直流電機（DC Motors）

直流電機（DC Motors）是一種機電設備，它利用磁場(chǎng)和導體的相互作用將電能轉換為旋轉機械能。

直流電機及其應用

直流電機是一種連續執行器，將電能轉換為機械能。直流電機通過(guò)產(chǎn)生連續的角旋轉來(lái)實(shí)現這一點(diǎn)，這種旋轉可用于驅動(dòng)泵、風(fēng)扇、壓縮機、車(chē)輪等。

除了傳統的旋轉直流電機外，還有線(xiàn)性電機，它們能夠產(chǎn)生連續的線(xiàn)性運動(dòng)?；旧嫌腥N類(lèi)型的傳統電機：交流電機（AC Motors）、直流電機（DC Motors）和步進(jìn)電機（Stepper Motors）。

典型的小型直流電機

交流電機通常用于高功率的單相或多相工業(yè)應用，需要恒定的旋轉扭矩和速度來(lái)控制大型負載，如風(fēng)扇或泵。

在本教程中，我們將僅關(guān)注用于許多不同類(lèi)型的電子、位置控制、微處理器、PIC和機器人電路中的簡(jiǎn)單輕型直流電機和步進(jìn)電機。

直流電機的基礎知識

直流電機（DC Motor）或全稱(chēng)直流電動(dòng)機，是最常用的執行器，用于產(chǎn)生連續運動(dòng)，并且其旋轉速度可以輕松控制，使其非常適合用于需要速度控制、伺服控制或定位的應用。

通常，直流電機由兩部分組成：“定子”（Stator）是靜止部分，“轉子”（Rotor）是旋轉部分。因此，基本上有三種類(lèi)型的直流電機：

1. 有刷電機（Brushed Motor） - 這種電機通過(guò)在轉子上通過(guò)換向器和碳刷組件通電來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，因此稱(chēng)為“有刷”。定子的磁場(chǎng)可以通過(guò)繞制定子繞組或使用永磁體產(chǎn)生。通常，有刷直流電機價(jià)格便宜、體積小且易于控制。

2. 無(wú)刷電機（Brushless Motor） - 這種電機通過(guò)在轉子上安裝永磁體來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，并通過(guò)電子換向實(shí)現。它們通常比傳統的有刷直流電機更小但更昂貴，因為它們在定子中使用“霍爾效應”開(kāi)關(guān)來(lái)產(chǎn)生所需的定子磁場(chǎng)旋轉序列，但它們具有更好的扭矩/速度特性，效率更高，并且比等效的有刷電機具有更長(cháng)的使用壽命。

3. 伺服電機（Servo Motor） - 這種電機基本上是一種帶有某種形式位置反饋控制的有刷直流電機，連接到轉子軸。它們連接到PWM型控制器并由其控制，主要用于位置控制系統和無(wú)線(xiàn)電控制模型。

普通直流電機具有幾乎線(xiàn)性的特性，其旋轉速度由施加的直流電壓決定，輸出扭矩由流過(guò)電機繞組的電流決定。

直流電機的旋轉速度可以從每分鐘幾轉（rpm）到每分鐘數千轉不等，使其適用于電子、汽車(chē)或機器人應用。通過(guò)將它們連接到齒輪箱或齒輪傳動(dòng)裝置，可以在高速時(shí)降低輸出速度，同時(shí)增加電機的扭矩輸出。

有刷直流電機

傳統的有刷直流電機基本上由兩部分組成：靜止的電機主體稱(chēng)為定子，旋轉產(chǎn)生運動(dòng)的內部分稱(chēng)為轉子或“電樞”。

電機的繞制定子是一個(gè)電磁電路，由以圓形配置連接在一起的電氣線(xiàn)圈組成，以產(chǎn)生所需的北極、南極、北極等類(lèi)型的靜止磁場(chǎng)系統，與交流電機的定子磁場(chǎng)隨頻率不斷旋轉不同。流過(guò)這些勵磁線(xiàn)圈的電流稱(chēng)為電機勵磁電流。

這些形成定子磁場(chǎng)的電磁線(xiàn)圈可以與電機的電樞串聯(lián)、并聯(lián)或兩者結合（復合）。串聯(lián)繞組的直流電機的定子勵磁繞組與電樞串聯(lián)連接。同樣，并聯(lián)繞組的直流電機的定子勵磁繞組與電樞并聯(lián)連接，如圖所示。
串聯(lián)和并聯(lián)連接的直流電機

直流電機的轉子或電樞由載流導體組成，這些導體在一端連接到稱(chēng)為換向器的電氣隔離銅段。換向器允許通過(guò)碳刷（因此稱(chēng)為“有刷”電機）在電樞旋轉時(shí)與外部電源進(jìn)行電氣連接。

轉子設置的磁場(chǎng)試圖與靜止的定子磁場(chǎng)對齊，導致轉子繞其軸旋轉，但由于換向延遲而無(wú)法對齊。電機的旋轉速度取決于轉子磁場(chǎng)的強度，施加到電機的電壓越高，轉子旋轉得越快。通過(guò)改變施加的直流電壓，電機的旋轉速度也可以改變。
傳統（有刷）直流電機

永磁（PMDC）有刷直流電機通常比其等效的繞制定子型直流電機更小且更便宜，因為它們沒(méi)有勵磁繞組。在永磁直流（PMDC）電機中，這些勵磁線(xiàn)圈被強大的稀土（如釤鈷或釹鐵硼）型磁體取代，這些磁體具有非常高的磁能場(chǎng)。

使用永磁體使直流電機具有比等效的繞制電機更好的線(xiàn)性速度/扭矩特性，因為永磁體有時(shí)具有非常強的磁場(chǎng)，使其更適合用于模型、機器人和伺服系統。

盡管有刷直流電機非常高效且便宜，但與有刷直流電機相關(guān)的問(wèn)題是，在重負載條件下，換向器和碳刷之間的兩個(gè)表面之間會(huì )發(fā)生火花，導致自發(fā)熱、壽命短以及由于火花產(chǎn)生的電氣噪聲，這可能會(huì )損壞任何半導體開(kāi)關(guān)設備，如MOSFET或晶體管。為了克服這些缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了無(wú)刷直流電機。

無(wú)刷直流電機

無(wú)刷直流電機（BDCM）與永磁直流電機非常相似，但由于沒(méi)有換向器火花，因此沒(méi)有需要更換或磨損的碳刷。因此，轉子產(chǎn)生的熱量很少，從而延長(cháng)了電機的壽命。

無(wú)刷電機的設計通過(guò)使用更復雜的驅動(dòng)電路消除了對碳刷的需求，轉子磁場(chǎng)是永磁體，始終與定子磁場(chǎng)同步，從而實(shí)現更精確的速度和扭矩控制。

因此，無(wú)刷直流電機的構造與交流電機非常相似，使其成為真正的同步電機，但其缺點(diǎn)是比等效的“有刷”電機設計更昂貴。

無(wú)刷直流電機的控制與普通有刷直流電機非常不同，因為這種類(lèi)型的電機包含一些檢測轉子角位置（或磁極）的手段，以產(chǎn)生控制半導體開(kāi)關(guān)設備所需的反饋信號。最常見(jiàn)的位置/磁極傳感器是“霍爾效應傳感器”，但一些電機也使用光學(xué)傳感器。

使用霍爾效應傳感器，電機控制驅動(dòng)電路切換電磁鐵的極性。然后，電機可以輕松地與數字時(shí)鐘信號同步，提供精確的速度控制。無(wú)刷直流電機的構造可以是外部永磁轉子和內部電磁定子，或內部永磁轉子和外部電磁定子。

與“有刷”電機相比，無(wú)刷直流電機的優(yōu)點(diǎn)是效率更高、可靠性高、電氣噪聲低、速度控制良好，更重要的是沒(méi)有碳刷或換向器磨損，從而產(chǎn)生更高的速度。然而，它們的缺點(diǎn)是更昂貴且控制更復雜。

直流伺服電機

直流伺服電機用于閉環(huán)類(lèi)型的應用，其中電機輸出軸的位置反饋到電機控制電路。典型的位置“反饋”設備包括解析器、編碼器和電位器，用于無(wú)線(xiàn)電控制模型，如飛機和船只等。

伺服電機通常包括一個(gè)內置的齒輪箱用于減速，并且能夠直接提供高扭矩。伺服電機的輸出軸不像直流電機的軸那樣自由旋轉，因為連接了齒輪箱和反饋設備。
直流伺服電機框圖

伺服電機由直流電機、減速齒輪箱、位置反饋設備和某種形式的誤差校正組成。速度或位置相對于施加到設備的輸入信號或參考信號進(jìn)行控制。

RC伺服電機

誤差檢測放大器查看此輸入信號并將其與電機輸出軸的反饋信號進(jìn)行比較，確定電機輸出軸是否處于誤差狀態(tài)，如果是，則控制器進(jìn)行適當的校正，加快或減慢電機速度。這種對位置反饋設備的響應意味著(zhù)伺服電機在“閉環(huán)系統”中運行。

除了大型工業(yè)應用外，伺服電機還用于小型遙控模型和機器人，大多數伺服電機能夠雙向旋轉約180度，使其非常適合精確的角度定位。然而，這些RC型伺服電機無(wú)法像傳統直流電機那樣持續高速旋轉，除非經(jīng)過(guò)特殊改裝。

伺服電機由多個(gè)設備組成，包括電機、齒輪箱、反饋設備和用于控制位置、方向或速度的誤差校正。它們廣泛用于機器人和小型模型，因為它們只需三根電線(xiàn)即可輕松控制：電源、地和信號控制。

直流電機的開(kāi)關(guān)和控制

小型直流電機可以通過(guò)開(kāi)關(guān)、繼電器、晶體管或MOSFET電路進(jìn)行“開(kāi)”或“關(guān)”控制，最簡(jiǎn)單的電機控制形式是“線(xiàn)性”控制。這種類(lèi)型的電路使用雙極晶體管作為開(kāi)關(guān)（也可以使用達林頓晶體管以滿(mǎn)足更高的電流要求）從單一電源控制電機。

通過(guò)改變流入晶體管的基極電流量，可以控制電機的速度。例如，如果晶體管“半開(kāi)”，則只有一半的電源電壓供給電機。如果晶體管“完全開(kāi)啟”（飽和），則所有電源電壓都供給電機，電機旋轉得更快。因此，對于這種線(xiàn)性控制，電源持續供給電機，如下所示。
電機速度控制電路

上面的簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)電路顯示了單向（僅一個(gè)方向）電機速度控制電路。由于直流電機的旋轉速度與其端子上的電壓成正比，我們可以使用晶體管調節該端子電壓。

兩個(gè)晶體管連接為達林頓對，以控制電機的主電樞電流。一個(gè)5kΩ電位器用于控制第一個(gè)引導晶體管TR1的基極驅動(dòng)量，從而控制主開(kāi)關(guān)晶體管TR2，允許電機的直流電壓從零變化到Vcc，在本例中為9到12伏。

可選續流二極管連接在開(kāi)關(guān)晶體管TR2和電機端子之間，以保護電機旋轉時(shí)產(chǎn)生的任何反電動(dòng)勢?？烧{電位器可以用連續的邏輯“1”或邏輯“0”信號直接替換，以從微控制器或PIC的端口分別將電機“完全開(kāi)啟”（飽和）或“完全關(guān)閉”（截止）。

除了這種基本的速度控制外，相同的電路還可用于控制電機的旋轉速度。通過(guò)以足夠高的頻率反復切換電機電流“開(kāi)”和“關(guān)”，可以通過(guò)改變其電源的占空比來(lái)改變電機的速度，從靜止（0 rpm）到全速（100%）。這是通過(guò)改變“開(kāi)”時(shí)間（tON）與“關(guān)”時(shí)間（tOFF）的比例來(lái)實(shí)現的，這可以通過(guò)稱(chēng)為脈寬調制（PWM）的過(guò)程實(shí)現。

脈寬直流電機速度控制

我們之前說(shuō)過(guò)，直流電機的旋轉速度與其端子上的平均電壓值成正比，該值越高（達到電機允許的最大電壓），電機旋轉得越快。換句話(huà)說(shuō)，電壓越高，速度越快。

通過(guò)改變“開(kāi)”（tON）時(shí)間和“關(guān)”（tOFF）時(shí)間之間的比例，稱(chēng)為“占空比”、“占空比”或“工作周期”，電機電壓的平均值及其旋轉速度可以改變。對于簡(jiǎn)單的單極驅動(dòng)，占空比β給出為：

直流電機占空比

供給電機的平均直流輸出電壓為：Vmean = β x Vsupply。然后，通過(guò)改變脈沖寬度a，可以控制電機電壓，從而控制施加到電機的功率，這種類(lèi)型的控制稱(chēng)為脈寬調制或PWM。

另一種控制電機旋轉速度的方法是改變頻率（從而改變控制電壓的時(shí)間周期），同時(shí)保持“開(kāi)”和“關(guān)”占空比時(shí)間不變。這種類(lèi)型的控制稱(chēng)為脈頻調制或PFM。

通過(guò)脈頻調制，電機電壓通過(guò)施加可變頻率的脈沖來(lái)控制，例如，在低頻或脈沖很少的情況下，施加到電機的平均電壓較低，因此電機速度較慢。在較高頻率或脈沖較多的情況下，電機端子電壓增加，電機速度也會(huì )增加。

因此，晶體管可用于控制施加到直流電機的功率量，操作模式可以是“線(xiàn)性”（改變電機電壓）、“脈寬調制”（改變脈沖寬度）或“脈頻調制”（改變脈沖頻率）。

直流電機的方向反轉

雖然使用單個(gè)晶體管控制直流電機的速度有許多優(yōu)點(diǎn)，但它也有一個(gè)主要缺點(diǎn)，即旋轉方向始終相同，它是一個(gè)“單向”電路。在許多應用中，我們需要使電機在兩個(gè)方向上運行，即正向和反向。

要控制直流電機的方向，必須反轉施加到電機連接的直流電源的極性，使其軸在相反方向上旋轉?？刂浦绷麟姍C旋轉方向的一種非常簡(jiǎn)單且廉價(jià)的方法是使用以下方式排列的不同開(kāi)關(guān)：

直流電機方向控制

第一個(gè)電路使用單個(gè)雙刀雙擲（DPDT）開(kāi)關(guān)來(lái)控制電機連接的極性。通過(guò)切換觸點(diǎn)，電機端子的電源反轉，電機反轉方向。第二個(gè)電路稍微復雜一些，使用四個(gè)單刀單擲（SPST）開(kāi)關(guān)以“H”形配置排列。

機械開(kāi)關(guān)以開(kāi)關(guān)對排列，必須以特定的組合操作或停止直流電機。例如，開(kāi)關(guān)組合A + D控制正向旋轉，而開(kāi)關(guān)B + C控制反向旋轉，如圖所示。開(kāi)關(guān)組合A + B或C + D短路電機端子，使其快速制動(dòng)。然而，以這種方式使用開(kāi)關(guān)有其危險，因為同時(shí)操作開(kāi)關(guān)A + C或B + D會(huì )短路電源。

雖然上述兩個(gè)電路在大多數小型直流電機應用中效果很好，但我們真的想通過(guò)操作不同的機械開(kāi)關(guān)組合來(lái)反轉電機的方向嗎？不！我們可以將手動(dòng)開(kāi)關(guān)更換為一組機電繼電器，并有一個(gè)單一的正向-反向按鈕或開(kāi)關(guān)，甚至使用固態(tài)CMOS 4066B四路雙向開(kāi)關(guān)。

但另一種實(shí)現電機雙向控制（以及速度控制）的非常好方法是將電機連接到晶體管H橋型電路布置中，如下所示。

基本雙向H橋直流電機電路

上面的H橋電路之所以如此命名，是因為四個(gè)開(kāi)關(guān)（無(wú)論是機電繼電器還是晶體管）的基本配置類(lèi)似于字母“H”，電機位于中心條上。

晶體管或MOSFET H橋可能是最常用的雙向直流電機控制電路之一。它在每個(gè)分支中使用“互補晶體管對”（NPN和PNP），晶體管成對切換以控制電機。

控制輸入A使電機在一個(gè)方向上運行，即正向旋轉，而輸入B使電機在另一個(gè)方向上運行，即反向旋轉。然后，通過(guò)在“對角線(xiàn)對”中切換晶體管“開(kāi)”或“關(guān)”，可以實(shí)現電機的方向控制。

例如，當晶體管TR1“開(kāi)”且晶體管TR2“關(guān)”時(shí)，點(diǎn)A連接到電源電壓（+Vcc），如果晶體管TR3“關(guān)”且晶體管TR4“開(kāi)”，則點(diǎn)B連接到0伏（GND）。然后，電機將在一個(gè)方向上旋轉，對應于電機端子A為正，電機端子B為負。

如果切換狀態(tài)反轉，使TR1“關(guān)”，TR2“開(kāi)”，TR3“開(kāi)”且TR4“關(guān)”，電機電流現在將沿相反方向流動(dòng)，導致電機在相反方向上旋轉。

然后，通過(guò)向輸入A和B施加相反的邏輯電平“1”或“0”，可以控制電機的旋轉方向，如下所示。

直流電機H橋真值表

重要的是不允許其他輸入組合，因為這可能會(huì )導致電源短路，即兩個(gè)晶體管TR1和TR2同時(shí)“開(kāi)”（保險絲=爆炸?。?。

與上面看到的單向直流電機控制一樣，電機的旋轉速度也可以使用脈寬調制（PWM）進(jìn)行控制。然后，通過(guò)將H橋開(kāi)關(guān)與PWM控制相結合，可以精確控制電機的方向和速度。

商用現成的解碼器IC，如SN754410四路半H橋IC或具有2個(gè)H橋的L298N，具有所有必要的控制和安全邏輯，專(zhuān)門(mén)設計用于H橋雙向電機控制電路。

直流電機作為步進(jìn)電機

與上述直流電機一樣，步進(jìn)電機也是一種機電執行器，它將脈沖數字輸入信號轉換為離散（增量）機械運動(dòng)，廣泛應用于工業(yè)控制應用中。

步進(jìn)電機是一種同步無(wú)刷電機，因為它沒(méi)有帶有換向器和碳刷的電樞，而是有一個(gè)由許多（某些類(lèi)型有數百個(gè)）永磁齒組成的轉子和帶有獨立繞組的定子。

 步進(jìn)電機

顧名思義，步進(jìn)電機不像傳統直流電機那樣連續旋轉，而是以離散的“步”或“增量”移動(dòng)，每個(gè)旋轉運動(dòng)或步的角度取決于步進(jìn)電機的定子極數和轉子齒數。

由于其離散的步進(jìn)操作，步進(jìn)電機可以輕松地一次旋轉有限的旋轉部分，例如1.8°、3.6°、7.5°等。例如，假設步進(jìn)電機在100步內完成一次完整的旋轉（360°）。

那么電機的步進(jìn)角度為360度/100步=每步3.6度。該值通常稱(chēng)為步進(jìn)電機的步進(jìn)角度。

步進(jìn)電機有三種基本類(lèi)型：可變磁阻（Variable Reluctance）、永磁（Permanent Magnet）和混合（Hybrid）（兩者的組合）。步進(jìn)電機特別適用于需要精確定位和可重復性以及對啟動(dòng)、停止、反轉和速度控制的快速響應的應用，步進(jìn)電機的另一個(gè)關(guān)鍵特性是其在達到所需位置后能夠保持負載穩定。

通常，步進(jìn)電機具有一個(gè)內部轉子，帶有大量永磁“齒”，并且定子上安裝有多個(gè)電磁“齒”。定子的電磁鐵依次極化和去極化，使轉子一次旋轉一個(gè)“步”。

現代多極、多齒步進(jìn)電機能夠實(shí)現每步小于0.9度的精度（每轉400個(gè)脈沖），主要用于高度精確的定位系統，如軟盤(pán)/硬盤(pán)驅動(dòng)器中的磁頭、打印機/繪圖儀或機器人應用。最常用的步進(jìn)電機是每轉200步的步進(jìn)電機。它具有50齒轉子、4相定子和1.8度的步進(jìn)角度（360度/（50×4））。

步進(jìn)電機的構造與控制

可變磁阻步進(jìn)電機

在我們上述簡(jiǎn)單的可變磁阻步進(jìn)電機示例中，電機由一個(gè)中央轉子和四個(gè)標記為A、B、C和D的電磁場(chǎng)線(xiàn)圈組成。所有相同字母的線(xiàn)圈都連接在一起，因此通電時(shí)，例如標記為A的線(xiàn)圈將使磁性轉子與該組線(xiàn)圈對齊。

通過(guò)依次向每組線(xiàn)圈施加電源，轉子可以通過(guò)其步進(jìn)角構造確定的角度從一個(gè)位置旋轉或“步進(jìn)”到下一個(gè)位置，并且通過(guò)依次通電線(xiàn)圈，轉子將產(chǎn)生旋轉運動(dòng)。

步進(jìn)電機驅動(dòng)器通過(guò)以設定的順序通電場(chǎng)線(xiàn)圈來(lái)控制電機的步進(jìn)角和速度，例如，“ADCB, ADCB, ADCB, A…”等，轉子將沿一個(gè)方向（正向）旋轉，而通過(guò)將脈沖序列反轉為“ABCD, ABCD, ABCD, A…”等，轉子將沿相反方向（反向）旋轉。

因此，在我們上面的簡(jiǎn)單示例中，步進(jìn)電機有四個(gè)線(xiàn)圈，使其成為4相電機，定子上的極數為8個(gè)（2 x 4），間隔為45度。轉子上的齒數為6個(gè)，間隔為60度。

然后，轉子完成一整圈有24個(gè)（6齒 x 4線(xiàn)圈）可能的位置或“步進(jìn)”。因此，上述步進(jìn)角為：360度/24 = 15度。

顯然，轉子齒數和/或定子線(xiàn)圈越多，控制越精細，步進(jìn)角越小。此外，通過(guò)以不同的配置連接電機的電線(xiàn)圈，可以實(shí)現全步、半步和微步角度。然而，要實(shí)現微步進(jìn)，步進(jìn)電機必須由（準）正弦電流驅動(dòng)，這實(shí)現起來(lái)成本較高。

還可以通過(guò)改變施加到線(xiàn)圈的數字脈沖之間的時(shí)間延遲（頻率）來(lái)控制步進(jìn)電機的旋轉速度，延遲越長(cháng)，完成一整圈的速度越慢。通過(guò)向電機施加固定數量的脈沖，電機軸將旋轉給定的角度。

使用時(shí)間延遲脈沖的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需任何形式的額外反饋，因為通過(guò)計算給電機的脈沖數，可以準確知道轉子的最終位置。這種對設定數量的數字輸入脈沖的響應允許步進(jìn)電機在“開(kāi)環(huán)系統”中運行，使其控制更簡(jiǎn)單且更經(jīng)濟。

例如，假設我們的步進(jìn)電機每步的步進(jìn)角為3.6度。要使電機旋轉216度，然后在所需位置停止，只需要總共：216度/（3.6度/步）= 80個(gè)脈沖施加到定子線(xiàn)圈。

有許多步進(jìn)電機控制器IC可用于控制步進(jìn)速度、旋轉速度和電機方向。其中一個(gè)控制器IC是SAA1027，它具有所有必要的計數器和代碼轉換功能，并可以自動(dòng)以正確的順序驅動(dòng)4個(gè)全控橋輸出到電機。

還可以選擇旋轉方向以及單步模式或選定方向的連續（無(wú)級）旋轉，但這會(huì )給控制器帶來(lái)一些負擔。當使用8位數字控制器時(shí)，每步還可以實(shí)現256個(gè)微步。

SAA1027步進(jìn)電機控制芯片

SAA1027步進(jìn)電機芯片

在本教程關(guān)于旋轉執行器的內容中，我們研究了有刷和無(wú)刷直流電機、直流伺服電機和步進(jìn)電機作為機電執行器，可用于位置或速度控制的輸出設備。

在下一個(gè)關(guān)于輸入/輸出設備的教程中，我們將繼續研究稱(chēng)為執行器的輸出設備，特別是將電信號轉換為聲波的設備，再次利用電磁原理。我們將在下一個(gè)教程中研究的輸出設備類(lèi)型是揚聲器。