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1、微型电机及驱动电路简介微型电机及驱动电路简介9 9暑假培训暑假培训1 电机的种类电机是一种将电能转换成机械能的装置，在各个领域都有广泛的应用。电机有多种不同的类型，常见电机分类如下：控制电机控制电机电动机电动机信号电机信号电机电机电机发电机发电机功率电机功率电机伺服电机伺服电机步进电机步进电机力矩电机力矩电机无刷直流电机无刷直流电机直流电机直流电机交流电机交流电机交直两用电机交直两用电机直流发电机直流发电机交流发电机交流发电机速度信号电机速度信号电机位置信号电机位置信号电机2直流电动机的调速方法n1、变电枢电压调速。这种方法具有启动力矩大，阻尼效果好，响应速度快，线性度好等优点，应用较多。n2
2、、变磁通调速。实际上是改变励磁磁场的大小，对于励磁电机来说，改变励磁电压可以进行变磁通调速。这种调速方式调速范围小，而且回使电机的机械特性变软，一般只作为变电枢电压调速的辅助方式。n3、串电阻调速。这种调速是保持输入电压不变，在电枢回路中串入电阻来进行调速。这种方式引起电机的机械特性变软，功耗增大，一般应用不多。9直流电机的驱动n对直流电机进行调速和控制，需经过直流电机的驱动电路。驱动电路实际上就是一个大功率的放大器。n直流电机的驱动电路有线性放大驱动型和开关驱动型。10直流电机的驱动一.线性放大驱动型：实际上是一个线性功放。处理器D/A线性功放电机控制信号驱动电压功率输出处理器输出的控制信号
3、经D/A转换为电压信号，驱动器将这个信号进行线性功率放大后提供给电机。缺点：由于驱动器上通过的电流和压降都比较大，因此这种驱动方式最大的缺点是功耗大，效率低。优势：由于线性功放不存在高频的开关动作，因此输出电压平稳，与PWM等开关驱动方式相比，电磁干扰和噪声要小得多。11直流电机的驱动 二.开关驱动型：利用大功率晶体管的开关作用。处理器光电隔离大功率晶体管电机PWM信号PWM信号功率输出晶体管将恒定的直流电源转换成一定的方波电压加在电机电枢上。优点：与线性驱动方式不同，该方式下，晶体管工作在开关状态。当器件导通时，器件的电流很大但压降却很小；器件关断时，压降很大电流却很小。因此这种驱动方式功耗
4、小，效率高。通过控制开关的频率和脉宽，可以对电机的转动进行控制。12直流电机的驱动-PWM方式PWM是一种开关驱动方式，是直流电机最重要也是最常用的驱动控制方式。采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，这正是PWM控制技术的理论基础。13直流电机的驱动-PWM方式PWM全称是脉冲宽度调制。采用PWM进行电机的调速控制，实际上是保持加在电机电枢上的脉冲电压频率不变，调节其脉冲宽度。电机是一个惯性环节，它的电枢电流和转速均不能突变，很高频率的PWM波加在电机上，效果相当于施加一个恒定电压的直流电，这个电压可以由脉冲的宽度调节。围绕PWM还有许
5、多其他的调速方式，如PFM(脉冲频率调节)、SPWM、随机PWM等。14直流电机的驱动-PWM方式PWMPWM等价示意图等价示意图15直流电机的驱动电路-H桥PWM驱动方式易于与处理器接口，使用简单，性能较好。相应的驱动电路有多种形式，最常用的一种是H桥电路。16H桥驱动电路原理 一、一、H H桥驱动电路桥驱动电路图中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注意：该图只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，
6、必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。17要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如下图所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。H桥驱动电路原理 H桥电路驱动电机顺时针转动18下图所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过
7、电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。H桥驱动电路原理 H桥电路驱动电机逆时针转动19二、使能控制和方向逻辑二、使能控制和方向逻辑 驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。 H桥驱动电路原理 20下图就是基于这种考虑的改进电路，它在基本H桥电路的基础上增加了4个与门和2个非门。4个与门
8、同一个“使能”导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。而2个非门通过提供一种方向输人，可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。（与本节前面的示意图一样，下图所示也不是一个完整的电路图，特别是图中与门和三极管直接连接是不能正常工作的。）H桥驱动电路原理 具有使能控制和方向逻辑的H桥电路21采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：两个方向信号和一个使能信号。如果DIRL信号为0，DIRR信号为1，并且使能信号是1，那么三极管Q1和Q4导通，电流从左至右流经电机（如图所示）；如果DIRL信号变为1，而DIRR信号变为0，那么Q2和Q3将导通，电流则反向流过电机
9、。使能信号与方向信号的使用H桥驱动电路原理 22实际使用的时候，用分立元件制作H桥是很麻烦的，好在现在市面上有很多封装好的H桥集成电路，接上电源、电机和控制信号就可以使用了，在额定的电压和电流内使用非常方便可靠。比如常用的L293D、L298N、MC33886、TA7257P、SN754410等。H桥驱动电路原理 实际H桥电路23L298是著名的SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路，具有两套H桥电路。L298内置两个H桥，每个桥提供1A的额定工作电流，和最大3A的峰值电流。它能驱动的马达不超过可乐罐大小。H桥驱动芯片-L298 24H桥驱动芯片-L298 L298电路原理图25H桥驱动
10、芯片-L298 26H桥驱动芯片-L298 27H桥驱动芯片-L298 28n电机驱动的几点心得：n1.电机供电最好和单片机供电独立开来，中间加光耦隔离。防止电机通过回路干扰单片机。如果非要共用一个电源，那也要采取一些措施模拟地和数字地单点共地，采用0欧电阻或磁珠连接；n2.元件件的参数要留一定的富裕量，保证能可靠工作。IC器件VCC加104电容高频滤波；n3.PCB布线强弱电分开，尽量远离走线；H桥驱动芯片-L298 29H桥驱动芯片-MC3388630H桥驱动芯片-MC3388631H桥驱动芯片-MC3388632H桥驱动芯片-MC3388633H桥驱动芯片-MC3388634步进电机及驱
11、动35步进电动机36一、步进电动机的组成和种类371、步进电动机的结构组成：步步进进电电机机组组成成定子定子定子定子转子转子转子转子由硅钢片叠由硅钢片叠成成, ,有一定数量的有一定数量的磁极和绕组磁极和绕组用硅钢片叠用硅钢片叠成或成或 用软磁性用软磁性材料做成凸极结材料做成凸极结构构382、步进电动机的种类：励磁式转子有绕组反应式转子无绕组混合式（永磁感应子式）转子无绕组有磁钢39二、步进电动机的工作原理401、结构分析定子41转子1、结构分析422、工作原理步进电动机结构原理图步进电动机结构原理图齿距：齿距：齿距：齿距： 设设转转子子的的齿齿数数是是Z Z，则齿距为则齿距为=360/Z=36
12、0/Z设设Z Z为为4040，则，则 为为99 43错位错位步进电动机结构原理图步进电动机结构原理图当当A A相相定定子子齿齿和和转转子子齿齿对对齐齐，若若和和A A相相磁磁极极中中心心对对齐齐的的转转子子齿齿为为1 1号号齿齿，因因B B相相磁磁极极与与 A A相相 磁磁 极极 差差 120120， 且且120120/9=13/9=13（1/31/3），故故转转子子齿齿不不能能与与B B相相定定子子齿齿对对齐齐，只只有有1313号号小小齿齿靠靠近近B B相相磁磁极极的的中中心心线线，与与中中心心线线相相差差33 44电机转动的工作原理电机转动的工作原理总结：错齿是步进电动机旋转的根本原因总结
13、：错齿是步进电动机旋转的根本原因45步距角步距角绕组每通电一次（即运绕组每通电一次（即运行一拍），转子就走一步，即转过行一拍），转子就走一步，即转过一定的角度。一定的角度。步距角步距角磁阻式步进电机的步距角用公式表磁阻式步进电机的步距角用公式表示：示： QQS S=360/NZ=360/NZr r （N=N=MMC CC C ）46三、步进电动机的控制原理471、目的当定子绕组按一定顺序轮流通电时，当定子绕组按一定顺序轮流通电时，转子就沿一定方向一步步转动。因此步转子就沿一定方向一步步转动。因此步进电动机绕组是按一定通电方式工作的，进电动机绕组是按一定通电方式工作的，为实现该种轮流通电，为实现
14、该种轮流通电，要将控制脉冲按要将控制脉冲按要将控制脉冲按要将控制脉冲按规定的通电方式分配到电动机的每相绕规定的通电方式分配到电动机的每相绕规定的通电方式分配到电动机的每相绕规定的通电方式分配到电动机的每相绕组。组。组。组。482、典型的步进电机控制系统的组成步进控制器步进控制器步进控制器步进控制器把输入的脉冲转换成环型脉冲，把输入的脉冲转换成环型脉冲，以控制步进电动机，并能进行正反转控制以控制步进电动机，并能进行正反转控制功率放大器功率放大器功率放大器功率放大器把步进电动机输出的环型脉把步进电动机输出的环型脉冲放大，以驱动步进电动机转动冲放大，以驱动步进电动机转动49典型的步进电机控制系统的组
15、成50了解步进控制器513、单片机控制的步进电机控制系统组成利用单片机代替步进控制器，把并行二进制利用单片机代替步进控制器，把并行二进制码转换成串行脉冲序列，并实现方向控制码转换成串行脉冲序列，并实现方向控制524、脉冲序列的生成脉冲用周期、脉冲脉冲用周期、脉冲高度、接通和断开电高度、接通和断开电源的时间来表示源的时间来表示单片机控制步进电机单片机控制步进电机步进实际是用单片机产步进实际是用单片机产生一系列脉冲生一系列脉冲先输出一高电平（电机步进），接着利用软件延先输出一高电平（电机步进），接着利用软件延时一段时间（到位），而后输出一低电平（停止步时一段时间（到位），而后输出一低电平（停止步进），再延时。延时长短由步进电动机的工作频率进），再延时。延时长短由步进电动机的工作频率决定。决定。535、旋转方向的控制电动机旋转方向和内部绕组的通电顺序有关电动机旋转方向和内部绕组的通电顺序有关以三相步进电动机为例（单三拍）：以三相步进电动机为例（单三拍）：正向旋转通电顺序：正向旋转通电顺序：ABCAABCA反向旋转通电顺序：反向旋转通电顺序：ACBAACBA54旋转方向的控制55小结：n步进电动机由定子和转子两大部分组成。n错齿是促使步进电动机旋转的根本原因。n每运行一拍，转子就转过一个步距角。n单片机控制系统用单片机代替步进控制器。n步进电机旋转方向和内部绕组的通电顺序有关 56
