有刷直流電機是一�直流電機,有刷電機的定子上安裝有固定的主磁極和電�,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入電樞繞組,產(chǎn)生電樞電�,電樞電流產(chǎn)生的磁場與主磁場相互作用�(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)�,使電機旋轉(zhuǎn)帶動負載。由于電刷和換向器的存在,有刷電機的�(jié)�(gòu)�(fù)雜,可靠性差,故障多,維護工作量�,壽命短,換向火花易�(chǎn)�電磁干擾�
有刷直流電機的工作原理圖如圖2-1所�。在有刷直流電機的固定部分有磁鐵,這里稱作主磁�;固定部分還有電刷。轉(zhuǎn)動部分有�(huán)形鐵芯和繞在�(huán)形鐵芯上的繞��
�2-1所示的兩極有刷直流電機的固定部�(定子)上裝�(shè)了一對直流勵磁的靜止的主磁極N和S,在旋轉(zhuǎn)部分(�(zhuǎn)�)上裝�(shè)電樞鐵芯。定子與�(zhuǎn)子之間有一氣隙。在電樞鐵芯上放置了由A和X兩根�(dǎo)體連成的電樞線�,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�。換向片之間互相絕緣,由換向片構(gòu)成的整體稱為換向�。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)�,電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接��
①有刷盤式繞組電機。有刷盤式繞組電機以稀土材料粘�(jié)在一缸體�,漆包銅線繞成的盤式繞組置于缸體之內(nèi),構(gòu)成轉(zhuǎn)�。電機相位靠機械式換相器�(diào)整。機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�(diào)整電壓相位的。這種電機在使用中電刷一直在磨損,電機的壽命很難超過2000h。同�,由于電機的�(zhuǎn)速較高,必須采取兩級齒輪減�,這就帶來了兩個問題,一是噪聲較�,二是效率損失大,經(jīng)減速后的電機額定效率往往只能達到68%�72%。而電動自行車所用的蓄電池的容量是有限的,一般就�36V/12Ah的容�,如電機效率不高,將使電耗增加,影響�(xù)行里��
②有刷印制繞組電機。有刷印制繞組電機以印制銅箔板作為繞�,電機重量減輕了。由于這種電機全部是在自動生產(chǎn)線上生產(chǎn)�,工藝有可靠保證,從而使電機的壽命提高到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壽命無法再提��
③有刷壓制繞組電�。這種電機通過將繞制好的銅線壓制成一種新型繞�,其效率可提高到74%�78%。這種電機目前仍然被較多電動自行車廠家采用,但其存在的效率、噪�、壽命缺陷仍然是必須改進的問題�
輪轂式有齒輪傳動的有刷直流電�,由盤形電樞有刷電機和齒輪減速兼?zhèn)鲃酉到y(tǒng)兩部分構(gòu)�。盤形電樞是高速轉(zhuǎn)動的�(zhuǎn)�。輪毅式有齒輪傳動的有刷直流電機的構(gòu)造如�2-2所�。電機的�(zhuǎn)矩通過軸傳遞給級齒�,經(jīng)齒輪減速帶動輪轂外殼轉(zhuǎn)��
有刷有齒輪轂電機的盤形電樞是薄片�,體積很小,重量特輕,安裝方�。繞組編制好之后,用樹脂加玻璃纖維放進模�(nèi)熱壓成型,在運行中由于電刷和換向器摩�,又有齒輪嚙合減速,所以有刷電機的運行聲音比無刷電機聲音要��
為了適應(yīng)輪轂�(jié)�(gòu),將有刷電機�(shè)計成電樞放在外邊作為�(zhuǎn)�,磁鋼放在電機之�(nèi)作為定子,多塊磁鋼配多個繞�,設(shè)計轉(zhuǎn)速為180r/min左右的低速電�。圖2-3(a)所示為電機外轉(zhuǎn)子中尚未�(jīng)過壓力整形的電樞繞組�,在繞組以內(nèi)是呈平面�(huán)狀整齊排列的換向片。圖2-3(b)所示的是放在外�(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�(cè),電刷帶著導(dǎo)線被彈簧從刷握中彈出�
有刷電機的定子軸端套有一個螺�,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,然后將這一端送進圖2-3(a)所示的孔中,電刷就可以接觸換向器平�,借助彈簧的彈力對換向器壓緊,而磁鋼正好進入外轉(zhuǎn)子繞組中,只留一個很小的�(huán)形氣隙。這個環(huán)形氣隙的直徑越大,電機產(chǎn)生的�(zhuǎn)矩也越大�
由于有刷電機在設(shè)計中的改�,無須齒輪減�,可實現(xiàn)低噪�、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。但這種電機扭矩小,載重負荷�,爬坡能力不�,使用時耗電較多,仍然采用機械式的電刷換相器,電機壽命問題尚未得到解�,因此中電動自行車均未采用這種電機�
所有BDC 電機的基本組件都是一樣的:定�、電刷和換向�。后面將更詳細地介紹每個組�.
定子
定子會在�(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�(chǎn)�。BDC電機的類型由定子的結(jié)�(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��
�(zhuǎn)�
�(zhuǎn)子(也稱為電樞)由一個或多個繞組構(gòu)�。當(dāng)這些繞組受到激勵時,會�(chǎn)生一個磁�。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�(xù)激勵繞�,因此轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁極絕不會與定子�(chǎn)生的磁極重疊。轉(zhuǎn)子繞組中磁場的這種�(zhuǎn)換被稱為換向�
電刷和換向器
與其他電機類� (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�,而是通過機械的方式完成BDC電機繞組的換�。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�,與換向器的不同分片接觸。這些分片與不同的�(zhuǎn)子繞組連接,因�,當(dāng)通過電機的電刷上電時,就會在電機�(nèi)部產(chǎn)生動�(tài)的磁�。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�,BDC電機的各種類型用定子中固定磁場的�(chǎn)生方式來區(qū)�。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�
永磁體有刷直� (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�(fā)�。PMDC電機的性能曲線 (電壓與速度�(guān)系曲線)的線性非常好。電流與�(zhuǎn)矩成線性關(guān)系。由于定子磁場是恒定�,所以這類電機對電壓變化的響應(yīng)非常��
并激
并激有刷直流(Shunt-wound Brushed DC,SHWDC)電機的勵磁線圈與電樞并�(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�(yīng)用中。在SHWDC電機�,不會出�(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�(lián)。由于定子和電樞中的電流均隨負載的增加而增�,因此這類電機是大�(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�
�(fù)激
�(fù)激 (Compound Wound,CWDC)電機是并激和串激電機的結(jié)合體。如�5所�,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�(qū)動電�
�(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�(qū)動電路允許控制器對BDC電機的供電電壓進行脈寬�(diào)�。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�。傳�(tǒng)的模擬控制要求與電機繞組串聯(lián)一個額外的變阻�,這樣會降低效�。驅(qū)動BDC電機的方法多種多�� 有些�(yīng)用場合僅要求電機往一個方向運�(zhuǎn)。圖6和圖7給出了向一個方向驅(qū)動BDC電機的電�。前者采用低端驅(qū)�,后者采用高端驅(qū)動� 使用低端�(qū)動的�(yōu)點是可以不必使用FET�(qū)動器。FET�(qū)動器的用途是�
1. 將驅(qū)動MOSFET的TTL信號�(zhuǎn)換為供電電壓的電��
2. 提供足以�(qū)動MOSFET的電�(1)
3. 提供半橋�(yīng)用中的電平轉(zhuǎn)換�
� 1:對于絕大多�(shù)PIC?單片機應(yīng)�,第二點通常不適用,這是因為PIC單片機的I/O引腳可提�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�(zhuǎn)動過程中�(chǎn)生的� �(dāng)MOSFET�(guān)斷時,電機的繞組仍然處于通電狀�(tài),會�(chǎn)生反向電流。D1必須具有合適的額定�,以能夠消耗這一電流�
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�,H橋必須被分為兩個部分,或兩個半�� 如圖8所示,Q1和Q2�(gòu)成一個半�,而Q3和Q4�(gòu)成另一個半橋。每個半橋都能夠控制BDC電機一端的�(dǎo)通與�(guān)�,使其電勢為供應(yīng)電壓或地電位。例�,當(dāng)Q1�(dǎo)通,Q2�(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�(guān)斷將使電機的相反端接�。標注有箭頭的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�(guān)斷時由BEMF�(chǎn)生的電流尖峰的破�。只有在MOSFET�(nèi)部的二極管不足以消耗BEMF電流�,才需要這些二極�。電� (C1-C4)是可選�� 這些電容的值通常不大�10 pF,它們用于減少由于換向器起拱�(chǎn)生的RF輻射�
�1給出了H橋電路的不同�(qū)動模�。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�8 �,IFWD和IRVS箭頭分別描繪了前向和后向運行模式的電路路�。在慣性滑� (Coast)模式中,電機繞組的接線端保持懸�,電機靠慣性滑行直至停�(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)�,它充當(dāng)一個發(fā)電機。將電機的引線短路相�(dāng)于電機帶有無窮大負載,可使電機快速停�(zhuǎn)。IBRK箭頭描繪了這一�
�(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)� (比如單片機啟動過程中)�,必須將所有的MOSFET偏置到關(guān)斷狀�(tài)� 這將確保H橋每個半橋上的MOSFET絕不會同時導(dǎo)�� 同時�(dǎo)通同一個半橋上的MOSFET將導(dǎo)致電源短�,最終導(dǎo)�?lián)p壞MOSFET,致使電路無法工�。每個MOSFET�(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�(shù)控技�(shù)�,脈寬調(diào)� (PWM)信號被用來�(chǎn)生平均電�。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�(chǎn)生一個穩(wěn)定的電流。平均電�、供電電壓和占空比的�(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)�。例�,如果額定BDC電機�12V時以�(zhuǎn)�15000 RPM旋轉(zhuǎn),則�(dāng)給電機施加占空比�50%的信號時,則電機� (理想情況下)以7500 RPM的轉(zhuǎn)速旋�(zhuǎn)。PWM信號的頻率是考慮的重�。頻率太低會�(dǎo)致電機轉(zhuǎn)速過�,噪音較大,并且對占空比變化的響�(yīng)過慢�
頻率太高,則會因開關(guān)�(shè)備的開關(guān)損耗而降低系�(tǒng)的效率。經(jīng)驗之談是�4 kHz�20 kHz范圍�(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�(guān)損耗也可以忽略。一般來�,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�(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�(zhuǎn)輸出引腳的電�(1)。另一個方法是選擇帶有硬件PWM模塊的PIC單片�。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�(chǎn)品選型指南了解具有這些功能模塊的器��
� 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�(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�10位的PWM信號�10位分辨率意味著模塊可以在0%�100%的范圍內(nèi)實現(xiàn)210(即1024)個可能的占空比�。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�(fā)者對模塊的參�(shù)進行配置� 配置模塊包括�(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�,還可以�(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�。該�(yīng)用筆記中還包含有固件和驅(qū)動電路示��
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�(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)。種方式是使用某種類型的速度傳感�。第二種方式是使用電機產(chǎn)生的BEMF電壓�
傳感器反�
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�� 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�。一個紅外LED在輪的一�(cè)提供光源,一個光電晶體管在輪的另一�(cè)對光線進行檢測 (見�9�� 通過輪中槽隙的光線會使光電晶體管�(dǎo)�。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時,光電晶體管會隨著光線通過輪槽與否�(dǎo)通和�(guān)�。晶體管通斷的頻率表征電機的速度。在電機�(fā)生移位的�(yīng)用中,還將使用光�(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�,霍爾效�(yīng)傳感器需要電機上連有一個旋�(zhuǎn)元件,并且還需要一個靜止元�。旋�(zhuǎn)元件是一個外緣安裝有一個或多個磁體的�(zhuǎn)輪。靜止的傳感器檢測經(jīng)過的磁體,并�(chǎn)生TTL脈沖。圖10顯示了霍爾效�(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�� �11顯示了在雙向�(qū)動電路中測量BEMF電壓的位�。一個分壓器用于使BEMF電壓下降�0-5V范圍�(nèi),這樣才能被模�(shù)�(zhuǎn)換器讀�。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�。在這種情況�,電機充�(dāng)�(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�,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電壓的方�� 電機�(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�
�(jié)�
有刷直流電機的使用和控制都非常簡�,因此它的設(shè)計周期較短。PIC單片�,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��
維庫電子�,電子知�,一查百��
已收錄詞�170104�