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1、專題1 直流有刷電機(jī)控制,電機(jī),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(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。電動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩，作為用電器或各種機(jī)械的動(dòng)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(duì)電機(jī)的啟動(dòng)、加速、運(yùn)轉(zhuǎn)、減速及停止進(jìn)行的控制。速度控制位置控制轉(zhuǎn)矩控制,直流有刷電機(jī),伺服電機(jī),步進(jìn)電機(jī),交流電機(jī),電機(jī)分類和原理,直流有刷電機(jī),直流有刷電機(jī)(Brushed DC)，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操控方便，成本低廉，具有良好的啟動(dòng)和調(diào)速性能等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于各種動(dòng)力器件中，小到玩具，按鈕調(diào)節(jié)式汽車座椅，大

2、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(chǎng)與主磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)負(fù)載。優(yōu)點(diǎn)：價(jià)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。,直流有刷電機(jī),在有刷直流電機(jī)的固定部分有磁鐵(主磁極)和電刷。轉(zhuǎn)動(dòng)部分有環(huán)形鐵芯和繞在環(huán)形鐵芯上的繞組。兩極有刷直流電機(jī)的固定部分(定子)上裝設(shè)了一對(duì)直流勵(lì)磁的靜止的主磁極N和S，在旋轉(zhuǎn)部分(轉(zhuǎn)子)上裝設(shè)電樞鐵芯。定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。在電樞鐵芯上放置了由導(dǎo)體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端

3、分別連到兩個(gè)圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片。換向片之間互相絕緣，由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上，換向片與轉(zhuǎn)軸之間亦互相絕緣。在換向片上放置著一對(duì)固定不動(dòng)的電刷A和B，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。,伺服電機(jī),伺服電機(jī)廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)中，能將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電機(jī)軸上的機(jī)械輸出量，拖動(dòng)被控制元件，從而達(dá)到控制目的。伺服電機(jī)系統(tǒng)見下圖。一般地，伺服電機(jī)要求電機(jī)的轉(zhuǎn)速要受所加電壓信號(hào)的控制；轉(zhuǎn)速能夠隨著所加電壓信號(hào)的變化而連續(xù)變化；轉(zhuǎn)矩能通過控制器輸出的電流進(jìn)行控制；電機(jī)的反映要快、體積要小、控制功率要小。伺服電機(jī)主要應(yīng)用在各種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，尤其是

4、隨動(dòng)系統(tǒng)。,伺服電機(jī)有直流和交流之分，最早的伺服電機(jī)是一般的直流電機(jī)，在控制精度不高的情況下，才采用一般的直流電機(jī)做伺服電機(jī)。當(dāng)前隨著永磁同步電機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，絕大部分的伺服電機(jī)是指交流永磁同步伺服電機(jī)或者直流無(wú)刷電機(jī)。優(yōu)點(diǎn)：可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，效率高，壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)：控制復(fù)雜，價(jià)格昂貴，需要專業(yè)人士才能控制。,步進(jìn)電機(jī),步進(jìn)電機(jī)就是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；更通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度。我們可以通過控制脈沖的個(gè)數(shù)來控制電機(jī)的角位移量，從而達(dá)到精確定位的目的；同時(shí)還可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加

5、速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。,優(yōu)點(diǎn)：控制簡(jiǎn)單，低速扭矩大，成本低；缺點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)存在空載啟動(dòng)頻率，所以步進(jìn)電機(jī)可以低速正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定速度時(shí)就無(wú)法啟動(dòng)，并伴有尖銳的嘯叫聲；同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)是開環(huán)控制，控制精度和速度都沒有伺服電機(jī)那么高。,直流無(wú)刷電機(jī),無(wú)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(dòng)電流是不折不扣的交流。一般地，無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流有兩種，一種是梯形波(方波)，另一種是正弦波。有時(shí)候把前一種叫直流無(wú)刷電機(jī)(BLDC)，后一種叫永磁同步電機(jī)(PMSM)，確切地講也是交流伺服電機(jī)的一種。,一般的，把方波驅(qū)動(dòng)的叫做直流無(wú)刷電機(jī)(BLDC)；把正弦波驅(qū)動(dòng)的叫做永磁

6、同步電機(jī)(PMSM)，這個(gè)實(shí)際上就是伺服電機(jī)。直流無(wú)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(jià)便宜一些，驅(qū)動(dòng)控制方法簡(jiǎn)單一些。,舵機(jī),舵機(jī)（英文叫Servo，伺服）：它由直流電機(jī)、減速齒輪組、傳感器和控制電路組成的一套自動(dòng)控制系統(tǒng)。通過發(fā)送信號(hào)，指定輸出軸旋轉(zhuǎn)角度。舵機(jī)一般而言都有最大旋轉(zhuǎn)角度（比如180度。）與普通直流電機(jī)的區(qū)別主要在，直流電機(jī)是一圈圈轉(zhuǎn)動(dòng)的，舵機(jī)只能在一定角度內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，不能一圈圈轉(zhuǎn)。普通直流電機(jī)無(wú)法反饋轉(zhuǎn)動(dòng)的角度信息，而舵機(jī)可以。用途也不同，普通直流電機(jī)一般是整圈轉(zhuǎn)動(dòng)做動(dòng)力用，舵機(jī)是控制某物體轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度用（比如機(jī)器人的關(guān)節(jié)）。,三個(gè)基本定則左手定則,左手

7、定則：位于磁場(chǎng)中的載流導(dǎo)體，會(huì)受到力的作用，力的方向可按左手定則確定，如圖所示：伸開左手，使大拇指和其余四指垂直，把手心面向 N 極，四指順著電流的方向，那么大拇指所指方向就是載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的受力方向。磁+電-力,力的大小為：F=BIL sin 其中：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度（單位T），I為電流大?。▎挝籄），L為導(dǎo)體有效長(zhǎng)度（單位m），F(xiàn)為力的大?。▎挝籒），為：B和I的夾角。可以看到，當(dāng)為90度時(shí)F最大。,三個(gè)基本定則右手定則,右手定則：在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體因切割磁力線會(huì)感生出電動(dòng)勢(shì)E磁生電,其大小為： E=vBL sin其中：v為導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度（單位m/s），B為磁感應(yīng)強(qiáng)度（單位T），L為導(dǎo)體長(zhǎng)度

8、（單位m），為：B 和L的夾角。,三個(gè)基本定則安培定則,如果一條直的金屬導(dǎo)線通過電流，那么在導(dǎo)線周圍的空間將產(chǎn)生圓形磁場(chǎng)。電生磁導(dǎo)線中流過的電流越大，產(chǎn)生的磁場(chǎng)越強(qiáng)。磁場(chǎng)成圓形，圍繞導(dǎo)線周圍。磁場(chǎng)的方向可以根據(jù)“右手螺旋定則”（又稱安培定則）安培定則：用右手握住通電螺線管，使四指彎曲與電流方向一致，那么大拇指所指的那一端就是通電螺旋管的N（北）極。,直流有刷電機(jī)工作原理,最簡(jiǎn)單的兩極直流電機(jī)模型：固定部分有磁鐵（主磁極）和電刷。轉(zhuǎn)動(dòng)部分有環(huán)形鐵心和繞在環(huán)形鐵心上的繞組，以及換向片。,直流有刷電機(jī)工作原理,磁場(chǎng)：圖中N和S是一對(duì)靜止的磁極，用以產(chǎn)生磁場(chǎng)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度沿圓周為正弦分布。勵(lì)磁繞組容量

9、較小的電機(jī)是用永久磁鐵做磁極的。容量較大的電機(jī)的磁場(chǎng)是由直流電流通過繞在磁極鐵心上的繞組產(chǎn)生的。用來形成N極和S極的繞組稱為勵(lì)磁繞組，勵(lì)磁繞組中的電流稱為勵(lì)磁電流If。電樞繞組：在N極和S極之間，有一個(gè)能繞軸旋轉(zhuǎn)的圓柱形鐵心，其上緊繞著一個(gè)線圈稱為電樞繞組(圖中只畫出一匝線圈)，電樞繞組中的電流稱為電樞電流Ia。換向器：電樞繞組兩端分別接在兩個(gè)相互絕緣而和繞組同軸旋轉(zhuǎn)的半圓形銅片換向片上，組成一個(gè)換向器。換向器上壓著固定不動(dòng)的炭質(zhì)電刷。電樞：鐵心、電樞繞組和換向器所組成的旋轉(zhuǎn)部分稱為電樞。,直流有刷電機(jī)工作原理,電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生電樞繞組通過電刷接到直流電源上，繞組的旋轉(zhuǎn)軸與機(jī)械負(fù)載相聯(lián)。電流從電刷

10、A流入電樞繞組，從電刷B流出。電樞電流Ia與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力F，其方向可用左手定則判定。這一對(duì)電磁力所形成的電磁轉(zhuǎn)矩T，使電動(dòng)機(jī)電樞逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。電磁轉(zhuǎn)矩與電樞旋轉(zhuǎn)方向關(guān)系：同向,直流有刷電機(jī)工作原理,換向當(dāng)電樞（旋轉(zhuǎn)部分）轉(zhuǎn)到上圖b所示位置時(shí)，ab邊轉(zhuǎn)到了S極下，cd邊轉(zhuǎn)到了N極下。這時(shí)線圈電磁轉(zhuǎn)矩的方向發(fā)生了改變，但由于換向器隨同一起旋轉(zhuǎn)，使得電刷A總是接觸 N極下的導(dǎo)線，而電刷B總是接觸S極下的導(dǎo)線，故電流流動(dòng)方向發(fā)生改變，電磁轉(zhuǎn)矩方向不變。,電動(dòng)勢(shì)與能量轉(zhuǎn)換分析,反電動(dòng)勢(shì)：電樞轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，割切磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（磁生電），這個(gè)電動(dòng)勢(shì)(用右手定則判定)的方向與電樞電流Ia和外加電

11、壓U的方向總是相反的，稱為反電動(dòng)勢(shì)Ea。電源只有克服這個(gè)反電動(dòng)勢(shì)才能向電動(dòng)機(jī)輸入電流?？梢?，電動(dòng)機(jī)向負(fù)載輸出機(jī)械功率的同時(shí)，電源卻向電動(dòng)機(jī)輸入電功率，電動(dòng)機(jī)起著將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的作用。電動(dòng)勢(shì)方向與電流方向關(guān)系：反向能量轉(zhuǎn)換：電源（電能）-電磁轉(zhuǎn)矩-負(fù)載（機(jī)械能）由此可見，加于直流電動(dòng)機(jī)的直流電源，借助于換向器和電刷的作用，使直流電動(dòng)機(jī)電樞線圈中流過的電流，方向是交變的，從而使電樞產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變，確保直流電動(dòng)機(jī)朝確定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理。簡(jiǎn)單來說，直流電動(dòng)機(jī)就是利用通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力運(yùn)動(dòng)而“切割”其磁力線的原理工作的。,直流減速電機(jī),直流減速電機(jī)，即齒

12、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(shí)，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(dòng)化行業(yè)中的使用率。,直流減速電機(jī),減速電機(jī)的特色首要有以下幾點(diǎn)：減速電機(jī)節(jié)約空間，牢靠經(jīng)用，能承受一定的過載能力，功率能滿意的需求；減速電機(jī)能耗低，性能優(yōu)越；減速電機(jī)振蕩小，噪音低，節(jié)能高，選用優(yōu)質(zhì)鍛鋼資料，剛性鑄鐵箱體，齒輪外表顛末高頻熱出來；顛末精細(xì)加工，包管定位精度，這一切構(gòu)成了齒輪傳動(dòng)總成的齒輪減速電機(jī)裝備了各類電機(jī)，形成了機(jī)電一體化，徹底包管了產(chǎn)物的運(yùn)用質(zhì)量特征； 減速電機(jī)采用了系列化、模塊化的設(shè)計(jì)，有很

13、廣泛的適應(yīng)性。同時(shí)可組合其他多種電機(jī)、裝置方位和布局計(jì)劃、可按實(shí)際需要挑選任意轉(zhuǎn)速和各種布局方式。,減速電機(jī)參數(shù),減速電機(jī)有幾個(gè)重要參數(shù)在選型時(shí)作為參考值：,直流減速電機(jī),減速電機(jī)有幾個(gè)重要參數(shù)在選型時(shí)作為參考值：空載轉(zhuǎn)速：電機(jī)正常通電無(wú)負(fù)載狀態(tài)的轉(zhuǎn)速（單位：rpm或轉(zhuǎn)/分鐘或r/min) ；空載電流：電機(jī)正常通電無(wú)負(fù)載狀態(tài)的電流（單位：mA毫安）；負(fù)載力矩：電機(jī)負(fù)載測(cè)試時(shí)候的額定扭矩，僅用于測(cè)試參考（單位：g-cm克每厘米或kg-cm公斤每厘米）；負(fù)載轉(zhuǎn)速：電機(jī)在負(fù)載力矩下的轉(zhuǎn)速（單位：rpm或轉(zhuǎn)/分鐘或r/min)；負(fù)載電流：電機(jī)在負(fù)載力矩下的電流（單位：mA毫安或A安）；堵轉(zhuǎn)力矩：又叫啟

14、動(dòng)扭力，為電機(jī)所能承受的最大扭力標(biāo)準(zhǔn)，超過該扭力，電機(jī)將停轉(zhuǎn)或堵轉(zhuǎn)（單位：g-cm克每厘米或kg-cm公斤每厘米）；堵轉(zhuǎn)電流：也叫啟動(dòng)電流，為電機(jī)遭到堵轉(zhuǎn)停止時(shí)候的最大電流；（單位：mA毫安或A安）；減速比：減速裝置的傳動(dòng)比，由減速齒輪結(jié)構(gòu)決定；減速電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速與直流電機(jī)轉(zhuǎn)速之比；霍爾分辨率：電機(jī)輸出軸旋轉(zhuǎn)一圈霍爾編碼器輸出的脈沖數(shù)。,直流減速電機(jī),很多時(shí)候我們更加關(guān)系電機(jī)的轉(zhuǎn)速問題，下面我們分析電機(jī)轉(zhuǎn)速影響因素：U=Cen+IaRan=(U-IaRa)/(Ce)其中n為轉(zhuǎn)速，U為電機(jī)端電壓，Ia為電樞電流，Ra為電機(jī)電樞繞組電阻Ce為電機(jī)常數(shù)，與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)，為電機(jī)氣隙磁通。對(duì)一個(gè)電機(jī)來說

15、，電機(jī)出廠時(shí)Ce和這兩個(gè)參數(shù)值已經(jīng)是確定的。所以，很多時(shí)候通過調(diào)節(jié)電機(jī)電壓來達(dá)到調(diào)速的目的。一般認(rèn)為：直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電壓成正比；,直流減速電機(jī),減速電機(jī)的重要參數(shù)：電機(jī)一般還有一個(gè)最小啟動(dòng)電壓，就是可以使得電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)的電壓值。為保證電機(jī)正常工作，一般需要接到電機(jī)兩端的電壓值范圍為：最小啟動(dòng)電壓至額定電壓。并且在這個(gè)電壓值范圍內(nèi)才認(rèn)為轉(zhuǎn)速與電壓成正比。電機(jī)線圈是有銅導(dǎo)線繞線而成的，所以其電機(jī)電樞繞組電阻一般都是非常小，這樣回路中電流一般都是比較大的。這對(duì)我們電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)有很大的影響。另外，電機(jī)還有一個(gè)比較重要的參數(shù)：扭矩。簡(jiǎn)化理解扭矩就是電機(jī)可以帶動(dòng)外部部件旋轉(zhuǎn)的力量，大扭矩可以帶動(dòng)比較重的

16、東西。一般認(rèn)為：直流電機(jī)的扭矩和電流成正比；,直流減速電機(jī),關(guān)于減速齒輪的簡(jiǎn)易說明：直流減速電機(jī)由兩部分組成：減速齒輪+直流電機(jī)。一般直流電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速是很高的（上千上萬(wàn)轉(zhuǎn)每分鐘），但實(shí)際應(yīng)用中可能需要轉(zhuǎn)速慢的電機(jī)，合適的做法是為電機(jī)加速減速齒輪。并且可以提高轉(zhuǎn)軸的輸出轉(zhuǎn)矩。通過控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以控制減速電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速。,直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì),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。我們希望STM32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)直接添加一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路板，該電機(jī)驅(qū)動(dòng)板有兩種輸入線：電源輸入線和控制信號(hào)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，它是給電機(jī)提供動(dòng)力的來源?？刂菩盘?hào)線與微控制器的信號(hào)線連接，是實(shí)現(xiàn)調(diào)速的方法。電機(jī)驅(qū)動(dòng)板還有一個(gè)輸出線，有兩個(gè)端口，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(dòng)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(hào)調(diào)制后