有刷直流电机工作原理详解

  图 1 给出了一个简单 BDC 电机的结构。所有 BDC 电机的基本组件都是一样的：定子、电刷和换向器。后面将更详细地介绍每个组件.

  定子会在转子周围产生固定的磁场。这一磁场可由永磁体或电磁绕组产生。 BDC 电机的类型由定子的结构或电磁绕组连接到电源的方式 划分 （欲知 BDC 电机的不一样请参见步进电机的类型）。

  串激有刷直流 （Series-wound Brushed DC，SWDC）电机的励磁线圈与电枢串联。由于定子和电枢中的电流均随负载的增加而增加，因 此这类电机是大转矩应用的理想之选。SWDC 电机的缺点是它不能像 PMDC 和 SHWDC 电机那样对速度进行精确控制。

  复激 （Compound Wound，CWDC）电机是并激和串激电机的结合体。如图 5 所示，CWDC 电机可产生串激和并激两种磁场。CWDC 电 机综合了 SWDC 和 SHWDC 电机的性能，它具有比 SHWDC 电机更大的转矩，又能提供比 SWDC 电机更佳的速度控制。

  转子（也称为电枢）由一个或多个绕组构成。当这些绕组受到激励时，会产生一个磁场。转子磁场的磁极将与定子磁场的相反磁极相吸 引，从而使定子旋转。在电机旋转过程中，会按不同的顺序持续激励绕组，因此转子产生的磁极绝不会与定子产生的磁极重叠。转子绕 组中磁场的这种转换被称为换向。

  与其他电机类型 （即，无刷直流电机和交流感应电机）不同，BDC 电机不需要控制器来切换电极绕组中电流的方向，而是通过机械的方

  式完成 BDC 电机绕组的换向。在 BDC 电机的转轴上安装有一个分片式铜套，称为换向器。随着电机的旋转，碳刷会沿着换向器滑动，与 换向器的不同分片接触。这些分片与不同的转子绕组连接，因此，当通过电机的电刷上电时，就会在电机内部产生动态的磁场。注意电 刷和换向器由于两者之间有相对滑动，因而是 BDC 电机中最容易损耗的部分，这一点很重要。

  图 6 和图 7 中的电阻 R1 和 R2 对于每个电路的工作很重要。R1 用于保护单片机免遭电流突增的破坏，R2 用于确保在输入引脚处于三态

  BDC 电机的双向控制需要一个称为 H 桥的电路。H 桥的得名缘于其原理图的外观，它能够使电机绕组中的电流沿两个方向运动。要 理解这一点，H 桥必须被分为两个部分，或两个半桥。 如图 8 所示，Q1 和 Q2 构成一个半桥，而 Q3 和 Q4 构成另一个半桥。每个半桥 都能够控制 BDC 电机一端的导通与关断，使其电势为供应电压或地电位。例如，当 Q1 导通，Q2 关断时，电机的左端将处于供电电压的 电势。导通 Q4，保 持 Q3 关断将使电机的相反端接地。标注有箭头的 IFWD 显示了该配置下电流的流向。

  有刷直流电机被大范围的使用在从玩具到按钮调节式汽车坐椅的应用中。有刷直流 （Brushed DC，BDC）电机价格实惠公道、易于驱动并且易于制 造成各种尺寸和形状。 本应用笔记将讨论 BDC 电机的工作原理、驱动 BDC 电机的方法和将驱动电路与 PIC 唀片机接口的方法。

  并激有刷直流 （Shunt-wound Brushed DC， SHWDC） 电机的励磁线圈与电枢并联 。 励磁线圈中的电流与电枢中的电流相互独立。 因此， 这类电机具有卓越的速度控制能力。SHWDC 电机通常用在需要五个或五个以上马力的应用中。在 SHWDC 电机中，不会出现磁性丢失的 问题，因此它们通常比 PMDC 电机更加可靠。

  注意，每个 MOSFET 的两端都跨接有一个二极管（D1-D4）。这些二极管保护 MOSFET 免遭 MOSFET 关断时由 BEMF 产生的电流尖峰的 破坏。只有在 MOSFET 内部的二极管不足以消耗 BEMF 电流时，才需要这些二极管。电容 （C1-C4）是可选的。 这些电容的值通常不大 于 10 pF，它们用于减少由于换向器起拱产生的 RF 辐射。

  注 1：对于绝大多数 PIC 唀片机应用，第二点通常不适用，是因为 PIC 单片机的 I/O 引脚可提供 20 mA 的拉电流。

  注意， 在每个电路中，电机的两端都跨接有一个二极管， 目的是防止反电磁通量 （Back ElectromagneticFlux ， BEMF）电压损坏 MOSFET。 BEMF 是在电机转动过程中产生的。 当 MOSFET 关断时，电机的绕组仍然处于通电状态，会产生反向电流。D1 一定要有合适的额定值， 以能够消耗这一电流。

  如前所述，BDC 电机的很多类型用定子中固定磁场的产生方式来区别。本节将讨论 BDC 电机的不一样，以及每种类型的优缺点。

  永磁体有刷直流 （Permanent Magnet Brushed DC ，PMDC）电机是世界上最常见的 BDC 电机。这类电机使用永磁体产生定子磁场。 PMDC 电机通常用在包括分马力电动机在内的应用中，是因为永磁体比绕组定子具有更高的成本效益。PMDC 电机的缺点是永磁体的磁 性会跟着时间的推移逐渐衰退。 某些 PMDC 电机的永磁体上还绕有绕组，以防止磁性丢失的情况出现。PMDC 电机的性能曲线 （电压 与速度关系曲线）的线性非常好。电流与转矩成线性关系。由于定子磁场是恒定的，所以这类电机对电压变化的响应非常快。

  驱动电路用在使用了某类控制器并且要求速度控制的应用中。驱动电路的目的是为控制器提供改变 BDC 电机中绕组电流的方法。本节中 讨论的驱动电路允许控制器对 BDC 电机的供电电压进行脉宽调制。 就功耗来说， 这样的速度操控方法在改变 BDC 电机的速度方面比起传 统的模拟操控方法效率要高很多。传统的模拟控制要求与电机绕组串联一个额外的变阻器，这样会降低效率。驱动 BDC 电机的方法多种 多样。 有些应用场合仅要求电机往一个方向运转。图 6 和图 7 给出了向一个方向驱动 BDC 电机的电路。前者采用低端驱动，后者采用 高端驱动。 使用低端驱动的优点是可以不必使用 FET 驱动器。FET 驱动器的用途是：