有刷直流电机原理应用及实用控制方案探讨时间：2008-11-14 来源：51chaoban 作者：Jenny 点击：476
有刷直流（BDC）电机的工作原理
图1示出的是BDC电机的基本构造。

图中画出的组件包括定子、转子、电刷和换向器。

定子和转子磁场相互作用驱动电机旋转。

有刷直流电机的类型根据电机定子或外壳中磁场的产生方式来划分。

根据有刷直流电机的类型，定子磁场可以由永磁铁或定子中的绕组产生。

对于后一种情况，定子绕组与转子绕组可以是并行、串行、或混合方式连接。

这三种有刷直流电机分别称为并激电动机、串激电动机和复激电动机。

定子产生静止磁场。

这一静止磁场围绕在电枢（或称转子）的周围。

外加电源激发出电枢磁场。

BDC电机轴上还有两个圆弧形的铜片，称为换向片。

电机转动时，碳质的电刷在换向器上滑动。

这样就可以产生一个与定子的静止磁场相吸引的旋转磁场。

电枢和定子绕组中的电流由电池或其它直流电源供给（永磁BDC电机没有定子绕组）。

电池（或直流电源）提供恒定的直流电压。

电压幅度决定了电机的转速，因此是电池或直流电源是一个线性激励源。

改变BDC电机速度的最有效方式是采用脉宽调制（PWM）技术。

PWM技术是以固定的频率开关恒压源。

改变PWM信号的脉冲宽度可以调节电机的速度。

脉冲高低电平间的比例称为PWM信号的占空比。

直流电池电平的幅度等于PWM信号的平均幅度。

应用实例：单片机/电机控制实例
单片机设计中带有内建的外设，因此只需要最少量的外部元器件就可以容易地实现BDC电机的速度和方向控制。

选用的单片机带有内建的外设，只需要最少量的外部元器件就可以容易地实现BDC电机的速度和方向控制。

这款单片机的两大特点对于BDC电机控制非常有用。

首先，片上内建有增强捕获/比较/PWM（ECCP）模块，当配置为全桥模式时，可以提供直接驱动H桥电路所需要的PWM信号。

H桥电路可以为电机提供双向电流驱动。

第二个非常适合电机控制器的特点是可以产生频率高达31.2 kHz的8位PWM信号。

对于电机控制应用来说，这一点很重要，因为低于20 kHz的频率会导致电机产生人听觉范围内的噪声。

不需要增加任何外部时钟源，可以提供高于听觉频率的8位分辨率。

为了获得高出听觉频率范围的频率，此前的单片机需要在运行时降低PWM的分辨率。

与其它具备ECCP的单片机相比，它体积小且成本效率高。

利用片上
ECCP模块做为PWM硬件发生器，而不是采用过去的软件解决方案，宝贵的单片机处理器资源可以用于完成其它任务。

此类应用中使用的片上外设除ECCP模块外，还有一个内部10位模数转换器（ADC）。

ECCP 有捕获模式（可捕获定时器寄存器的16位值）、几个比较器和4个PWM。

在无传感器的BDC电机控制应用中，4个PWM通道是一个重要优势。

如图2所示，配合外部桥和4个FET驱动器件，单片机的PWM模块可以容易地实现双向电机控制。

图2中的低成本BDC电机控制系统在全桥PWM模式下使用ECCP。

用户可容易地配置PWM 占空比，并实时改变单片机内部振荡器。

此外，利用单片机片上的一个10位ADC来测量反向电动势（EMF），PIC16F684可以容易地跟踪电机的转速（RPM）。

本应用中的硬件有三个主要部分。

一个电源级、一个通信模块（RS-232）和一个RPM及电流测量级。

电源级包括提供BDC电机双向控制的全H桥。

PIC16F684通过RC2、RC3、RC4和RC5引脚连接到H桥。

从RA5引脚通过一个RS-232端口可以将有关PWM占空比、单片机振荡器速率、电机RPM和电流值等指令和信息发送给计算机。

虽然实际生产出来的设备很可能并没有这样一个通信接口，但在开发阶段这样一个通信接口非常有用。

在实际产品中，RA5可以被赋予不同的用途，如点亮状态指示LED或者读取电位计输入。

通过测量电机的反向EMF电压，不需额外传感器即可以获得电机转速（RPM）。

电机转速与反向EMF电压直接成正比。

BDC电机是一种感性负载。

电机上感生的电压等于电机电感乘以dI/dt 。

将对应FET关断（OFF）即可以测量反向EMF电压。

这会产生一个反方向流过电机的电流。

PIC16F684中的ADC模块可以测量出EMF电压。

通过测量MOSFETs、QB 和QD, 以及地之间电流检测电阻上的高端电压可以获得电流值。

选择适当的电阻值时需要考虑最大电流和功耗。

PWM信号驱动BDC电机。

H桥电路仅在PWM 信号处于高电平时才吸收电流。

采用一个采样和平均算法在多个PWM周期测量结果的基础上算出电流值和电机转速。