直流电动机的优点，直流电动机的组成

原理简述：直流电机是一种利用磁场与导体的相互作用，将电能转换成旋转机械能的机电装置（在之前的文章中有详细介绍，请参阅）。直流电机是一种连续执行器，它将电能转化为机械能，产生连续的角度以实现旋转。电动机可分为三种类型：交流电动机、直流电动机和步进电动机。交流电机主要用于大功率单相或多相应用，详细信息可以在互联网上找到。本文主要介绍直流电机。

基本直流电机直流电机适用于速度控制、伺服型控制和其他应用，因为它们可以轻松控制以该速度旋转。直流电机由两个固定部分组成：定子和转子。 “”是旋转部分，直流电机也可分为三类

*有刷电机：直流电机之所以被称为“有刷”电机，是因为它们通过使电流流经换向器和电刷组件，在绕线转子（旋转部分）中产生磁场。定子（静止部分）中的磁场是使用绕线定子磁场绕组或永磁体产生的。有刷直流电机通常价格便宜、体积小且易于控制。

*无刷电机：与直流电机连接的永磁体在转子内产生磁场，实现电子换向。这些电机通常比传统的有刷直流电机更小、更昂贵，但具有更好的扭矩/速度特性，因为它们在定子中使用“霍尔效应”开关来生成所需的定子磁场旋转序列。效率高，使用寿命长。比同类拉丝类型的使用寿命更长。

*伺服电机：直流电机基本上是有刷直流电机，具有某种形式的位置反馈控制连接到转子轴。通过连接PWM型控制器进行控制，主要用于位置控制系统和无线电控制模型。

有刷微型直流电机

典型的直流电机具有近似线性的特性，所施加的直流电压决定转速，流过电机绕组的电流决定输出扭矩。直流电机的转速从每分钟几分钟(rpm) 到数千转不等，因此适用于电子、汽车和机器人应用。将它们连接到变速箱或齿轮系可以降低输出速度，同时增加电机高速时的扭矩输出。

“有刷”直流电机传统的有刷直流电机基本上由两部分组成。电机的固定主体称为定子，而旋转并产生运动的内部部件称为直流电机的转子或“电枢”。电机绕制定子是由连接成圆形的电气线圈组成的电磁电路，可产生旋转固定磁场系统所需的北极、南极、北极等，并且它不同于定子的磁场根据施加的频率连续旋转。流过该励磁线圈的电流称为电机励磁电流。这些形成定子磁场的电磁线圈可以与电机的电枢串联、并联或同时（组合）电连接。串联绕组直流电机的定子励磁绕组与电枢串联。同样，并励直流电机的定子励磁绕组与电枢并联，如图所示。

串并联直流电机原理图

串联和并联直流电机直流电机的转子或电枢由一端连接在一起的载流导体的电绝缘铜段组成，称为换向器。换向器允许电枢在旋转时通过碳刷（因此称为“电刷”电机）与外部电源电连接。转子设置的磁场试图与固定定子的磁场对齐。结果，转子绕其轴线旋转，但由于换向延迟而未对准。电机的速度取决于转子磁场的强度，转子旋转得越快，施加到电机上的电压就越大。通过改变所施加的直流电压，也可以改变电机的速度。

传统（有刷）直流电机

永磁(PMDC) 有刷直流电机通常比同类绕线定子直流电机更小、更便宜，因为它们没有励磁绕组。在永磁直流(PMDC) 电机中，这些励磁线圈被具有极高磁场的强大稀土（钐钴或钕铁硼）型磁体所取代。有了永磁体，直流电机就具有永磁场，有时甚至是非常强的磁场，这使得它们比同类绕线电机具有更好的线速度/扭矩特性，使它们更适合在模型、机器人和伺服系统中使用。虽然有刷直流电机非常高效且廉价，但有刷直流电机的问题是，在重负载条件下，换向器和电刷的两个表面之间会产生火花，导致自发热，这会缩短使用寿命并导致火花引起的电气问题。由此产生的噪声会损坏半导体开关器件，例如晶体管。为了克服这些缺点，开发了无刷直流电机。

“无刷”直流电机无刷直流电机(BDCM) 与永磁直流电机非常相似，但没有更换电刷和换向器火花的磨损。因此，转子内产生的热量很少，从而延长了电机的使用寿命。无刷电机设计通过使用更复杂的驱动电路消除了电刷的需要，并且转子的磁场是永磁体，始终与定子的磁场同步，从而可以实现更精确的速度和扭矩控制。无刷直流电机在结构上与交流电机非常相似，使其成为真正的同步电机，但缺点是它们比同等的“有刷”电机设计更昂贵。控制无刷直流电机与控制常规有刷直流电机有很大不同。这是因为这种类型的电机包括感测转子角位置（或磁极）的装置，这是生成控制半导体开关所需的反馈信号所必需的。设备。最常见的位置/极点传感器是“霍尔效应传感器”，但一些电机也使用光学传感器。使用霍尔效应传感器，通过电机控制的驱动电路切换电磁体的极性。电机可以轻松地与数字时钟信号同步，从而实现精确的速度控制。无刷直流电机可由外永磁转子和内电磁定子组成，或内永磁转子和外电磁定子组成。无刷直流电机与“有刷”直流电机相比的优点是更高的效率、更高的可靠性、更低的电气噪声、更好的速度控制，更重要的是，可以产生更高的速度，从而实现高速运转。电刷或换向器没有磨损。然而，它们的缺点是成本更高且控制更复杂。

直流伺服电机直流伺服电机用于闭环应用，输出电机轴的位置作为电机控制电路的反馈。典型的位置“反馈”设备包括用于无线电控制模型（例如飞机和船只）的旋转变压器、编码器和电位计。伺服电机通常包含齿轮箱用于减速，可以直接传递高扭矩。伺服电机的输出轴配有齿轮箱和反馈装置，因此它不像直流电机的轴那样自由旋转。

直流伺服电机框图伺服电机由直流电机、减速箱、位置反馈装置和某种形式的误差修正装置组成。相对于施加到设备的位置输入信号或参考信号来控制速度或位置。错误检测放大器查看该输入信号，并将其与电机输出轴的反馈信号进行比较，以确定电机输出轴是否处于错误状态，如果是，则控制器进行适当的校正，从而使电机加速或减速。如果你失败了，那就这样了。对位置反馈装置的这种响应意味着伺服电机在“闭环系统”内运行。除了大规模的工业应用之外，伺服电机还用于小型遥控模型和机器人，并且大多数伺服电机可以双向旋转约180度，这使得它们非常适合精确的角度定位。然而，这些RC型伺服电机在不进行特殊改造的情况下无法像传统直流电机一样高速连续旋转。伺服电机在一个封装中包含多个器件：电机、齿轮箱、反馈装置以及用于控制位置、方向或速度的误差补偿。它广泛应用于机器人和小型模型，因为它只需三根线即可轻松控制：电源、地线和信号控制。

直流电机开关和控制小型直流电机可以通过开关、继电器、晶体管或MOSFET 电路“打开”或“关闭”。电机控制最简单的形式是“线性”控制。这种类型的电路使用双极晶体管作为开关（如果需要更高的额定电流，也可以使用达林顿晶体管）来通过单个电源控制电机。通过改变流过晶体管的基极电流量，您可以控制电机的速度。例如，如果晶体管“半”导通，则只有一半的电源电压将流向电机。当晶体管“完全导通”（饱和）时，所有电源电压都会传递到电机，使其旋转得更快。在该线性控制中，如下图所示，继续向电机供电。

直流电机速度控制上面的简单开关电路显示了单向（仅一个方向）电机速度控制电路的电路。由于直流电机的速度与电机两端的电压成正比，因此可以使用晶体管来调节电机两端的电压。两个晶体管作为达林顿对连接，以控制电机的主电枢电流。 5k 电位器用于控制第一个引导晶体管TR1 的基极驱动量。这控制主开关晶体管TR 2，允许将电机的直流电压从0 更改为Vcc。示例9~12伏。可选的续流二极管连接在开关晶体管TR 2 和电机端子之间，以防止电机旋转时产生反电动势。可调电位器可以替换为直接施加到电路输入的连续逻辑“1”或逻辑“0”信号，分别将电机“完全打开”（饱和）或“完全关闭”（阻塞）。您可以切换到处理器或PIC 上的微控制器端口。

除了这种基本的速度控制之外，同一电路还可以用于控制电动机的转速。通过以足够高的频率重复切换电机电流“开”和“关”，通过改变电机的占空比，电机速度可以在静止(0 rpm) 和全速(100%) 之间变化. 之间可以更改。供应。这是通过改变“开启”时间(t ON) 与“关闭”时间(t OFF) 的比率来实现的。这可以通过称为脉冲宽度调制的过程来实现。

脉冲宽度速度控制直流电机的速度与其端子上的平均电压值成正比；该值越高，达到最大允许电机电压，电机旋转得越快。换句话说，电压越高，速度越快。通过改变“开启”(t ON) 时间与“关闭”(t OFF) 持续时间之比（称为“负载比”、“标记/空间比”或“负载比”），可以改变平均电机电压。改变旋转速度。对于简单的单极驱动器，负载系数 为：

*输入电机的平均直流输出电压为Vmean=Vsupply。然后，通过改变脉冲宽度a，我们可以控制电机电压，从而控制施加到电机的功率。这种类型的控制称为脉冲宽度调制或PWM。

*控制电机速度的另一种方法是改变频率（从而改变控制电压的时间周期），同时保持“ON”和“OFF”负载系数时间恒定。这种类型的控制称为脉冲频率调制(PFM)。

*脉冲频率调制是一种通过施加变频脉冲来控制电机电压的方法，例如，如果频率较低或脉冲数量较少，则施加到电机上的平均电压会较低，电机的速度会降低。低一点就晚了更高的频率或更多的脉冲会增加平均电机端子电压并提高电机速度。

*晶体管可用于控制施加到直流电机的功率，其工作模式可以是“线性”（改变电机电压）、“脉宽调制”（改变脉冲宽度）或“ “脉冲频率调制”（改变脉冲的频率）。

反转直流电机的方向用单个晶体管控制直流电机的速度有很多优点，但它也有一个主要缺点，即旋转方向始终相同，使其成为“单向”电路。许多应用需要电机双向运行。要控制直流电机的方向，必须反转施加到电机连接的直流电源的极性，以便电机轴沿相反方向旋转。控制直流电机旋转方向的一种非常简单且便宜的方法是使用如下排列的各种开关：

第一个电路使用单个双刀双掷(DPDT) 开关来控制电机连接的极性。切换触点会反转电机端子的电源，从而反转电机的方向。第二个电路稍微复杂一些，使用四个以“H”配置排列的单刀单掷(SPST) 开关。

机械开关按开关对排列，必须以特定组合操作才能启动或停止直流电机。例如开关组合A+D控制正转，开关组合B+C控制反转，如图所示。开关组合A + B 或C + D 使电机端子短路并快速制动。但同时操作开关A+C或B+D会导致电源短路，因此这样使用开关是危险的。

上述两个电路适用于大多数小型直流电机应用，但您是否需要操作不同的机械开关组合来反转电机的方向？不，这不对。您还可以用一组机电继电器替换手动开关，添加前进和后退按钮或开关，或使用固态CMOS 4066B 四路双向开关。

但实现电机双向控制（从而实现速度）的另一种非常好的方法是将其连接到晶体管H 桥式电路配置，如下所示。

基本双向H 桥电路上图所示的H 桥电路的基本配置类似于字母“H”，由四个开关、机电继电器或晶体管组成，因其中心极有一个电机而得名。晶体管或MOSFET H 桥可能是最常用的双向直流电机控制电路之一。每个分支都使用“互补晶体管对”NPN 和PNP，晶体管成对切换来控制电机。控制输入A 使电机沿一个方向（正转）运行，输入B 使电机沿相反方向（反转）运行。电机的方向控制是通过“开”或“关”晶体管的“对角对”来实现的。例如，当晶体管TR1为“ON”且晶体管TR2为“OFF”时，A点连接至电源电压(+Vcc)，而当晶体管TR3为“OFF”且晶体管TR4为“ON”时，B点连接至电源电压(+Vcc)。已连接到电源电压（+Vcc）。将被连接。至0 伏（接地）。电机以电机端子A为正、电机端子B为负所对应的方向旋转。当开关状态反转时，TR1为“OFF”，TR2为“ON”，TR3为“ON”，TR4为“OFF”，电机电流反向流动，电机以相反方向旋转。方向。电机的旋转方向可以通过将相反的逻辑电平“1”或“0”应用于输入A 和B 来控制。

直流步进电机与上述直流电机一样，步进电机是一种机电执行器，可将脉冲数字输入信号转换为离散（增量）机械运动，广泛应用于工业控制应用。步进电机是一种同步无刷电机。它没有带有换向器和碳刷的电枢，由多种材料制成的转子（某些类型有数百个永磁齿），以及带有单独绕组的定子。顾名思义，步进电机以离散的“步长”或“增量”移动，而不是像传统的直流电机那样连续旋转，其中每次旋转运动或步长的角度是定子磁极和转子之间的差值。数量进给电机有齿。步进电机可以通过离散的步进运动轻松地以有限的转数旋转，例如1.8、3.6 或7.5 度。例如，假设步进电机转一圈，则电机的步距角为360 度/100 步=每步3.6 度。该值通常称为步进电机的步距角。步进电机有三种基本类型：可变磁阻电机、永磁电机和混合电机（两者的组合）。步进电机特别适合需要精确定位和重复性以及启动、停止、反转和速度控制的应用。步进电机的另一个重要特征是它们能够在需要时保持负载稳定性。地位得以实现。步进电机通常具有内转子，内转子具有许多永磁“齿”和附接到定子的多个电磁“齿”。定子电磁体依次极化和去极化，使转子每次旋转一步。现代多极多齿步进电机的精度低于每步0.9（每转400个脉冲），主要用于软盘/硬盘驱动器、打印机/绘图仪和机器人头等高精度定位系统。应用。最常用的步进电机是200转/分钟的步进电机。它具有50 齿转子、4 相定子和1.8 度步距角（360 度/（504））。

步进电机构造和控制在上面所示的可变磁阻步进电机的简单示例中，电机由一个中心转子组成，该中心转子被四个标记为A、B、C 和D 的电磁场线圈包围。所有具有相同字母的线圈都连接在一起，因此，例如，为标有A 的线圈通电，将使磁转子与该组线圈对齐。通过依次给每组线圈通电，转子可以从一个位置旋转或“步进”到由步距角结构确定的角度；生成。步进电机驱动器通过按设定顺序对励磁线圈通电来控制电机的步距角和速度，例如“ADCB、ADCB、ADCB、A.”。转子沿一个方向（正向）旋转，脉冲序列反转，如“ABCD、ABCD、ABCD、A.”，转子沿相反方向（反向）旋转。因此，在上面的简单示例中，步进电机有4 个线圈，如下所示：这将是一个4 相电机，定子上有8 个极(2 x 4)，间隔45 度。转子有六个齿，间隔60 度。转子有24 个（6 个齿x 4 个线圈）可能的位置或“步骤”来完全旋转。

因此，上面的步距角为360/24=15。

显然，更多的转子齿和/或定子线圈提供更多的控制和更精细的步距角。此外，通过以不同配置连接电机的电线圈可以实现全宽、半宽和微步角。然而，为了实现微步进，步进电机必须用（伪）正弦电流驱动，这实现起来成本昂贵。您还可以通过更改施加到线圈的数字脉冲之间的时间延迟（频率）来控制步进电机的旋转速度。延迟越长，完整旋转就越慢。向电机施加固定数量的脉冲会使电机轴旋转给定角度。使用延时脉冲的优点是不需要任何类型的额外反馈，因为通过计算提供给电机的脉冲数可以准确地知道转子的最终位置。这种对固定数量数字输入脉冲的响应允许步进电机在“开环系统”中运行，从而使其控制更容易且更便宜。

例如，假设步进电机的步距角为每步3.6 度。为了使电机旋转216 度的角度并停止在所需位置，只需向定子线圈施加总共216 度/（3.6 度/步）=80 个脉冲。

有许多步进电机控制器IC可用于控制步进速度、旋转速度和电机方向。 SAA1027 就是此类控制器IC 之一。 SAA1027 集成了所有必要的计数器和代码转换功能，可按正确的顺序自动将四个完全控制的桥输出驱动至电机。您还可以通过选择单步模式或沿选定方向连续（无级）旋转来选择旋转方向，但这会给控制器带来一些压力。如果使用8 位数字控制器，还可以每步使用256 微步。

以上是关于直流电机的说明，更多关于直流电机的信息请继续阅读。