•                                                    有刷直流電機(jī)

  
  

    有刷直流電機(jī)是一種直流電機(jī)，有刷電機(jī)的定子上安裝有固定的主磁極和電刷，轉(zhuǎn)子上安裝有電樞繞組和換向器。

    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)生的磁場與主磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動負(fù)載。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。

有刷直流電機(jī)的工作原理

   有刷直流電機(jī)的工作原理圖如所示。在有刷直流電機(jī)的固定部分有磁鐵，這里稱作主磁極;固定部分還有電刷。轉(zhuǎn)動部分有環(huán)形鐵芯和繞在環(huán)形鐵芯上的繞組。

圖2-1所示的兩極有刷直流電機(jī)的固定部分(定子)上裝設(shè)了一對直流勵磁的靜止的主磁極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A和X兩根導(dǎo)體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個圓弧形的銅片上，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固定不動的電刷B1和B2，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。 

有刷直流電機(jī)的種類

①有刷盤式繞組電機(jī)。有刷盤式繞組電機(jī)以稀土材料粘結(jié)在一缸體上，漆包銅線繞成的盤式繞組置于缸體之內(nèi)，構(gòu)成轉(zhuǎn)子。電機(jī)相位靠機(jī)械式換相器調(diào)整。機(jī)械式換相器是靠固定的炭制電刷與轉(zhuǎn)動的銅制換相面摩擦來調(diào)整電壓相位的。這種電機(jī)在使用中電刷一直在磨損，電機(jī)的壽命很難超過2000h。同時，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，必須采取兩級齒輪減速，這就帶來了兩個問題，一是噪聲較大，二是效率損失大，經(jīng)減速后的電機(jī)額定效率往往只能達(dá)到68%～72%。而電動自行車所用的蓄電池的容量是有限的，一般就是36V/12Ah的容量，如電機(jī)效率不高，將使電耗增加，影響續(xù)行里程。 

②有刷印制繞組電機(jī)。有刷印制繞組電機(jī)以印制銅箔板作為繞組，電機(jī)重量減輕了。由于這種電機(jī)全部是在自動生產(chǎn)線上生產(chǎn)的，工藝有可靠保證，從而使電機(jī)的壽命提高到3000h，噪聲大幅度下降，效率提高到72%～76%。但這種電機(jī)有“嗡嗡”的高頻噪聲，靠齒輪減速后效率仍不理想，有刷換相器的使用使電機(jī)壽命無法再提高。

③有刷壓制繞組電機(jī)。這種電機(jī)通過將繞制好的銅線壓制成一種新型繞組，其效率可提高到74%～78%。這種電機(jī)目前仍然被較多電動自行車廠家采用，但其存在的效率、噪聲、壽命缺陷仍然是必須改進(jìn)的問題。

輪轂式有齒輪傳動的有刷直流電機(jī)，由盤形電樞有刷電機(jī)和齒輪減速兼?zhèn)鲃酉到y(tǒng)兩部分構(gòu)成。盤形電樞是高速轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子。輪毅式有齒輪傳動的有刷直流電機(jī)的構(gòu)造如圖2-2所示。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩通過軸傳遞給第一級齒輪，經(jīng)齒輪減速帶動輪轂外殼轉(zhuǎn)動。

有刷有齒輪轂電機(jī)的盤形電樞是薄片形，體積很小，重量特輕，安裝方便。繞組編制好之后，用樹脂加玻璃纖維放進(jìn)模內(nèi)熱壓成型，在運(yùn)行中由于電刷和換向器摩擦，又有齒輪嚙合減速，所以有刷電機(jī)的運(yùn)行聲音比無刷電機(jī)聲音要大。[1] 

為了適應(yīng)輪轂結(jié)構(gòu)，將有刷電機(jī)設(shè)計成電樞放在外邊作為轉(zhuǎn)子，磁鋼放在電機(jī)之內(nèi)作為定子，多塊磁鋼配多個繞組，設(shè)計轉(zhuǎn)速為180r/min左右的低速電機(jī)。圖2-3(a)所示為電機(jī)外轉(zhuǎn)子中尚未經(jīng)過壓力整形的電樞繞組，，在繞組以內(nèi)是呈平面環(huán)狀整齊排列的換向片。圖2-3(b)所示的是放在外轉(zhuǎn)子內(nèi)的間隔排列著10塊磁鋼的定子，在中間的轂板上開有兩個孔，電刷的刷握就設(shè)在孔的背側(cè)，電刷帶著導(dǎo)線被彈簧從刷握中彈出。

有刷電機(jī)的定子軸端套有一個螺母，其作用是防止在加工中損傷軸上的螺紋。把電刷整理好裝入刷握中，然后將這一端送進(jìn)圖2-3(a)所示的孔中，電刷就可以接觸換向器平面，借助彈簧的彈力對換向器壓緊，而磁鋼正好進(jìn)入外轉(zhuǎn)子繞組中，只留一個很小的環(huán)形氣隙。這個環(huán)形氣隙的直徑越大，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也越大。

由于有刷電機(jī)在設(shè)計中的改進(jìn)，無須齒輪減速，可實現(xiàn)低噪聲、低成本。目前很多低價位的電動自行車廣泛采用了這種電機(jī)。但這種電機(jī)扭矩小，載重負(fù)荷小，爬坡能力不佳，使用時耗電較多，仍然采用機(jī)械式的電刷換相器，電機(jī)壽命問題尚未得到解決，因此中高檔電動自行車均未采用這種電機(jī)。

工作原理

   給出了一個簡單BDC電機(jī)的結(jié)構(gòu)。所有BDC 電機(jī)的基本組件都是一樣的：定子、電刷和換向器。后面將更詳細(xì)地介紹每個組件.

定子

   定子會在轉(zhuǎn)子周圍產(chǎn)生固定的磁場。這一磁場可由永磁體或電磁繞組產(chǎn)生。BDC電機(jī)的類型由定子的結(jié)構(gòu)或電磁繞組連接到電源的方式劃分 （欲知BDC電機(jī)的不同類型請參見步進(jìn)電機(jī)的類型）。

轉(zhuǎn)子

  轉(zhuǎn)子（也稱為電樞）由一個或多個繞組構(gòu)成。當(dāng)這些繞組受到激勵時，會產(chǎn)生一個磁場。轉(zhuǎn)子磁場的磁極將與定子磁場的相反磁極相吸引，從而使定子旋轉(zhuǎn)。在電機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中，會按不同的順序持續(xù)激勵繞組，因此轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁極絕不會與定子產(chǎn)生的磁極重疊。轉(zhuǎn)子繞組中磁場的這種轉(zhuǎn)換被稱為換向。

電刷和換向器

  與其他電機(jī)類型 （即，無刷直流電機(jī)和交流感應(yīng)電機(jī)）不同，BDC電機(jī)不需要控制器來切換電極繞組中電流的方向，而是通過機(jī)械的方式完成BDC電機(jī)繞組的換向。在BDC電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝有一個分片式銅套，稱為換向器。隨著電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，碳刷會沿著換向器滑動，與換向器的不同分片接觸。這些分片與不同的轉(zhuǎn)子繞組連接，因此，當(dāng)通過電機(jī)的電刷上電時，就會在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生動態(tài)的磁場。注意電刷和換向器由于兩者之間存在相對滑動，因而是BDC電機(jī)中最容易損耗的部分，這一點(diǎn)很重要。
　　步進(jìn)電機(jī)的類型
　　如前所述，BDC電機(jī)的各種類型用定子中固定磁場的產(chǎn)生方式來區(qū)別。本節(jié)將討論BDC電機(jī)的不同類型，以及每種類型的優(yōu)缺點(diǎn)。

永磁體

  永磁體有刷直流 （Permanent Magnet Brushed DC ，PMDC）電機(jī)是世界上最常見的BDC電機(jī)。這類電機(jī)使用永磁體產(chǎn)生定子磁場。PMDC電機(jī)通常用在包括分馬力電動機(jī)在內(nèi)的應(yīng)用中，這是因為永磁體比繞組定子具有更高的成本效益。PMDC電機(jī)的缺點(diǎn)是永磁體的磁性會隨著時間的推移逐漸衰退。 某些PMDC電機(jī)的永磁體上還繞有繞組，以防止磁性丟失的情況發(fā)生。PMDC電機(jī)的性能曲線 （電壓與速度關(guān)系曲線）的線性非常好。電流與轉(zhuǎn)矩成線性關(guān)系。由于定子磁場是恒定的，所以這類電機(jī)對電壓變化的響應(yīng)非?？臁?/p>

并激

  并激有刷直流（Shunt-wound Brushed DC，SHWDC）電機(jī)的勵磁線圈與電樞并聯(lián) 。勵磁線圈中的電流與電樞中的電流相互獨(dú)立。 因此，這類電機(jī)具有卓越的速度控制能力。SHWDC電機(jī)通常用在需要五個或五個以上馬力的應(yīng)用中。在SHWDC電機(jī)中，不會出現(xiàn)磁性丟失的問題，因此它們通常比PMDC電機(jī)更加可靠。

串激

  串激有刷直流 （Series-wound Brushed DC，SWDC）電機(jī)的勵磁線圈與電樞串聯(lián)。由于定子和電樞中的電流均隨負(fù)載的增加而增加，因此這類電機(jī)是大轉(zhuǎn)矩應(yīng)用的理想之選。SWDC電機(jī)的缺點(diǎn)是它不能像PMDC和SHWDC電機(jī)那樣對速度進(jìn)行精確控制。

復(fù)激

  復(fù)激 （Compound Wound，CWDC）電機(jī)是并激和串激電機(jī)的結(jié)合體。如圖5所示，CWDC電機(jī)可產(chǎn)生串激和并激兩種磁場。CWDC電機(jī)綜合了SWDC和SHWDC電機(jī)的性能，它具有比SHWDC電機(jī)更大的轉(zhuǎn)矩，又能提供比SWDC電機(jī)更佳的速度控制。 

基本驅(qū)動電路

  驅(qū)動電路用在使用了某類控制器并且要求速度控制的應(yīng)用中。驅(qū)動電路的目的是為控制器提供改變BDC電機(jī)中繞組電流的方法。本節(jié)中討論的驅(qū)動電路允許控制器對BDC電機(jī)的供電電壓進(jìn)行脈寬調(diào)制。就功耗來說，這樣的速度控制方法在改變BDC電機(jī)的速度方面比起傳統(tǒng)的模擬控制方法效率要高很多。傳統(tǒng)的模擬控制要求與電機(jī)繞組串聯(lián)一個額外的變阻器，這樣會降低效率。驅(qū)動BDC電機(jī)的方法多種多樣。 有些應(yīng)用場合僅要求電機(jī)往一個方向運(yùn)轉(zhuǎn)。圖6和圖7給出了向一個方向驅(qū)動BDC電機(jī)的電路。前者采用低端驅(qū)動，后者采用高端驅(qū)動。 使用低端驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)是可以不必使用FET驅(qū)動器。FET驅(qū)動器的用途是：
　　1. 將驅(qū)動MOSFET的TTL信號轉(zhuǎn)換為供電電壓的電平。
　　2. 提供足以驅(qū)動MOSFET的電流(1)
　　3. 提供半橋應(yīng)用中的電平轉(zhuǎn)換。                                                              　　注 1：對于絕大多數(shù)PIC?單片機(jī)應(yīng)用，第二點(diǎn)通常不適用，這是因為PIC單片機(jī)的I/O引腳可提供20 mA的拉電流。  
　　注意，在每個電路中，電機(jī)的兩端都跨接有一個二極管，目的是防止反電磁通量（Back ElectromagneticFlux，BEMF）電壓損壞MOSFET。BEMF是在電機(jī)轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的。 當(dāng)MOSFET關(guān)斷時，電機(jī)的繞組仍然處于通電狀態(tài)，會產(chǎn)生反向電流。D1必須具有合適的額定值，以能夠消耗這一電流。

BDC電機(jī)的雙向控制需要一個稱為H橋的電路。H橋的得名緣于其原理圖的外觀，它能夠使電機(jī)繞組中的電流沿兩個方向運(yùn)動。要理解這一點(diǎn)，H橋必須被分為兩個部分，或兩個半橋。 如圖8所示，Q1和Q2構(gòu)成一個半橋，而Q3和Q4構(gòu)成另一個半橋。每個半橋都能夠控制BDC電機(jī)一端的導(dǎo)通與關(guān)斷，使其電勢為供應(yīng)電壓或地電位。例如，當(dāng)Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷時，電機(jī)的左端將處于供電電壓的電勢。導(dǎo)通Q4，保 持Q3關(guān)斷將使電機(jī)的相反端接地。標(biāo)注有箭頭的IFWD顯示了該配置下電流的流向。

注意，每個MOSFET的兩端都跨接有一個二極管（D1-D4）。這些二極管保護(hù)MOSFET免遭MOSFET關(guān)斷時由BEMF產(chǎn)生的電流尖峰的破壞。只有在MOSFET內(nèi)部的二極管不足以消耗BEMF電流時，才需要這些二極管。電容 （C1-C4）是可選的。 這些電容的值通常不大于10 pF，它們用于減少由于換向器起拱產(chǎn)生的RF輻射。

表1給出了H橋電路的不同驅(qū)動模式。在前向和后向模式中，橋的一端處于地電勢，另一端處于VSUPPLY。在圖8 中，IFWD和IRVS箭頭分別描繪了前向和后向運(yùn)行模式的電路路徑。在慣性滑行 （Coast）模式中，電機(jī)繞組的接線端保持懸空，電機(jī)靠慣性滑行直至停轉(zhuǎn)。 剎車（Brake）模式用于快速停止BDC電機(jī)。 在剎車模式下，電機(jī)的接線端接地。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時，它充當(dāng)一個發(fā)電機(jī)。將電機(jī)的引線短路相當(dāng)于電機(jī)帶有無窮大負(fù)載，可使電機(jī)快速停轉(zhuǎn)。IBRK箭頭描繪了這一點(diǎn)

設(shè)計H橋電路時，必須要考慮到一個非常重要的事項。當(dāng)電路的輸入不可預(yù)測 （比如單片機(jī)啟動過程中）時，必須將所有的MOSFET偏置到關(guān)斷狀態(tài)。 這將確保H橋每個半橋上的MOSFET絕不會同時導(dǎo)通。 同時導(dǎo)通同一個半橋上的MOSFET將導(dǎo)致電源短路，最終導(dǎo)致?lián)p壞MOSFET，致使電路無法工作。每個MOSFET驅(qū)動器輸入端上的下拉電阻將實現(xiàn)該功能（配置圖請見圖8）。

速度控制
　　BDC電機(jī)的速度與施加給電機(jī)的電壓成正比。當(dāng)使用數(shù)控技術(shù)時，脈寬調(diào)制 （PWM）信號被用來產(chǎn)生平均電壓。電機(jī)的繞組充當(dāng)一個低通濾波器，因此具有足夠頻率的PWM信號將會在電機(jī)繞組中產(chǎn)生一個穩(wěn)定的電流。平均電壓、供電電壓和占空比的關(guān)系由以下公式給出：
　　公式1：VAVERAGE= D ×VSUPPLY
　　速度和占空比之間成正比關(guān)系。例如，如果額定BDC電機(jī)在12V時以轉(zhuǎn)速15000 RPM旋轉(zhuǎn)，則當(dāng)給電機(jī)施加占空比為50%的信號時，則電機(jī)將 （理想情況下）以7500 RPM的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。PWM信號的頻率是考慮的重點(diǎn)。頻率太低會導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速過低，噪音較大，并且對占空比變化的響應(yīng)過慢。
　　頻率太高，則會因開關(guān)設(shè)備的開關(guān)損耗而降低系統(tǒng)的效率。經(jīng)驗之談是在4 kHz至20 kHz范圍內(nèi)，調(diào)制輸入信號的頻率。這個范圍足夠高，電機(jī)的噪音能夠得到衰減，并且此時MOSFET（或BJT）中的開關(guān)損耗也可以忽略。一般來說，針對給定的電機(jī)用實驗的辦法找到滿意的PWM頻率是一個好辦法。如何使用PIC單片機(jī)來產(chǎn)生控制BDC電機(jī)速度的PWM信號？一個方法是通過編寫專門的匯編或C代碼來交替翻轉(zhuǎn)輸出引腳的電平(1)。另一個方法是選擇帶有硬件PWM模塊的PIC單片機(jī)。Microchip提供的具有該功能的模塊為CCP和ECCP模塊。許多PIC單片機(jī)都具有CCP和ECCP模塊。請參見產(chǎn)品選型指南了解具有這些功能模塊的器件。
　　注 1：Microchip的應(yīng)用筆記AN847給出了使用固件對I/O 引腳進(jìn)行脈寬調(diào)制的匯編代碼例程。
　　CCP模塊 （捕捉比較和PWM（Capture Compare和PWM）的英文縮寫）能夠在一個I/O引腳上輸出分辨率為10位的PWM信號。10位分辨率意味著模塊可以在0%至100%的范圍內(nèi)實現(xiàn)210（即1024）個可能的占空比值。使用該模塊的優(yōu)點(diǎn)是它能在I/O 引腳上自主產(chǎn)生PWM信號，這樣解放了處理器，使之有時間完成其他任務(wù)。CCP模塊僅要求開發(fā)者對模塊的參數(shù)進(jìn)行配置。 配置模塊包括設(shè)置頻率和占空比寄存器。ECCP模塊 （增強(qiáng)型捕捉比較和PWM（EnhancedCapture Compare和PWM）的英文縮寫）不僅能提供CCP模塊的所有功能，還可以驅(qū)動全橋或半橋電路。ECCP模塊還具有自動關(guān)斷功能和可編程死區(qū)延時。
　　注： Microchip的應(yīng)用筆記AN893給出了配置ECCP模塊來驅(qū)動BDC電機(jī)的詳細(xì)說明。該應(yīng)用筆記中還包含有固件和驅(qū)動電路示例。 

反饋機(jī)制

雖然BDC電機(jī)的速度一般與占空比成正比，但不存在完全理想的電機(jī)。發(fā)熱、換向器磨損以及負(fù)載均會影響電機(jī)的速度。 在需要精確控制速度的系統(tǒng)中引入某種反饋機(jī)智是個好注意。速度控制可以兩種方式實現(xiàn)。第一種方式是使用某種類型的速度傳感器。第二種方式是使用電機(jī)產(chǎn)生的BEMF電壓。

傳感器反饋

有多種傳感器可用于速度反饋。最常見的是光學(xué)編碼器和霍爾效應(yīng)傳感器。 光學(xué)編碼器由多個組件組成。在電機(jī)非驅(qū)動端的軸上安裝一個槽輪。一個紅外LED在輪的一側(cè)提供光源，一個光電晶體管在輪的另一側(cè)對光線進(jìn)行檢測 （見圖9）。 通過輪中槽隙的光線會使光電晶體管導(dǎo)通。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，光電晶體管會隨著光線通過輪槽與否導(dǎo)通和關(guān)斷。晶體管通斷的頻率表征電機(jī)的速度。在電機(jī)發(fā)生移位的應(yīng)用中，還將使用光學(xué)編碼器來反饋電機(jī)位置。 

霍爾效應(yīng)傳感器也被用來提供速度反饋。與光學(xué)編碼器類似，霍爾效應(yīng)傳感器需要電機(jī)上連有一個旋轉(zhuǎn)元件，并且還需要一個靜止元件。旋轉(zhuǎn)元件是一個外緣安裝有一個或多個磁體的轉(zhuǎn)輪。靜止的傳感器檢測經(jīng)過的磁體，并產(chǎn)生TTL脈沖。圖10顯示了霍爾效應(yīng)傳感器的基本組成部分。

反電磁通量 （BEMF）

提供BDC電機(jī)的快速反饋的另一種形式是BEMF電壓測量。BEMF電壓和速度成正比。 圖11顯示了在雙向驅(qū)動電路中測量BEMF電壓的位置。一個分壓器用于使BEMF電壓下降到0-5V范圍內(nèi)，這樣才能被模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀取。BEMF電壓是在PWM脈沖之間，當(dāng)電機(jī)的一端懸空而另一端接地時測量的。在這種情況下，電機(jī)充當(dāng)發(fā)電機(jī)，并且產(chǎn)生與速度成正比的BEMF電壓。 

由于效率和材料不同，所有BDC電機(jī)的行為會略有不同。實驗是確定給定電機(jī)速度下BEMF電壓的最好方法。 電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的反射帶有助于數(shù)字轉(zhuǎn)速計測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速（單位為RPM）。在讀取數(shù)字轉(zhuǎn)速計時測量BEMF電壓將獲取電機(jī)速度和BEMF電壓的關(guān)系。

注： Microchip的應(yīng)用筆記AN893提供了使用PIC16F684讀取BEMF電壓的固件和電路示例。
　　結(jié)論
　　有刷直流電機(jī)的使用和控制都非常簡便，因此它的設(shè)計周期較短。PIC單片機(jī)，特別是具有CCP或ECCP模塊的單片機(jī)是驅(qū)動BDC電機(jī)的理想之選。