干貨 | 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)講解

直流電機(jī)（direct current machine）是指能將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能（直流電動(dòng)機(jī)）或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成直流電能（直流發(fā)電機(jī)）的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。它是能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)。當(dāng)它作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流電動(dòng)機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

直流電機(jī)的基本構(gòu)成

直流電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，其間有一定的氣隙。

直流電機(jī)的定子由機(jī)座、主磁極、換向磁極、前后端蓋和刷架等部件組成。其中主磁極是產(chǎn)生直流電機(jī)氣隙磁場的主要部件，由永磁體或帶有直流勵(lì)磁繞組的疊片鐵心構(gòu)成。

直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子則由電樞、換向器（又稱整流子）和轉(zhuǎn)軸等部件構(gòu)成。其中電樞由電樞鐵心和電樞繞組兩部分組成。電樞鐵心由硅鋼片疊成，在其外圓處均勻分布著齒槽，電樞繞組則嵌置于這些槽中。

換向器是一種機(jī)械整流部件。由換向片疊成圓筒形后，以金屬夾件或塑料成型為一個(gè)整體。各換向片間互相絕緣。換向器質(zhì)量對(duì)運(yùn)行可靠性有很大影響。

直流電機(jī)的組成結(jié)構(gòu)

直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動(dòng)的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。

01 定子

?主磁極

主磁極的作用是產(chǎn)生氣隙磁場。主磁極由主磁極鐵心和勵(lì)磁繞組兩部分組成鐵心一般用0.5mm～1.5mm厚的硅鋼板沖片疊壓鉚緊而成，分為極身和極靴兩部分，上面套勵(lì)磁繞組的部分稱為極身，下面擴(kuò)寬的部分稱為極靴，極靴寬于極身，既可以調(diào)整氣隙中磁場的分布，又便于固定勵(lì)磁繞組。勵(lì)磁繞組用絕緣銅線繞制而成，套在主磁極鐵心上。整個(gè)主磁極用螺釘固定在機(jī)座上。

?換向極

換向極的作用是改善換向，減小電機(jī)運(yùn)行時(shí)電刷與換向器之間可能產(chǎn)生的換向火花，一般裝在兩個(gè)相鄰主磁極之間，由換向極鐵心和換向極繞組組成。換向極繞組用絕緣導(dǎo)線繞制而成，套在換向極鐵心上，換向極的數(shù)目與主磁極相等。

?機(jī)座

電機(jī)定子的外殼稱為機(jī)座。機(jī)座的作用有兩個(gè)：

• 一是用來固定主磁極、換向極和端蓋，并起整個(gè)電機(jī)的支撐和固定作用。

• 二是機(jī)座本身也是磁路的一部分，借以構(gòu)成磁極之間磁的通路，磁通通過的部分稱為磁軛。為保證機(jī)座具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和良好的導(dǎo)磁性能，一般為鑄鋼件或由鋼板焊接而成。

?電刷裝置

電刷裝置是用來引入或引出直流電壓和直流電流的。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿和刷桿座等組成。電刷放在刷握內(nèi)，用彈簧壓緊，使電刷與換向器之間有良好的滑動(dòng)接觸，刷握固定在刷桿上，刷桿裝在圓環(huán)形的刷桿座上，相互之間必須絕緣。刷桿座裝在端蓋或軸承內(nèi)蓋上，圓周位置可以調(diào)整，調(diào)好以后加以固定。

02 轉(zhuǎn)子

?電樞鐵心

電樞鐵心是主磁路的主要部分，同時(shí)用以嵌放電樞繞組。一般電樞鐵心采用由0.5mm厚的硅鋼片沖制而成的沖片疊壓而成，以降低電機(jī)運(yùn)行時(shí)電樞鐵心中產(chǎn)生的渦流損耗和磁滯損耗。疊成的鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上。鐵心的外圓開有電樞槽，槽內(nèi)嵌放電樞繞組。

?電樞繞組

電樞繞組的作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢，是直流電機(jī)進(jìn)行能量變換的關(guān)鍵部件，所以叫電樞。它是由許多線圈（以下稱元件）按一定規(guī)律連接而成，線圈采用高強(qiáng)度漆包線或玻璃絲包扁銅線繞成，不同線圈的線圈邊分上下兩層嵌放在電樞槽中，線圈與鐵心之間以及上、下兩層線圈邊之間都必須妥善絕緣。為防止離心力將線圈邊甩出槽外，槽口用槽楔固定。線圈伸出槽外的端接部分用熱固性無緯玻璃帶進(jìn)行綁扎。

?換向器

在直流電動(dòng)機(jī)中，換向器配以電刷，能將外加直流電源轉(zhuǎn)換為電樞線圈中的交變電流，使電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變；在直流發(fā)電機(jī)中，換向器配以電刷，能將電樞線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢轉(zhuǎn)換為正、負(fù)電刷上引出的直流電動(dòng)勢。換向器是由許多換向片組成的圓柱體，換向片之間用云母片絕緣。

?轉(zhuǎn)軸

轉(zhuǎn)軸起轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的支撐作用，需有一定的機(jī)械強(qiáng)度和剛度，一般用圓鋼加工而成。

直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路-設(shè)計(jì)目標(biāo)

在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)中，主要考慮一下幾點(diǎn)。

01 功能

電機(jī)是單向還是雙向轉(zhuǎn)動(dòng)？需不需要調(diào)速？

對(duì)于單向的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，只要用一個(gè)大功率三極管或場效應(yīng)管或繼電器直接帶動(dòng)電機(jī)即可，當(dāng)電機(jī)需要雙向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以使用由4個(gè)功率元件組成的H橋電路或者使用一個(gè)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(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速。

02 性能

對(duì)于PWM調(diào)速的電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)多大功率的電機(jī)。

（2）效率。高的效率不僅意味著節(jié)省電源，也會(huì)減少驅(qū)動(dòng)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)通入手。

（3）對(duì)控制輸入端的影響。功率電路對(duì)其輸入端應(yīng)有良好的信號(hào)隔離，防止有高電壓大電流進(jìn)入主控電路，這可以用高的輸入阻抗或者光電耦合器實(shí)現(xiàn)隔離。

（4）對(duì)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(dòng)。

（5）可靠性。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該盡可能做到，無論加上何種控制信號(hào)，何種無源負(fù)載，電路都是安全的。

三極管-電阻做柵極驅(qū)動(dòng)

01 輸入與電平轉(zhuǎn)換

輸入信號(hào)線由DATA引入，1腳是地線，其余是信號(hào)線。注意1腳對(duì)地連接了一個(gè)2K歐的電阻。當(dāng)驅(qū)動(dòng)板與單片機(jī)分別供電時(shí)，這個(gè)電阻可以提供信號(hào)電流回流的通路。當(dāng)驅(qū)動(dòng)板與單片機(jī)共用一組電源時(shí)，這個(gè)電阻可以防止大電流沿著連線流入單片機(jī)主板的地線造成干擾?；蛘哒f，相當(dāng)于把驅(qū)動(dòng)板的地線與單片機(jī)的地線隔開，實(shí)現(xiàn)“一點(diǎn)接地”。

高速運(yùn)放KF347(也可以用TL084)的作用是比較器，把輸入邏輯信號(hào)同來自指示燈和一個(gè)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(hào)。KF347的輸入電壓范圍不能接近負(fù)電源電壓，否則會(huì)出錯(cuò)。因此在運(yùn)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(gè)電阻一個(gè)用來限流，一個(gè)用來在輸入懸空時(shí)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(yùn)放，因?yàn)殚_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(jí)的三極管將無法截止。

02 柵極驅(qū)動(dòng)

后面三極管和電阻，穩(wěn)壓管組成的電路進(jìn)一步放大信號(hào)，驅(qū)動(dòng)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(jìn)行延時(shí)，防止H橋上下兩臂的場效應(yīng)管同時(shí)導(dǎo)通(共態(tài)導(dǎo)通)造成電源短路。

當(dāng)運(yùn)放輸出端為低電平時(shí)，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(yùn)放輸出端為高電平時(shí)，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(dòng)態(tài)過程：三極管導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)小于2kΩ，因此三極管由截止轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通時(shí)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(shí)場效應(yīng)管柵極通過2kΩ電阻充電卻需要一定的時(shí)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(gè)三極管的開關(guān)動(dòng)作是同時(shí)發(fā)生的，這個(gè)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(shí)際上，運(yùn)放輸出電壓變化需要一定的時(shí)間，這段時(shí)間內(nèi)運(yùn)放輸出電壓處于正負(fù)電源電壓之間的中間值。這時(shí)兩個(gè)三極管同時(shí)導(dǎo)通，場效應(yīng)管就同時(shí)截止了。所以實(shí)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(huì)擊穿，因此這個(gè)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。

03 場效應(yīng)管輸出

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(shí)，相當(dāng)于輸出端已經(jīng)并聯(lián)了消除電壓尖峰用的四個(gè)二極管，因此這里就沒有外接二極管。輸出端并聯(lián)一個(gè)小電容(out1和out2之間)對(duì)降低電機(jī)產(chǎn)生的尖峰電壓有一定的好處，但是在使用PWM時(shí)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(jī)時(shí)這個(gè)電容可以略去。如果加這個(gè)電容的話，一定要用高耐壓的，普通的瓷片電容可能會(huì)出現(xiàn)擊穿短路的故障。

輸出端并聯(lián)的由電阻和發(fā)光二極管，電容組成的電路指示電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

04 性能指標(biāo)

電源電壓15~30V，最大持續(xù)輸出電流5A/每個(gè)電機(jī)，短時(shí)間(10秒)可以達(dá)到10A，PWM頻率最高可以用到30KHz(一般用1到10KHz)。電路板包含4個(gè)邏輯上獨(dú)立的，輸出端兩兩接成H橋的功率放大單元，可以直接用單片機(jī)控制。實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙向轉(zhuǎn)動(dòng)和調(diào)速。

05 布線

大電流線路要盡量的短粗，并且盡量避免經(jīng)過過孔，一定要經(jīng)過過孔的話要把過孔做大一些(>1mm)并且在焊盤上做一圈小的過孔，在焊接時(shí)用焊錫填滿，否則可能會(huì)燒斷。另外，如果使用了穩(wěn)壓管，場效應(yīng)管源極對(duì)電源和地的導(dǎo)線要盡可能的短粗，否則在大電流時(shí)，這段導(dǎo)線上的壓降可能會(huì)經(jīng)過正偏的穩(wěn)壓管和導(dǎo)通的三極管將其燒毀。

在一開始的設(shè)計(jì)中，NMOS管的源極于地之間曾經(jīng)接入一個(gè)0.15歐的電阻用來檢測電流，這個(gè)電阻就成了不斷燒毀板子的罪魁禍?zhǔn)?。?dāng)然如果把穩(wěn)壓管換成電阻就不存在這個(gè)問題了。

低壓驅(qū)動(dòng)電路的簡易柵極驅(qū)動(dòng)

一般功率場效應(yīng)管的最高柵源電壓為20V左右，所以在24V應(yīng)用中要保證柵源電壓不能超過20V，增加了電路的復(fù)雜程度。但在12V或更低電壓的應(yīng)用中，電路就可以大大簡化。

上圖就是一個(gè)12V驅(qū)動(dòng)橋的一邊，上面電路的三極管部分被兩個(gè)二極管和兩個(gè)電阻代替。由于場效應(yīng)管柵極電容的存在，通過R3，R4向柵極電容充電使場效應(yīng)管延緩導(dǎo)通；而通過二極管直接將柵極電容放電使場效應(yīng)管立即截止，從而避免了共態(tài)導(dǎo)通。

這個(gè)電路要求在IN端輸入的是邊緣陡峭的方波脈沖，因此控制信號(hào)從單片機(jī)或者其他開路輸出的設(shè)備接入后，要經(jīng)過施密特觸發(fā)器（比如555）或者推挽輸出的高速比較器才能接到IN端。如果輸入邊緣過緩，二極管延時(shí)電路也就失去了作用。

R3、R4的選取與IN信號(hào)邊沿升降速度有關(guān)，信號(hào)邊緣越陡峭，R3、R4可以選的越小，開關(guān)速度也就可以做的越快。

邊沿延時(shí)驅(qū)動(dòng)電路

在前級(jí)邏輯電路里，有意地對(duì)控制PMOS的下降沿和控制NMOS的上升沿進(jìn)行延時(shí)，再整形成方波，也可以避免場效應(yīng)管的共態(tài)導(dǎo)通。另外，這樣做可以使后級(jí)的柵極驅(qū)動(dòng)電路簡化，可以是低阻推挽驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O，不必考慮柵極電容，可以較好的適應(yīng)不同的場效應(yīng)管。下圖是兩種邊沿的延時(shí)電路：

下圖是對(duì)應(yīng)的NMOS、PMOS柵極驅(qū)動(dòng)電路：

這個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路由兩級(jí)三極管組成：前級(jí)提供驅(qū)動(dòng)場效應(yīng)管柵極所需的正確電壓，后級(jí)是一級(jí)射極跟隨器，降低輸出阻抗，消除柵極電容的影響。為了保證不共態(tài)導(dǎo)通，輸入的邊沿要比較陡，上述先延時(shí)再整形的電路就可以做到。

其他幾種驅(qū)動(dòng)電路

01 繼電器+半導(dǎo)體功率器件

繼電器有著電流大，工作穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，可以大大簡化驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。在需要實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，也可以充分利用繼電器。有一個(gè)方案就是利用繼電器來控制電流方向來改變電機(jī)轉(zhuǎn)向，而用單個(gè)的特大電流場效應(yīng)管（比如IRF3205，一般只有N型特大電流的管子）來實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速，如下右圖所示。這樣是實(shí)現(xiàn)特別大電流驅(qū)動(dòng)的一個(gè)方法。換向的繼電器要使用雙刀雙擲型的，接線如下左圖；線圈接線如下中圖。

02?步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

?小功率4相步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)

下面是一種驅(qū)動(dòng)電路框圖：

達(dá)林頓管陣列ULN2803分別從鎖存器取出第0、2、4、6位和1、3、5、7位去驅(qū)動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)。四相步進(jìn)電機(jī)的通電順序可以有幾種：A、B、C、D(4相4拍)；AB、BC、CD、DA(4相雙4拍)；A、AB、B、BC、C、CD、D、DA(4相8拍)。為了兼顧穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)矩和功耗，一般采用4相8拍方式。所有這些方式都可以通過循環(huán)移位實(shí)現(xiàn)(也要有定期監(jiān)控)，為了使4相8拍容易實(shí)現(xiàn)，鎖存器與驅(qū)動(dòng)部分采用了交叉連接。

步進(jìn)電機(jī)工作在四相八拍模式，對(duì)應(yīng)每個(gè)步進(jìn)電機(jī)要有四個(gè)信號(hào)輸入端，理論上向端口輸出信號(hào)可以控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的工作。寄存器循環(huán)移位奇偶位分別作兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)端的做法，其思想如下：

LOOP: MOV A,#1110000B;在A寄存器中置入11100000

RR A;右移位

AJMPLOOP;循環(huán)右移位

這樣在寄存器A中存儲(chǔ)的值會(huì)有如下循環(huán)：

11100000→01110000→00111000→00011100→00001110→00000111→10000011→11000001→11100000

其奇數(shù)位有如下循環(huán)：

1000→1100→0100→0110→0010→0011→0001→1001→1000

其偶數(shù)位有如下循環(huán)：

1100→0100→0110→0010→0011→0001→1001→1000→1100

將A輸出到P0端口，則奇數(shù)位和偶數(shù)位正是我們所需要的步進(jìn)電機(jī)輸入信號(hào)。

而事實(shí)上每個(gè)電機(jī)的動(dòng)作是不同的，為此我們?cè)?a href='http://ttokpm.com/tags/ram/' target='_blank' class='arckwlink_none'>RAM中為每個(gè)電機(jī)開辟一個(gè)byte的狀態(tài)字節(jié)用以循環(huán)移位。在每一個(gè)電機(jī)周期里，根據(jù)需要對(duì)每個(gè)電機(jī)的byte進(jìn)行移位，并用ANL指令將兩個(gè)電機(jī)的狀態(tài)合成到一個(gè)字節(jié)里輸出，此時(shí)的A同時(shí)可以控制兩個(gè)電機(jī)了。

步進(jìn)電機(jī)的速度由驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率決定，移位的周期不同，電機(jī)的速度也就不同了。前面提到的電機(jī)周期，應(yīng)該取各種可能的周期的最大公約數(shù)。換句話說，一旦電機(jī)周期取定，每個(gè)電機(jī)移位的周期應(yīng)該是它的倍數(shù)。

在程序中，對(duì)每個(gè)電機(jī)的相應(yīng)時(shí)刻設(shè)定相應(yīng)的分頻比值，同時(shí)用一個(gè)變量進(jìn)行加一計(jì)數(shù)：每到一個(gè)電機(jī)周期若計(jì)數(shù)變量<分頻比值，則計(jì)數(shù)變量加1；若相等，則移位，計(jì)數(shù)變量清零。這樣就實(shí)現(xiàn)了分頻調(diào)速，可以讓多個(gè)電機(jī)同時(shí)以不同的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。

另外，也可以采用傳統(tǒng)的查表方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，程序稍長，但也比較穩(wěn)定，這種方法非常適合三相步進(jìn)電機(jī)。

?步進(jìn)電機(jī)的智能驅(qū)動(dòng)方案

步進(jìn)電機(jī)有可以精確控制的優(yōu)點(diǎn)，但是功耗大、效率低、力矩小。如果選用大功率步進(jìn)電機(jī)，為了降低功耗，可以采取PWM恒流控制的方法。

基本思路是，用帶反饋的高頻PWM根據(jù)輸出功率的要求對(duì)每相恒流驅(qū)動(dòng)，總體電流順序又符合轉(zhuǎn)動(dòng)順序。需要力矩小的時(shí)候應(yīng)及時(shí)減小電流，以降低功耗。該方案實(shí)現(xiàn)的電路，可以采用獨(dú)立的單片機(jī)或CPLD加場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路以及電流采樣反饋電路。

來源 | 電子工程世界