直流電機(jī)簡介
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)它作電動機(jī)運(yùn)行時是直流電動機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時是直流發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。
直流電機(jī)的工作原理
直流電機(jī)里邊固定有環(huán)狀永磁體，電流通過轉(zhuǎn)子上的線圈產(chǎn)生安培力，當(dāng)轉(zhuǎn)子上的線圈與磁場平行時，再繼續(xù)轉(zhuǎn)受到的磁場方向?qū)⒏淖?，因此此時轉(zhuǎn)子末端的電刷跟轉(zhuǎn)換片交替接觸，從而線圈上的電流方向也改變，產(chǎn)生的洛倫茲力方向不變，所以電機(jī)能保持一個方向轉(zhuǎn)動。
直流發(fā)電機(jī)的工作原理就是把電樞線圈中感應(yīng)的交變電動勢，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時變?yōu)橹绷麟妱觿莸脑?。感?yīng)電動勢的方向按右手定則確定（磁感線指向手心，大拇指指向?qū)w運(yùn)動方向，其他四指的指向就是導(dǎo)體中感應(yīng)電動勢的方向）。
導(dǎo)體受力的方向用左手定則確定。這一對電磁力形成了作用于電樞一個力矩，這個力矩在旋轉(zhuǎn)電機(jī)里稱為電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時針方向，企圖使電樞逆時針方向轉(zhuǎn)動。如果此電磁轉(zhuǎn)矩能夠克服電樞上的阻轉(zhuǎn)矩（例如由摩擦引起的阻轉(zhuǎn)矩以及其它負(fù)載轉(zhuǎn)矩），電樞就能按逆時針方向旋轉(zhuǎn)起來。
直流電機(jī)驅(qū)動原理圖
直流電機(jī)驅(qū)動電路圖與設(shè)計思路分析
下面將為您詳細(xì)介紹直流電機(jī)驅(qū)動設(shè)計需要注意的事項，低壓驅(qū)動電路的簡易柵極驅(qū)動、邊沿延時驅(qū)動電路圖解及其設(shè)計思路。
以上是直流電機(jī)驅(qū)動電路圖，下面為您詳細(xì)介紹直流電機(jī)驅(qū)動設(shè)計需要注意的事項，低壓驅(qū)動電路的簡易柵極驅(qū)動、邊沿延時驅(qū)動電路圖解及其設(shè)計思路。
一、 直流電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計目標(biāo)
在直流電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計中，主要考慮一下幾點(diǎn)：
1. 功能：電機(jī)是單向還是雙向轉(zhuǎn)動?需不需要調(diào)速?對于單向的電機(jī)驅(qū)動，只要用一個大功率三極管或場效應(yīng)管或繼電器直接帶動電機(jī)即可，當(dāng)電機(jī)需要雙向轉(zhuǎn)動時，可以使用由4個功率元件組成的H橋電路或者使用一個雙刀雙擲的繼電器。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)元件實現(xiàn)PWM(脈沖寬度調(diào)制)調(diào)速。
2. 性能：對于PWM調(diào)速的電機(jī)驅(qū)動電路，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，也會減少驅(qū)動電路的發(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(H橋或推挽電路可能出現(xiàn)的一個問題，即兩個功率器件同時導(dǎo)通使電源短路)入手。
3)對控制輸入端的影響。功率電路對其輸入端應(yīng)有良好的信號隔離，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現(xiàn)隔離。
4)對電源的影響。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。
5)可靠性。電機(jī)驅(qū)動電路應(yīng)該盡可能做到，無論加上何種控制信號，何種無源負(fù)載，電路都是安全的。
1.輸入與電平轉(zhuǎn)換部分：
輸入信號線由DATA引入，1腳是地線，其余是信號線。注意1腳對地連接了一個2K歐的電阻。當(dāng)驅(qū)動板與單片機(jī)分別供電時，這個電阻可以提供信號電流回流的通路。當(dāng)驅(qū)動板與單片機(jī)共用一組電源時，這個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。或者說，相當(dāng)于把驅(qū)動板的地線與單片機(jī)的地線隔開，實現(xiàn)“一點(diǎn)接地”。
高速運(yùn)放KF347(也可以用TL084)的作用是比較器，把輸入邏輯信號同來自指示燈和一個二極管的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。KF347的輸入電壓范圍不能接近負(fù)電源電壓，否則會出錯。因此在運(yùn)放輸入端增加了防止電壓范圍溢出的二極管。輸入端的兩個電阻一個用來限流，一個用來在輸入懸空時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，因為開路輸出的高電平狀態(tài)輸出阻抗在1千歐以上，壓降較大，后面一級的三極管將無法截止。
2.柵極驅(qū)動部分：
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，驅(qū)動場效應(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，防止H橋上下兩臂的場效應(yīng)管同時導(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(約為1V至2V,不能完全達(dá)到零)時，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(約為VCC-(1V至2V),不能完全達(dá)到VCC)時，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)換的動態(tài)過程：三極管導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)小于2千歐，因此三極管由截止轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通時場效應(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)換到截止時場效應(yīng)管柵極通過2千歐電阻充電卻需要一定的時間。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。假如兩個三極管的開關(guān)動作是同時發(fā)生的，這個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。
實際上，運(yùn)放輸出電壓變化需要一定的時間，這段時間內(nèi)運(yùn)放輸出電壓處于正負(fù)電源電壓之間的中間值。這時兩個三極管同時導(dǎo)通，場效應(yīng)管就同時截止了。所以實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電壓將會擊穿，因此這個穩(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。
3.場效應(yīng)管輸出部分：
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，相當(dāng)于輸出端已經(jīng)并聯(lián)了消除電壓尖峰用的四個二極管，因此這里就沒有外接二極管。輸出端并聯(lián)一個小電容(out1和out2之間)對降低電機(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)時這個電容可以略去。如果加這個電容的話，一定要用高耐壓的，普通的瓷片電容可能會出現(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)動方向.
4.性能指標(biāo)：
電源電壓15~30 V,最大持續(xù)輸出電流5A/每個電機(jī)，短時間(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。實現(xiàn)電機(jī)的雙向轉(zhuǎn)動和調(diào)速。
5.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，在焊接時用焊錫填滿，否則可能會燒斷。另外，如果使用了穩(wěn)壓管，場效應(yīng)管源極對電源和地的導(dǎo)線要盡可能的短粗，否則在大電流時，這段導(dǎo)線上的壓降可能會經(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)計中，NMOS管的源極于地之間曾經(jīng)接入一個0.15歐的電阻用來檢測電流，這個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問題了。
二、 低壓驅(qū)動電路的簡易柵極驅(qū)動
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12V驅(qū)動橋的一邊，上面電路的三極管部分被兩個二極管和兩個電阻代替。(注意，跟上圖邏輯是反的)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，二極管延時電路也就失去了作用。
R3，R4的選取與IN信號邊沿升降速度有關(guān)，信號邊緣越陡峭，R3，R4可以選的越小，開關(guān)速度也就可以做的越快。Robocon比賽使用的升壓電路(原理相似)中，IN前用的是555。
三、 邊沿延時驅(qū)動電路
在前級邏輯電路里，有意地對控制PMOS的下降沿和控制NMOS的上升沿進(jìn)行延時，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，這樣做可以使后級的柵極驅(qū)動電路簡化，可以是低阻推挽驅(qū)動?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。2003年Robocon比賽采用的就是這種驅(qū)動電路。下圖是兩種邊沿的延時電路：
下圖是對應(yīng)的NMOS，PMOS柵極驅(qū)動電路：
這個柵極驅(qū)動電路由兩級三極管組成：前級提供驅(qū)動場效應(yīng)管柵極所需的正確電壓，后級是一級射極跟隨器，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，上述先延時再整形的電路就可以做到。
四、 其它驅(qū)動電路
繼電器+半導(dǎo)體功率器件的想法：
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)動電路的設(shè)計。在需要實現(xiàn)調(diào)速的電機(jī)驅(qū)動電路中，也可以充分利用繼電器。有一個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)來實現(xiàn)PWM調(diào)速,如下右圖所示。這樣是實現(xiàn)特別大電流驅(qū)動的一個方法。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：
直流電機(jī)的組成結(jié)構(gòu)
（1）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磁繞組兩部分組成。
（2）換向極
換向極的作用是改善換向，減小電機(jī)運(yùn)行時電刷與換向器之間可能產(chǎn)生的換向火花，一般裝在兩個相鄰主磁極之間，由換向極鐵心和換向極繞組組成。
（3）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：
一是用來固定主磁極、換向極和端蓋，并起整個電機(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。
（4）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。
（五）電樞鐵心
電樞鐵心是主磁路的主要部分，同時用以嵌放電樞繞組。
（六）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。
（七）換向器
在直流電動機(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；
（八）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。
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