路部分，通入三相交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。

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　　構(gòu)造：由三個在空間互隔120°電角度、對稱排列的結(jié)構(gòu)完全相同繞組連接而成，這些繞組的各個線圈按一定規(guī)律分別嵌放在定子各槽內(nèi)。

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　　定子繞組的主要絕緣項目有以下三種：（保證繞組的各導(dǎo)電部分與鐵心間的可靠絕緣以及繞組本身間的可靠絕緣）。

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　?、艑Φ亟^緣：定子繞組整體與定子鐵心間的絕緣。

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　?、葡嚅g絕緣：各相定子繞組間的絕緣。

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　?、窃验g絕緣：每相定子繞組各線匝間的絕緣。

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　　電動機接線盒內(nèi)的接線：

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　　電動機接線盒內(nèi)都有一塊接線板，三相繞組的六個線頭排成上下兩排，并規(guī)定上排三個接線樁自左至右排列的編號為1（U1）、2（V1）、3（W1），下排三個接線樁自左至右排列的編號為6（W2）、4（U2）、5（V2），。將三相繞組接成星形接法或三角形接法。凡制造和維修時均應(yīng)按這個序號排列。

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　　3、機座

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　　作用：固定定子鐵心與前后端蓋以支撐轉(zhuǎn)子，并起防護、散熱等作用。

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　　構(gòu)造：機座通常為鑄鐵件，大型異步電動機機座一般用鋼板焊成，微型電動機的機座采用鑄鋁件。封閉式電機的機座外面有散熱筋以增加散熱面積，防護式電機的機座兩端端蓋開有通風(fēng)孔，使電動機內(nèi)外的空氣可直接對流，以利于散熱。

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　?。ǘ┺D(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)部分）

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　　1、三相異步電動機的轉(zhuǎn)子鐵心：

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　　作用：作為電機磁路的一部分以及在鐵心槽內(nèi)放置轉(zhuǎn)子繞組。

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　　構(gòu)造：所用材料與定子一樣，由0.5毫米厚的硅鋼片沖制、疊壓而成，硅鋼片外圓沖有均勻分布的孔，用來安置轉(zhuǎn)子繞組。通常用定子鐵心沖落后的硅鋼片內(nèi)圓來沖制轉(zhuǎn)子鐵心。一般小型異步電動機的轉(zhuǎn)子鐵心直接壓裝在轉(zhuǎn)軸上，大、中型異步電動機（轉(zhuǎn)子直徑在300~400毫米以上）的轉(zhuǎn)子鐵心則借助與轉(zhuǎn)子支架壓在轉(zhuǎn)軸上。

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　　2、三相異步電動機的轉(zhuǎn)子繞組

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　　作用：切割定子旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動勢及電流，并形成電磁轉(zhuǎn)矩而使電動機旋轉(zhuǎn)。

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　　構(gòu)造：分為鼠籠式轉(zhuǎn)子和繞線式轉(zhuǎn)子。

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　?、攀蠡\式轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子繞組由插入轉(zhuǎn)子槽中的多根導(dǎo)條和兩個環(huán)行的端環(huán)組成。若去掉轉(zhuǎn)子鐵心，整個繞組的外形像一個鼠籠，故稱籠型繞組。小型籠型電動機采用鑄鋁轉(zhuǎn)子繞組，對于100KW以上的電動機采用銅條和銅端環(huán)焊接而成。

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　?、评@線式轉(zhuǎn)子：繞線轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組相似，也是一個對稱的三相繞組，一般接成星形，三個出線頭接到轉(zhuǎn)軸的三個集流環(huán)上，再通過電刷與外電路聯(lián)接。

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　　特點：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，故繞線式電動機的應(yīng)用不如鼠籠式電動機廣泛。但通過集流環(huán)和電刷在轉(zhuǎn)子繞組回路中串入附加電阻等元件，用以改善異步電動機的起、制動性能及調(diào)速性能，故在要求一定范圍內(nèi)進行平滑調(diào)速的設(shè)備，如吊車、電梯、空氣壓縮機等上面采用。

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　?。ㄈ┤喈惒诫妱訖C的其它附件

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　　1、端蓋：支撐作用。

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　　2、軸承：連接轉(zhuǎn)動部分與不動部分。

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　　3、軸承端蓋：保護軸承。

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　　4、風(fēng)扇：冷卻電動機。

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　　注意事項

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　　⑴在拆卸前，要用壓縮空氣吹凈電機表面灰塵，并將表面污垢擦拭干凈。

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　?、七x擇電機解體的工作地點，清理現(xiàn)場環(huán)境。

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　?、鞘煜る姍C結(jié)構(gòu)特點和檢修技術(shù)要求。

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　?、葴?zhǔn)備好解體所需工具（包括專用工具）和設(shè)備。

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　?、蔀榱诉M一步了解電機運行中的缺陷，有條件時可在拆卸前做一次檢查試驗。為此，將電機帶上負載試轉(zhuǎn)，詳細檢查電機各部分溫度、聲音、振動等情況，并測試電壓、電流、轉(zhuǎn)速等，然后再斷開負載，單獨做一次空載檢查試驗，測出空載電流和空載損耗，做好記錄。

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　?、是袛嚯娫?，拆除電機外部接線，做好記錄。

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　?、诉x用合適電壓的兆歐表測試電機絕緣電阻。為了跟上次檢修時所測的絕緣電阻值相比較以判斷電機絕緣變化趨勢和絕緣狀態(tài)，應(yīng)將不同溫度下測出的絕緣電阻值換算到同一溫度，一般換算至75℃。

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　　⑻測試吸收比K。當(dāng)吸收比大于1.33時，表明電機絕緣不曾受潮或受潮程度不嚴(yán)重。為了跟以前數(shù)據(jù)進行比較，同樣要將任意溫度下測得的吸收比換算到同一溫度。

　　電動機工作原理

　　當(dāng)你把電源的正極接到電動機的一端，負極接到電動機的另一端，電動機開始正轉(zhuǎn)，如果交換電動機的里兩個電極，則電動機反轉(zhuǎn)。這就是我們控制電動機的原理。

　　當(dāng)電動機的一端為邏輯1的時候，即在本例中A點為＋12V電壓，電動機正轉(zhuǎn)。當(dāng)A點為邏輯0的時候（接地），電動機停止轉(zhuǎn)動。示意圖如下：

　　和上圖類似，當(dāng)電動機的另一端為邏輯1的時候，即在本例中B點為＋12V電壓，電動機反轉(zhuǎn)。當(dāng)B點為邏輯0的時候（接地），電動機停止轉(zhuǎn)動。示意圖如下：　　電動機速度控制

　　通過控制A或B的開關(guān)，（形成脈沖）可以使得電動機獲得不同的扭矩，從而產(chǎn)生不同的速度。

　　如果你希望用一個電路控制電動機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，這就需要更多的電路，你就會需要H-Bridge（叫H是因為和下圖的外形相似）其電路圖如下：

　　如果合上A和D，也就是A=1，B=0，C=0，D=1，電動機正轉(zhuǎn)，示意圖如下：

　　如果合上B和C，也就是A=0，B=1，C=1，D=0，電動機正轉(zhuǎn)，示意圖如下：

　　半導(dǎo)體H-Bridge

　　利用晶體管或者場效應(yīng)管，我們能更好控制電動機。

　　用PNP晶體管或者P溝道場效應(yīng)管，作為電動機的電源端

　　用NPN晶體管或者N溝道場效應(yīng)管，作為電動機的接地端

　　示意圖如下：

　　如果你使得A和B導(dǎo)通，就會產(chǎn)生剎車效果（C和D也是如此）。

　　原因是電動機是一臺發(fā)電機，在轉(zhuǎn)動得從時候，就會產(chǎn)生電壓，當(dāng)A和B同時導(dǎo)通的時候，就相當(dāng)于將A和B短接，電動機產(chǎn)生的電壓會使得電動機自身停止轉(zhuǎn)動。其效果就如同剎車一樣。

　　為了更好的保護晶體管，應(yīng)該增加二極管來阻止電動機在電源打開和關(guān)斷時所產(chǎn)生的電壓。

　　這個電壓有可能是供電電壓的好幾倍，如果不用二極管，有可能會使得晶體管燒毀。

　　因此我常用下圖的連接方式：

　　作為半導(dǎo)體器件，晶體管會有電阻，這會使得在通過大的電流的時候發(fā)熱，也就是說不能有太大的電流通過。

　　而同樣作為半導(dǎo)體器件，MOSFET可以通過更加多得電流而不至于發(fā)熱燒毀，而且通常MOSFET內(nèi)含了二極管，因此，就不需要再去連接一個二極管。

　　如果MOSFET來制作H-Bridge則A和B要用P溝道MOSFET。C和D要用N溝道MOSFET

　　N溝道MOSFET要比P溝道MOSFET便宜，但是N溝道MOSFET來做A和B的話需要7V的電壓，這比提供的電壓要大。

　　合理的開關(guān)H-Bridge的四個端口是很重要的，如果A和C導(dǎo)通的話，就相當(dāng)于短路，這是十分危險的。所以我們建議用H-Bridge芯片，因為現(xiàn)有的H-Bridge芯片則既安全又簡單。