有刷直流電機被廣泛用于從玩具到按鈕調(diào)節(jié)式汽車坐椅的應(yīng)用中。有刷直流 （Brushed DC，BDC）電機價格便宜、易于驅(qū)動并且易于制造成各種尺寸和形狀。本應(yīng)用筆記將討論BDC電機的工作原理、驅(qū)動BDC電機的方法以及將驅(qū)動電路與PIC唀片機接口的方法。
有刷直流電機工作原理詳解
圖1給出了一個簡單BDC電機的結(jié)構(gòu)。所有BDC 電機的基本組件都是一樣的：定子、電刷和換向器。后面將更詳細地介紹每個組件。
圖一 簡單的雙磁極有刷直流電機
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電機的不同類型請參見步進電機的類型）。
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
與其他電機類型 （即，無刷直流電機和交流感應(yīng)電機）不同，BDC電機不需要控制器來切換電極繞組中電流的方向，而是通過機械的方式完成BDC電機繞組的換向。在BDC電機的轉(zhuǎn)軸上安裝有一個分片式銅套，稱為換向器。隨著電機的旋轉(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)通過電機的電刷上電時，就會在電機內(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電機中最容易損耗的部分，這一點很重要。
步進電機的類型
如前所述，BDC電機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電機的不同類型，以及每種類型的優(yōu)缺點。
永磁體
永磁體有刷直流 （Permanent Magnet Brushed DC ，PMDC）電機是世界上最常見的BDC電機。這類電機使用永磁體產(chǎn)生定子磁場。PMDC電機通常用在包括分馬力電動機在內(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電機的缺點是永磁體的磁性會隨著時間的推移逐漸衰退。 某些PMDC電機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，所以這類電機對電壓變化的響應(yīng)非?？?。
并激
并激有刷直流（Shunt-wound Brushed DC，SHWDC）電機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立。 因此，這類電機具有卓越的速度控制能力。SHWDC電機通常用在需要五個或五個以上馬力的應(yīng)用中。在SHWDC電機中，不會出現(xiàn)磁性丟失的問題，因此它們通常比PMDC電機更加可靠。
串激
串激有刷直流 （Series-wound Brushed DC，SWDC）電機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載的增加而增加，因此這類電機是大轉(zhuǎn)矩應(yīng)用的理想之選。SWDC電機的缺點是它不能像PMDC和SHWDC電機那樣對速度進行精確控制。
復(fù)激
復(fù)激 （Compound Wound，CWDC）電機是并激和串激電機的結(jié)合體。如圖5所示，CWDC電機可產(chǎn)生串激和并激兩種磁場。CWDC電機綜合了SWDC和SHWDC電機的性能，它具有比SHWDC電機更大的轉(zhuǎn)矩，又能提供比SWDC電機更佳的速度控制。
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電機的供電電壓進行脈寬調(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電機的方法多種多樣。 有些應(yīng)用場合僅要求電機往一個方向運轉(zhuǎn)。圖6和圖7給出了向一個方向驅(qū)動BDC電機的電路。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唀片機應(yīng)用，第二點通常不適用，這是因為PIC單片機的I/O引腳可提供20 mA的拉電流。
注意，在每個電路中，電機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是在電機轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的。 當(dāng)MOSFET關(guān)斷時，電機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。
圖6和圖7中的電阻R1和R2對于每個電路的工作很重要。R1用于保護單片機免遭電流突增的破壞，R2用于確保在輸入引腳處于三態(tài)時，Q1關(guān)斷。
BDC電機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，它能夠使電機繞組中的電流沿兩個方向運動。要理解這一點，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行模式的電路路徑。在慣性滑行 （Coast）模式中，電機繞組的接線端保持懸空，電機靠慣性滑行直至停轉(zhuǎn)。 剎車（Brake）模式用于快速停止BDC電機。 在剎車模式下，電機的接線端接地。當(dāng)電機旋轉(zhuǎn)時，它充當(dāng)一個發(fā)電機。將電機的引線短路相當(dāng)于電機帶有無窮大負載，可使電機快速停轉(zhuǎn)。IBRK箭頭描繪了這一點
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電機的速度與施加給電機的電壓成正比。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電機在12V時以轉(zhuǎn)速15000 RPM旋轉(zhuǎn)，則當(dāng)給電機施加占空比為50%的信號時，則電機將 （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。頻率太低會導(dǎo)致電機轉(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單片機來產(chǎn)生控制BDC電機速度的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。Microchip提供的具有該功能的模塊為CCP和ECCP模塊。許多PIC單片機都具有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電機的詳細說明。該應(yīng)用筆記中還包含有固件和驅(qū)動電路示例。
反饋機制
雖然BDC電機的速度一般與占空比成正比，但不存在完全理想的電機。發(fā)熱、換向器磨損以及負載均會影響電機的速度。 在需要精確控制速度的系統(tǒng)中引入某種反饋機智是個好注意。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的速度。在電機發(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)電機的一端懸空而另一端接地時測量的。在這種情況下，電機充當(dāng)發(fā)電機，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電機的行為會略有不同。實驗是確定給定電機速度下BEMF電壓的最好方法。 電機轉(zhuǎn)軸上的反射帶有助于數(shù)字轉(zhuǎn)速計測量電機的轉(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，特別是具有CCP或ECCP模塊的單片機是驅(qū)動BDC電機的理想之選。
