专题1-直流有刷电机控制

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1、专题1直流有刷电机控制 电机 电机 俗称 马达 依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置 包括 电动机和发电机 电动机在电路中是用字母M表示 它的主要作用是产生驱动转矩 作为用电器或各种机械的动力源 发电机在电路中用字母G表示 它的主要作用是利用机械能转化为电能 电机控制 对电机的启动 加速 运转 减速及停止进行的控制 速度控制位置控制转矩控制 直流有刷电机 伺服电机 步进电机 交流电机 电机分类和原理 直流有刷电机 直流有刷电机 BrushedDC 由于其结构简单 操控方便 成本低廉 具有良好的启动和调速性能等优势 被广泛应用于各种动力器件中 小到玩具 按钮调节式汽车座椅 大到印刷机

2、械等生产机械中都能看到它的身影 直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组 产生电枢电流 电枢电流产生的磁场与主磁场相互作用产生电磁转矩 使电机旋转带动负载 优点 价格低 控制方便缺点 由于电刷和换向器的存在 有刷电机的结构复杂 可靠性差 故障多 维护工作量大 寿命短 换向火花易产生电磁干扰 直流有刷电机 在有刷直流电机的固定部分有磁铁 主磁极 和电刷 转动部分有环形铁芯和绕在环形铁芯上的绕组 两极有刷直流电机的固定部分 定子 上装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S 在旋转部分 转子 上装设电枢铁芯 定子与转子之间有一气隙 在电枢铁芯上放置了由导体连成的电枢线圈 线圈的首端和末端分别连到两个

3、圆弧形的铜片上 此铜片称为换向片 换向片之间互相绝缘 由换向片构成的整体称为换向器 换向器固定在转轴上 换向片与转轴之间亦互相绝缘 在换向片上放置着一对固定不动的电刷A和B 当电枢旋转时 电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通 伺服电机 伺服电机广泛应用于各种控制系统中 能将输入的电压信号转换为电机轴上的机械输出量 拖动被控制元件 从而达到控制目的 伺服电机系统见下图 一般地 伺服电机要求电机的转速要受所加电压信号的控制 转速能够随着所加电压信号的变化而连续变化 转矩能通过控制器输出的电流进行控制 电机的反映要快 体积要小 控制功率要小 伺服电机主要应用在各种运动控制系统中 尤其是随动系统 伺服

4、电机有直流和交流之分 最早的伺服电机是一般的直流电机 在控制精度不高的情况下 才采用一般的直流电机做伺服电机 当前随着永磁同步电机技术的飞速发展 绝大部分的伺服电机是指交流永磁同步伺服电机或者直流无刷电机 优点 可使控制速度 位置精度非常准确 效率高 寿命长 缺点 控制复杂 价格昂贵 需要专业人士才能控制 步进电机 步进电机就是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构 更通俗一点讲 当步进驱动器接收到一个脉冲信号 它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度 我们可以通过控制脉冲的个数来控制电机的角位移量 从而达到精确定位的目的 同时还可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度 从而达到调速

5、的目的 优点 控制简单 低速扭矩大 成本低 缺点 步进电机存在空载启动频率 所以步进电机可以低速正常运转 但若高于一定速度时就无法启动 并伴有尖锐的啸叫声 同时 步进电机是开环控制 控制精度和速度都没有伺服电机那么高 直流无刷电机 无刷直流电机 BLDCM 是在有刷直流电机的基础上发展来的 但它的驱动电流是不折不扣的交流 一般地 无刷电机的驱动电流有两种 一种是梯形波 方波 另一种是正弦波 有时候把前一种叫直流无刷电机 BLDC 后一种叫永磁同步电机 PMSM 确切地讲也是交流伺服电机的一种 一般的 把方波驱动的叫做直流无刷电机 BLDC 把正弦波驱动的叫做永磁同步电机 PMSM 这个实际上就

6、是伺服电机 直流无刷电机与伺服电机有类似的优缺点 BLDC电机比PMSM电机造价便宜一些 驱动控制方法简单一些 舵机 舵机 英文叫Servo 伺服 它由直流电机 减速齿轮组 传感器和控制电路组成的一套自动控制系统 通过发送信号 指定输出轴旋转角度 舵机一般而言都有最大旋转角度 比如180度 与普通直流电机的区别主要在 直流电机是一圈圈转动的 舵机只能在一定角度内转动 不能一圈圈转 普通直流电机无法反馈转动的角度信息 而舵机可以 用途也不同 普通直流电机一般是整圈转动做动力用 舵机是控制某物体转动一定角度用 比如机器人的关节 三个基本定则 左手定则 左手定则 位于磁场中的载流导体 会受到力的作用

7、 力的方向可按左手定则确定 如图所示 伸开左手 使大拇指和其余四指垂直 把手心面向N极 四指顺着电流的方向 那么大拇指所指方向就是载流导体在磁场中的受力方向 磁 电 力 力的大小为 F BILsin 其中 B为磁感应强度 单位T I为电流大小 单位A L为导体有效长度 单位m F为力的大小 单位N 为 B和I的夹角 可以看到 当 为90度时F最大 三个基本定则 右手定则 右手定则 在磁场中运动的导体因切割磁力线会感生出电动势E 磁生电 其大小为 E vBLsin 其中 v为导体的运动速度 单位m s B为磁感应强度 单位T L为导体长度 单位m 为 B和L的夹角 三个基本定则 安培定则 如果一

8、条直的金属导线通过电流 那么在导线周围的空间将产生圆形磁场 电生磁导线中流过的电流越大 产生的磁场越强 磁场成圆形 围绕导线周围 磁场的方向可以根据 右手螺旋定则 又称安培定则 安培定则 用右手握住通电螺线管 使四指弯曲与电流方向一致 那么大拇指所指的那一端就是通电螺旋管的N 北 极 直流有刷电机工作原理 最简单的两极直流电机模型 固定部分有磁铁 主磁极 和电刷 转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组 以及换向片 直流有刷电机工作原理 磁场 图中N和S是一对静止的磁极 用以产生磁场 其磁感应强度沿圆周为正弦分布 励磁绕组 容量较小的电机是用永久磁铁做磁极的 容量较大的电机的磁场是由直流电流通

9、过绕在磁极铁心上的绕组产生的 用来形成N极和S极的绕组称为励磁绕组 励磁绕组中的电流称为励磁电流If 电枢绕组 在N极和S极之间 有一个能绕轴旋转的圆柱形铁心 其上紧绕着一个线圈称为电枢绕组 图中只画出一匝线圈 电枢绕组中的电流称为电枢电流Ia 换向器 电枢绕组两端分别接在两个相互绝缘而和绕组同轴旋转的半圆形铜片 换向片上 组成一个换向器 换向器上压着固定不动的炭质电刷 电枢 铁心 电枢绕组和换向器所组成的旋转部分称为电枢 直流有刷电机工作原理 电磁转矩产生电枢绕组通过电刷接到直流电源上 绕组的旋转轴与机械负载相联 电流从电刷A流入电枢绕组 从电刷B流出 电枢电流Ia与磁场相互作用产生电磁力F

10、 其方向可用左手定则判定 这一对电磁力所形成的电磁转矩T 使电动机电枢逆时针方向旋转 电磁转矩与电枢旋转方向关系 同向 直流有刷电机工作原理 换向当电枢 旋转部分 转到上图b所示位置时 ab边转到了S极下 cd边转到了N极下 这时线圈电磁转矩的方向发生了改变 但由于换向器随同一起旋转 使得电刷A总是接触N极下的导线 而电刷B总是接触S极下的导线 故电流流动方向发生改变 电磁转矩方向不变 电动势与能量转换分析 反电动势 电枢转动时 割切磁力线而产生感应电动势 磁生电 这个电动势 用右手定则判定 的方向与电枢电流Ia和外加电压U的方向总是相反的 称为反电动势Ea 电源只有克服这个反电动势才能向电动

11、机输入电流 可见 电动机向负载输出机械功率的同时 电源却向电动机输入电功率 电动机起着将电能转换为机械能的作用 电动势方向与电流方向关系 反向能量转换 电源 电能 电磁转矩 负载 机械能 由此可见 加于直流电动机的直流电源 借助于换向器和电刷的作用 使直流电动机电枢线圈中流过的电流 方向是交变的 从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变 确保直流电动机朝确定的方向连续旋转 这就是直流电动机的基本工作原理 简单来说 直流电动机就是利用通电导体在磁场中受力运动而 切割 其磁力线的原理工作的 直流减速电机 直流减速电机 即齿轮减速电机 是在普通直流电机的基础上 加上配套齿轮减速箱齿轮减速箱的作用是 提

12、供较低的转速 较大的力矩 同时 齿轮箱不同的减速比可以提供不同的转速和力矩 这大大提高了 直流电机在自动化行业中的使用率 直流减速电机 减速电机的特色首要有以下几点 减速电机节约空间 牢靠经用 能承受一定的过载能力 功率能满意的需求 减速电机能耗低 性能优越 减速电机振荡小 噪音低 节能高 选用优质锻钢资料 刚性铸铁箱体 齿轮外表颠末高频热出来 颠末精细加工 包管定位精度 这一切构成了齿轮传动总成的齿轮减速电机装备了各类电机 形成了机电一体化 彻底包管了产物的运用质量特征 减速电机采用了系列化 模块化的设计 有很广泛的适应性 同时可组合其他多种电机 装置方位和布局计划 可按实际需要挑选任意转速

13、和各种布局方式 减速电机参数 减速电机有几个重要参数在选型时作为参考值 直流减速电机 减速电机有几个重要参数在选型时作为参考值 空载转速 电机正常通电无负载状态的转速 单位 rpm或转 分钟或r min 空载电流 电机正常通电无负载状态的电流 单位 mA毫安 负载力矩 电机负载测试时候的额定扭矩 仅用于测试参考 单位 g cm克每厘米或kg cm公斤每厘米 负载转速 电机在负载力矩下的转速 单位 rpm或转 分钟或r min 负载电流 电机在负载力矩下的电流 单位 mA毫安或A安 堵转力矩 又叫启动扭力 为电机所能承受的最大扭力标准 超过该扭力 电机将停转或堵转 单位 g cm克每厘米或kg

14、cm公斤每厘米 堵转电流 也叫启动电流 为电机遭到堵转停止时候的最大电流 单位 mA毫安或A安 减速比 减速装置的传动比 由减速齿轮结构决定 减速电机输出轴转速与直流电机转速之比 霍尔分辨率 电机输出轴旋转一圈霍尔编码器输出的脉冲数 直流减速电机 很多时候我们更加关系电机的转速问题 下面我们分析电机转速影响因素 U Ce n IaRan U IaRa Ce 其中n为转速 U为电机端电压 Ia为电枢电流 Ra为电机电枢绕组电阻Ce为电机常数 与电机结构有关 为电机气隙磁通 对一个电机来说 电机出厂时Ce和 这两个参数值已经是确定的 所以 很多时候通过调节电机电压来达到调速的目的 一般认为 直流电

15、机的转速和电压成正比 直流减速电机 减速电机的重要参数 电机一般还有一个最小启动电压 就是可以使得电机开始旋转的电压值 为保证电机正常工作 一般需要接到电机两端的电压值范围为 最小启动电压至额定电压 并且在这个电压值范围内才认为转速与电压成正比 电机线圈是有铜导线绕线而成的 所以其电机电枢绕组电阻一般都是非常小 这样回路中电流一般都是比较大的 这对我们电机驱动设计有很大的影响 另外 电机还有一个比较重要的参数 扭矩 简化理解扭矩就是电机可以带动外部部件旋转的力量 大扭矩可以带动比较重的东西 一般认为 直流电机的扭矩和电流成正比 直流减速电机 关于减速齿轮的简易说明 直流减速电机由两部分组成 减

16、速齿轮 直流电机 一般直流电机的空载转速是很高的 上千上万转每分钟 但实际应用中可能需要转速慢的电机 合适的做法是为电机加速减速齿轮 并且可以提高转轴的输出转矩 通过控制直流电机的转速就可以控制减速电机输出轴的转速 直流减速电机驱动设计 直流电机旋转 给电机两根线供电电机就可以旋转 给正电压电机正转 给相反电压电机反转 电压越大 电机转得越快 电压越小 转速也变小 我们希望STM32可以方便的调整电机速度 但STM32的IO接口电压和电流一般都是非常有限的 电压是3 3V 电流是8mA 所以为方便控制需要在微控制器和电机直接添加一个驱动电路板 该电机驱动板有两种输入线 电源输入线和控制信号输入线 电源输入线一般要求是可以提供电机额定电源的大电流电源 它是给电机提供动力的来源 控制信号线与微控制器的信号线连接 是实现调速的方法 电机驱动板还有一个输出线 有两个端口 它与直流电机的引脚直接连接 注意 这里的电机驱动板输出线是应该一系列电路之后才输出的 也就是通过输入信号调制后的输出线 电机控制都是必须有驱动器的 STM32控制器 电机驱动器 电机 外部电源 脉冲信号 电机引线 位置反馈 可