有刷直流（BDC）電機(jī)的工作原理

圖1示出的是BDC電機(jī)的基本構(gòu)造。圖中畫出的組件包括定子、轉(zhuǎn)子、電刷和換向器。定子和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。有刷直流電機(jī)的類型根據(jù)電機(jī)定子或外殼中磁場(chǎng)的產(chǎn)生方式來(lái)劃分。根據(jù)有刷直流電機(jī)的類型，定子磁場(chǎng)可以由永磁鐵或定子中的繞組產(chǎn)生。對(duì)于后一種情況，定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組可以是并行、串行、或混合方式連接。這三種有刷直流電機(jī)分別稱為并激電動(dòng)機(jī)、串激電動(dòng)機(jī)和復(fù)激電動(dòng)機(jī)。

定子產(chǎn)生靜止磁場(chǎng)。這一靜止磁場(chǎng)圍繞在電樞（或稱轉(zhuǎn)子）的周圍。外加電源激發(fā)出電樞磁場(chǎng)。BDC電機(jī)軸上還有兩個(gè)圓弧形的銅片，稱為換向片。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，碳質(zhì)的電刷在換向器上滑動(dòng)。這樣就可以產(chǎn)生一個(gè)與定子的靜止磁場(chǎng)相吸引的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。電樞和定子繞組中的電流由電池或其它直流電源供給（永磁BDC電機(jī)沒有定子繞組）。電池（或直流電源）提供恒定的直流電壓。電壓幅度決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此是電池或直流電源是一個(gè)線性激勵(lì)源。改變BDC電機(jī)速度的最有效方式是采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)。PWM技術(shù)是以固定的頻率開關(guān)恒壓源。改變PWM信號(hào)的脈沖寬度可以調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。脈沖高低電平間的比例稱為PWM信號(hào)的占空比。直流電池電平的幅度等于PWM信號(hào)的平均幅度。
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單片機(jī)/電機(jī)控制實(shí)例

單片機(jī)設(shè)計(jì)中帶有內(nèi)建的外設(shè)，因此只需要最少量的外部元器件就可以容易地實(shí)現(xiàn)BDC電機(jī)的速度和方向控制。選用的單片機(jī)帶有內(nèi)建的外設(shè)，只需要最少量的外部元器件就可以容易地實(shí)現(xiàn)BDC電機(jī)的速度和方向控制。這款單片機(jī)的兩大特點(diǎn)對(duì)于BDC電機(jī)控制非常有用。首先，片上內(nèi)建有增強(qiáng)捕獲/比較/PWM（ECCP）模塊，當(dāng)配置為全橋模式時(shí)，可以提供直接驅(qū)動(dòng)H橋電路所需要的PWM信號(hào)。H橋電路可以為電機(jī)提供雙向電流驅(qū)動(dòng)。第二個(gè)非常適合電機(jī)控制器的特點(diǎn)是可以產(chǎn)生頻率高達(dá)31.2 kHz的8位PWM信號(hào)。對(duì)于電機(jī)控制應(yīng)用來(lái)說，這一點(diǎn)很重要，因?yàn)榈陀?0 kHz的頻率會(huì)導(dǎo)致電機(jī)產(chǎn)生人聽覺范圍內(nèi)的噪聲。不需要增加任何外部時(shí)鐘源，可以提供高于聽覺頻率的8位分辨率。為了獲得高出聽覺頻率范圍的頻率，此前的單片機(jī)需要在運(yùn)行時(shí)降低PWM的分辨率。與其它具備ECCP的單片機(jī)相比，它體積小且成本效率高。利用片上ECCP模塊做為PWM硬件發(fā)生器，而不是采用過去的軟件解決方案，寶貴的單片機(jī)處理器資源可以用于完成其它任務(wù)。

圖2中的低成本BDC電機(jī)控制系統(tǒng)在全橋PWM模式下使用ECCP。用戶可容易地配置PWM占空比，并實(shí)時(shí)改變單片機(jī)內(nèi)部振蕩器。此外，利用單片機(jī)片上的一個(gè)10位ADC來(lái)測(cè)量反向電動(dòng)勢(shì)（EMF），PIC16F684可以容易地跟蹤電機(jī)的轉(zhuǎn)速（RPM）。

本應(yīng)用中的硬件有三個(gè)主要部分。一個(gè)電源級(jí)、一個(gè)通信模塊（RS-232）和一個(gè)RPM及電流測(cè)量級(jí)。電源級(jí)包括提供BDC電機(jī)雙向控制的全H橋。PIC16F684通過RC2、RC3、RC4和RC5引腳連接到H橋。從RA5引腳通過一個(gè)RS-232端口可以將有關(guān)PWM占空比、單片機(jī)振蕩器速率、電機(jī)RPM和電流值等指令和信息發(fā)送給計(jì)算機(jī)。雖然實(shí)際生產(chǎn)出來(lái)的設(shè)備很可能并沒有這樣一個(gè)通信接口，但在開發(fā)階段這樣一個(gè)通信接口非常有用。在實(shí)際產(chǎn)品中，RA5可以被賦予不同的用途，如點(diǎn)亮狀態(tài)指示LED或者讀取電位計(jì)輸入。

通過測(cè)量電機(jī)的反向EMF電壓，不需額外傳感器即可以獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速（RPM）。電機(jī)轉(zhuǎn)速與反向EMF電壓直接成正比。BDC電機(jī)是一種感性負(fù)載。電機(jī)上感生的電壓等于電機(jī)電感乘以dI/dt 。將對(duì)應(yīng)FET關(guān)斷（OFF）即可以測(cè)量反向EMF電壓。這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反方向流過電機(jī)的電流。PIC16F684中的ADC模塊可以測(cè)量出EMF電壓。

通過測(cè)量MOSFETs、QB 和 QD, 以及地之間電流檢測(cè)電阻上的高端電壓可以獲得電流值。選擇適當(dāng)?shù)碾娮柚禃r(shí)需要考慮最大電流和功耗。PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)BDC電機(jī)。H橋電路僅在PWM信號(hào)處于高電平時(shí)才吸收電流。采用一個(gè)采樣和平均算法在多個(gè)PWM周期測(cè)量結(jié)果的基礎(chǔ)上算出電流值和電機(jī)轉(zhuǎn)速。　

此類應(yīng)用中使用的片上外設(shè)除ECCP模塊外，還有一個(gè)內(nèi)部10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。ECCP有捕獲模式（可捕獲定時(shí)器寄存器的16位值）、幾個(gè)比較器和4個(gè)PWM。在無(wú)傳感器的BDC電機(jī)控制應(yīng)用中，4個(gè)PWM通道是一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。如圖2所示，配合外部橋和4個(gè)FET驅(qū)動(dòng)器件，單片機(jī)的PWM模塊可以容易地實(shí)現(xiàn)雙向電機(jī)控制。

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