直流電機(jī)
基本概念
電機(jī):俗稱“馬達(dá)”,依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。包括:電動機(jī)和發(fā)電機(jī)。
電動機(jī)在電路中是用字母M表示,它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩;作為用電器或各種機(jī)械的動力源,發(fā)電機(jī)在電路中用字母G表示,它的主要作用是利用機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。
電機(jī)控制:對電機(jī)的啟動、加速、運(yùn)轉(zhuǎn)、減速及停止進(jìn)行的控制。
直流電機(jī)分類
1.直流有刷電機(jī)
直流有刷電機(jī)(BrushedDC,簡稱BDC),由于其結(jié)構(gòu)簡單,操控方便,成本低廉,具有良好的偏動和調(diào)速性能等優(yōu)勢,被廣泛應(yīng)用于各種動力器件中,小到玩具,按鈕調(diào)節(jié)式汽車座椅,大到印刷機(jī)械等生產(chǎn)機(jī)械中都能看到它的身影。
直流電源的電能通過電刷和換向器進(jìn)入電樞繞組,產(chǎn)生電樞電流,電樞電流產(chǎn)生的磁場與主磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,使電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動負(fù)載。
優(yōu)點(diǎn):價格低、控制方便
缺點(diǎn):由于電刷和換向器的存在,有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,可靠性差,故障多,維護(hù)工作量大,壽命短,換向火花易產(chǎn)生電磁干擾。
2.無刷直流電機(jī)
無刷直流電機(jī)【BLDCM】是在有刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展來的,但它的驅(qū)動電流是不折不扣的交流。一般地,無刷電機(jī)的驅(qū)動電流有兩種,一種是梯形波(方波),另一種是正弦一般的,把方波驅(qū)動的叫做直流無刷電機(jī)(BLDC);把正弦波驅(qū)動的叫做永磁同步電機(jī)(PMSM),這個實(shí)際上就是伺服電機(jī)。
直流無刷電機(jī)與伺服電機(jī)有類似的優(yōu)缺點(diǎn)。BLDC電機(jī)比PMSM電機(jī)造價便宜一些,驅(qū)動控制方法簡單一些。
3.直流減速電機(jī)
直流減速電機(jī),即齒輪減速電機(jī),是在普通直流電機(jī)的基礎(chǔ)上,加上配套齒輪減速箱。齒輪減速箱的作用是,提供較低的轉(zhuǎn)速,較大的力矩。同時,齒輪箱不同的減速比可以提供不同的轉(zhuǎn)速和力矩。這大大提高了,直流電機(jī)在自動化行業(yè)中的使用率。減速電機(jī)是指減速機(jī)和電機(jī)(馬達(dá))的集成體。
直流電機(jī)兩條原理:
1.直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電壓成正比;
2.直流電機(jī)的扭矩和電流成正比。
2.H橋驅(qū)動電路
直流電機(jī)驅(qū)動機(jī)理
直流電機(jī)旋轉(zhuǎn):給電機(jī)兩根線供電電機(jī)就可以旋轉(zhuǎn),給正電壓電機(jī)正轉(zhuǎn),給相反電壓電機(jī)反轉(zhuǎn);電壓越大,電機(jī)轉(zhuǎn)得越快,電壓越小,轉(zhuǎn)速也變小。
一般我們利用STM32單片機(jī)可以方便的調(diào)整電機(jī)速度,但STM32的IO接口電壓和電流一般都是非常有限的,電壓是3.3V,電流是8mA,所以為方便控制需要在微控制器和電機(jī)直接添加驅(qū)動電路板,該電機(jī)驅(qū)動板有兩種輸入線:電源輸入線和控制信號輸入線。
電源輸入線一般要求是可以提供電機(jī)額定電源的大電流電源,一般來說電機(jī)所需要的電壓和額定電流是多少,那么就要給電機(jī)驅(qū)動板提供多大的電壓和電流,它是給電機(jī)提供動力的來源。
控制信號線與微控制器的信號線連接,是實(shí)現(xiàn)調(diào)速的方法,一般是PWM的可調(diào)方波信號。
電機(jī)驅(qū)動板還有一個輸出線,有兩個接口,它與直流電機(jī)的引腳直接連接。注意,這里的電機(jī)驅(qū)動板輸出線是應(yīng)該一系列電路之后才輸出的,也就是通過輸入信號調(diào)制后的輸出線。電機(jī)控制都是必須有驅(qū)動器的。
H橋驅(qū)動電路
下面以MOS管搭建的H橋電路解釋電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),必須使對角線上的一對MOS管導(dǎo)通。
如下圖,當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(此時必須保Q2和Q3關(guān)斷),電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機(jī),然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示,該流向的電流將驅(qū)動電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動。
另一對MOS管2相Q3導(dǎo)通的時候(此時必須保證Q1和Q4關(guān)斷),電流從右至左流過電機(jī),從而驅(qū)動電機(jī)沿逆時針方向轉(zhuǎn)動。
驅(qū)動電機(jī)時,保證H橋兩個同側(cè)的MOS管不會同時導(dǎo)通非常重要,如果MOS管Q1和Q2同時導(dǎo)通,那么電流就會從電源正極穿過兩個MOS管直接回到負(fù)極,此時電路中除了MOS管外沒有其它任何負(fù)載,因此電路上的電流就達(dá)到最大值,燒壞MOS管和電源。Q3和Q4同時導(dǎo)通是同樣的道理。
簡單的開關(guān)只能控制電機(jī)正反轉(zhuǎn),引入PWM控制可以實(shí)現(xiàn)方向和速度調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)占空比實(shí)現(xiàn)控速,占空比越大平均電壓(電流)越大,速度越快PWM頻率一般在10KHz~20KHz之間。頻率太低會導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速過低,噪聲較大。頻率太高,會因?yàn)镸OS管的開關(guān)損耗而降低系統(tǒng)的效率。
電流衰減模式(decay mode)
所謂衰減模式,可簡單理解為如何使電機(jī)停下:如果控制電機(jī)一直向一個方向旋轉(zhuǎn)不會產(chǎn)生問題。但是如果這是想讓電機(jī)停下,那么問題就來了。由于電機(jī)是感性負(fù)載,電流不能突變。在斷開電機(jī)兩端所加的電壓時,電機(jī)產(chǎn)生的反向電動勢很有可能損壞FET。因此想讓電機(jī)停下,除了斷開供電,還要形成一個續(xù)流的回路,釋放掉電機(jī)上的能量。
以左側(cè)正向旋轉(zhuǎn)的圖為例:
1.首先電機(jī)正向旋轉(zhuǎn),電流流向如①線所示;
2.如果此時采取滑動/快衰減模式:四個MOSFET關(guān)斷,電機(jī)上的電流會通過Q2和Q3的寄生二極管繼續(xù)流動,如②線所示??砂l(fā)現(xiàn),此時電流的流向是與電源電壓相反的,因此電流衰減很快,當(dāng)電流衰減為0時,由于FET是關(guān)斷的,電源電壓不會加在電機(jī)上,電機(jī)會逐漸停下。
3.如果采取制動/慢衰減模式:Q2、Q4導(dǎo)通,Q1、Q3關(guān)斷。電機(jī)上的電流通過Q2和Q4繼續(xù)流動,如③線所示,電機(jī)上的能量會逐漸消耗在電機(jī)本身和Q2、Q3上,這樣的電流衰減相對較慢。
特別注意:快慢衰減指的是電流,而不是電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度。
在快衰減模式(fast decay)下,由于電流迅速下降,那么電感電機(jī)上儲存的能量就會釋放很慢(簡單理解E=I^2R),電機(jī)會逐漸停止,因此該模式又叫滑動;
在慢衰減模式(slow decay)下,電機(jī)的兩端類似于短接,電流很大且衰減慢,儲存的能量被瞬間釋放,此時電機(jī)會瞬間停止,因此該模式又叫制動。