直流電機（DC Motors）

直流電機（DC Motors）是一種機電設備，它利用磁場和導體的相互作用將電能轉換為旋轉機械能。

直流電機及其應用

直流電機是一種連續執行器，將電能轉換為機械能。直流電機通過產生連續的角旋轉來實現這一點，這種旋轉可用于驅動泵、風扇、壓縮機、車輪等。

除了傳統的旋轉直流電機外，還有線性電機，它們能夠產生連續的線性運動。基本上有三種類型的傳統電機：交流電機（AC Motors）、直流電機（DC Motors）和步進電機（Stepper Motors）。

典型的小型直流電機

交流電機通常用于高功率的單相或多相工業應用，需要恒定的旋轉扭矩和速度來控制大型負載，如風扇或泵。

在本教程中，我們將僅關注用于許多不同類型的電子、位置控制、微處理器、PIC和機器人電路中的簡單輕型直流電機和步進電機。

直流電機的基礎知識

直流電機（DC Motor）或全稱直流電動機，是最常用的執行器，用于產生連續運動，并且其旋轉速度可以輕松控制，使其非常適合用于需要速度控制、伺服控制或定位的應用。

通常，直流電機由兩部分組成：“定子”（Stator）是靜止部分，“轉子”（Rotor）是旋轉部分。因此，基本上有三種類型的直流電機：

1. 有刷電機（Brushed Motor） - 這種電機通過在轉子上通過換向器和碳刷組件通電來產生磁場，因此稱為“有刷”。定子的磁場可以通過繞制定子繞組或使用永磁體產生。通常，有刷直流電機價格便宜、體積小且易于控制。

2. 無刷電機（Brushless Motor） - 這種電機通過在轉子上安裝永磁體來產生磁場，并通過電子換向實現。它們通常比傳統的有刷直流電機更小但更昂貴，因為它們在定子中使用“霍爾效應”開關來產生所需的定子磁場旋轉序列，但它們具有更好的扭矩/速度特性，效率更高，并且比等效的有刷電機具有更長的使用壽命。

3. 伺服電機（Servo Motor） - 這種電機基本上是一種帶有某種形式位置反饋控制的有刷直流電機，連接到轉子軸。它們連接到PWM型控制器并由其控制，主要用于位置控制系統和無線電控制模型。

普通直流電機具有幾乎線性的特性，其旋轉速度由施加的直流電壓決定，輸出扭矩由流過電機繞組的電流決定。

直流電機的旋轉速度可以從每分鐘幾轉（rpm）到每分鐘數千轉不等，使其適用于電子、汽車或機器人應用。通過將它們連接到齒輪箱或齒輪傳動裝置，可以在高速時降低輸出速度，同時增加電機的扭矩輸出。

有刷直流電機

傳統的有刷直流電機基本上由兩部分組成：靜止的電機主體稱為定子，旋轉產生運動的內部分稱為轉子或“電樞”。

電機的繞制定子是一個電磁電路，由以圓形配置連接在一起的電氣線圈組成，以產生所需的北極、南極、北極等類型的靜止磁場系統，與交流電機的定子磁場隨頻率不斷旋轉不同。流過這些勵磁線圈的電流稱為電機勵磁電流。

這些形成定子磁場的電磁線圈可以與電機的電樞串聯、并聯或兩者結合（復合）。串聯繞組的直流電機的定子勵磁繞組與電樞串聯連接。同樣，并聯繞組的直流電機的定子勵磁繞組與電樞并聯連接，如圖所示。
串聯和并聯連接的直流電機

直流電機的轉子或電樞由載流導體組成，這些導體在一端連接到稱為換向器的電氣隔離銅段。換向器允許通過碳刷（因此稱為“有刷”電機）在電樞旋轉時與外部電源進行電氣連接。

轉子設置的磁場試圖與靜止的定子磁場對齊，導致轉子繞其軸旋轉，但由于換向延遲而無法對齊。電機的旋轉速度取決于轉子磁場的強度，施加到電機的電壓越高，轉子旋轉得越快。通過改變施加的直流電壓，電機的旋轉速度也可以改變。
傳統（有刷）直流電機

永磁（PMDC）有刷直流電機通常比其等效的繞制定子型直流電機更小且更便宜，因為它們沒有勵磁繞組。在永磁直流（PMDC）電機中，這些勵磁線圈被強大的稀土（如釤鈷或釹鐵硼）型磁體取代，這些磁體具有非常高的磁能場。

使用永磁體使直流電機具有比等效的繞制電機更好的線性速度/扭矩特性，因為永磁體有時具有非常強的磁場，使其更適合用于模型、機器人和伺服系統。

盡管有刷直流電機非常高效且便宜，但與有刷直流電機相關的問題是，在重負載條件下，換向器和碳刷之間的兩個表面之間會發生火花，導致自發熱、壽命短以及由于火花產生的電氣噪聲，這可能會損壞任何半導體開關設備，如MOSFET或晶體管。為了克服這些缺點，開發了無刷直流電機。

無刷直流電機

無刷直流電機（BDCM）與永磁直流電機非常相似，但由于沒有換向器火花，因此沒有需要更換或磨損的碳刷。因此，轉子產生的熱量很少，從而延長了電機的壽命。

無刷電機的設計通過使用更復雜的驅動電路消除了對碳刷的需求，轉子磁場是永磁體，始終與定子磁場同步，從而實現更精確的速度和扭矩控制。

因此，無刷直流電機的構造與交流電機非常相似，使其成為真正的同步電機，但其缺點是比等效的“有刷”電機設計更昂貴。

無刷直流電機的控制與普通有刷直流電機非常不同，因為這種類型的電機包含一些檢測轉子角位置（或磁極）的手段，以產生控制半導體開關設備所需的反饋信號。最常見的位置/磁極傳感器是“霍爾效應傳感器”，但一些電機也使用光學傳感器。

使用霍爾效應傳感器，電機控制驅動電路切換電磁鐵的極性。然后，電機可以輕松地與數字時鐘信號同步，提供精確的速度控制。無刷直流電機的構造可以是外部永磁轉子和內部電磁定子，或內部永磁轉子和外部電磁定子。

與“有刷”電機相比，無刷直流電機的優點是效率更高、可靠性高、電氣噪聲低、速度控制良好，更重要的是沒有碳刷或換向器磨損，從而產生更高的速度。然而，它們的缺點是更昂貴且控制更復雜。

直流伺服電機

直流伺服電機用于閉環類型的應用，其中電機輸出軸的位置反饋到電機控制電路。典型的位置“反饋”設備包括解析器、編碼器和電位器，用于無線電控制模型，如飛機和船只等。

伺服電機通常包括一個內置的齒輪箱用于減速，并且能夠直接提供高扭矩。伺服電機的輸出軸不像直流電機的軸那樣自由旋轉，因為連接了齒輪箱和反饋設備。
直流伺服電機框圖

伺服電機由直流電機、減速齒輪箱、位置反饋設備和某種形式的誤差校正組成。速度或位置相對于施加到設備的輸入信號或參考信號進行控制。

RC伺服電機

誤差檢測放大器查看此輸入信號并將其與電機輸出軸的反饋信號進行比較，確定電機輸出軸是否處于誤差狀態，如果是，則控制器進行適當的校正，加快或減慢電機速度。這種對位置反饋設備的響應意味著伺服電機在“閉環系統”中運行。

除了大型工業應用外，伺服電機還用于小型遙控模型和機器人，大多數伺服電機能夠雙向旋轉約180度，使其非常適合精確的角度定位。然而，這些RC型伺服電機無法像傳統直流電機那樣持續高速旋轉，除非經過特殊改裝。

伺服電機由多個設備組成，包括電機、齒輪箱、反饋設備和用于控制位置、方向或速度的誤差校正。它們廣泛用于機器人和小型模型，因為它們只需三根電線即可輕松控制：電源、地和信號控制。

直流電機的開關和控制

小型直流電機可以通過開關、繼電器、晶體管或MOSFET電路進行“開”或“關”控制，最簡單的電機控制形式是“線性”控制。這種類型的電路使用雙極晶體管作為開關（也可以使用達林頓晶體管以滿足更高的電流要求）從單一電源控制電機。

通過改變流入晶體管的基極電流量，可以控制電機的速度。例如，如果晶體管“半開”，則只有一半的電源電壓供給電機。如果晶體管“完全開啟”（飽和），則所有電源電壓都供給電機，電機旋轉得更快。因此，對于這種線性控制，電源持續供給電機，如下所示。
電機速度控制電路

上面的簡單開關電路顯示了單向（僅一個方向）電機速度控制電路。由于直流電機的旋轉速度與其端子上的電壓成正比，我們可以使用晶體管調節該端子電壓。

兩個晶體管連接為達林頓對，以控制電機的主電樞電流。一個5kΩ電位器用于控制第一個引導晶體管TR1的基極驅動量，從而控制主開關晶體管TR2，允許電機的直流電壓從零變化到Vcc，在本例中為9到12伏。

可選續流二極管連接在開關晶體管TR2和電機端子之間，以保護電機旋轉時產生的任何反電動勢。可調電位器可以用連續的邏輯“1”或邏輯“0”信號直接替換，以從微控制器或PIC的端口分別將電機“完全開啟”（飽和）或“完全關閉”（截止）。

除了這種基本的速度控制外，相同的電路還可用于控制電機的旋轉速度。通過以足夠高的頻率反復切換電機電流“開”和“關”，可以通過改變其電源的占空比來改變電機的速度，從靜止（0 rpm）到全速（100%）。這是通過改變“開”時間（tON）與“關”時間（tOFF）的比例來實現的，這可以通過稱為脈寬調制（PWM）的過程實現。

脈寬直流電機速度控制

我們之前說過，直流電機的旋轉速度與其端子上的平均電壓值成正比，該值越高（達到電機允許的最大電壓），電機旋轉得越快。換句話說，電壓越高，速度越快。

通過改變“開”（tON）時間和“關”（tOFF）時間之間的比例，稱為“占空比”、“占空比”或“工作周期”，電機電壓的平均值及其旋轉速度可以改變。對于簡單的單極驅動，占空比β給出為：

直流電機占空比

供給電機的平均直流輸出電壓為：Vmean = β x Vsupply。然后，通過改變脈沖寬度a，可以控制電機電壓，從而控制施加到電機的功率，這種類型的控制稱為脈寬調制或PWM。

另一種控制電機旋轉速度的方法是改變頻率（從而改變控制電壓的時間周期），同時保持“開”和“關”占空比時間不變。這種類型的控制稱為脈頻調制或PFM。

通過脈頻調制，電機電壓通過施加可變頻率的脈沖來控制，例如，在低頻或脈沖很少的情況下，施加到電機的平均電壓較低，因此電機速度較慢。在較高頻率或脈沖較多的情況下，電機端子電壓增加，電機速度也會增加。

因此，晶體管可用于控制施加到直流電機的功率量，操作模式可以是“線性”（改變電機電壓）、“脈寬調制”（改變脈沖寬度）或“脈頻調制”（改變脈沖頻率）。

直流電機的方向反轉

雖然使用單個晶體管控制直流電機的速度有許多優點，但它也有一個主要缺點，即旋轉方向始終相同，它是一個“單向”電路。在許多應用中，我們需要使電機在兩個方向上運行，即正向和反向。

要控制直流電機的方向，必須反轉施加到電機連接的直流電源的極性，使其軸在相反方向上旋轉。控制直流電機旋轉方向的一種非常簡單且廉價的方法是使用以下方式排列的不同開關：

直流電機方向控制

第一個電路使用單個雙刀雙擲（DPDT）開關來控制電機連接的極性。通過切換觸點，電機端子的電源反轉，電機反轉方向。第二個電路稍微復雜一些，使用四個單刀單擲（SPST）開關以“H”形配置排列。

機械開關以開關對排列，必須以特定的組合操作或停止直流電機。例如，開關組合A + D控制正向旋轉，而開關B + C控制反向旋轉，如圖所示。開關組合A + B或C + D短路電機端子，使其快速制動。然而，以這種方式使用開關有其危險，因為同時操作開關A + C或B + D會短路電源。

雖然上述兩個電路在大多數小型直流電機應用中效果很好，但我們真的想通過操作不同的機械開關組合來反轉電機的方向嗎？不！我們可以將手動開關更換為一組機電繼電器，并有一個單一的正向-反向按鈕或開關，甚至使用固態CMOS 4066B四路雙向開關。

但另一種實現電機雙向控制（以及速度控制）的非常好方法是將電機連接到晶體管H橋型電路布置中，如下所示。

基本雙向H橋直流電機電路

上面的H橋電路之所以如此命名，是因為四個開關（無論是機電繼電器還是晶體管）的基本配置類似于字母“H”，電機位于中心條上。

晶體管或MOSFET H橋可能是最常用的雙向直流電機控制電路之一。它在每個分支中使用“互補晶體管對”（NPN和PNP），晶體管成對切換以控制電機。

控制輸入A使電機在一個方向上運行，即正向旋轉，而輸入B使電機在另一個方向上運行，即反向旋轉。然后，通過在“對角線對”中切換晶體管“開”或“關”，可以實現電機的方向控制。

例如，當晶體管TR1“開”且晶體管TR2“關”時，點A連接到電源電壓（+Vcc），如果晶體管TR3“關”且晶體管TR4“開”，則點B連接到0伏（GND）。然后，電機將在一個方向上旋轉，對應于電機端子A為正，電機端子B為負。

如果切換狀態反轉，使TR1“關”，TR2“開”，TR3“開”且TR4“關”，電機電流現在將沿相反方向流動，導致電機在相反方向上旋轉。

然后，通過向輸入A和B施加相反的邏輯電平“1”或“0”，可以控制電機的旋轉方向，如下所示。

直流電機H橋真值表

重要的是不允許其他輸入組合，因為這可能會導致電源短路，即兩個晶體管TR1和TR2同時“開”（保險絲=爆炸！）。

與上面看到的單向直流電機控制一樣，電機的旋轉速度也可以使用脈寬調制（PWM）進行控制。然后，通過將H橋開關與PWM控制相結合，可以精確控制電機的方向和速度。

商用現成的解碼器IC，如SN754410四路半H橋IC或具有2個H橋的L298N，具有所有必要的控制和安全邏輯，專門設計用于H橋雙向電機控制電路。

直流電機作為步進電機

與上述直流電機一樣，步進電機也是一種機電執行器，它將脈沖數字輸入信號轉換為離散（增量）機械運動，廣泛應用于工業控制應用中。

步進電機是一種同步無刷電機，因為它沒有帶有換向器和碳刷的電樞，而是有一個由許多（某些類型有數百個）永磁齒組成的轉子和帶有獨立繞組的定子。

 步進電機

顧名思義，步進電機不像傳統直流電機那樣連續旋轉，而是以離散的“步”或“增量”移動，每個旋轉運動或步的角度取決于步進電機的定子極數和轉子齒數。

由于其離散的步進操作，步進電機可以輕松地一次旋轉有限的旋轉部分，例如1.8°、3.6°、7.5°等。例如，假設步進電機在100步內完成一次完整的旋轉（360°）。

那么電機的步進角度為360度/100步=每步3.6度。該值通常稱為步進電機的步進角度。

步進電機有三種基本類型：可變磁阻（Variable Reluctance）、永磁（Permanent Magnet）和混合（Hybrid）（兩者的組合）。步進電機特別適用于需要精確定位和可重復性以及對啟動、停止、反轉和速度控制的快速響應的應用，步進電機的另一個關鍵特性是其在達到所需位置后能夠保持負載穩定。

通常，步進電機具有一個內部轉子，帶有大量永磁“齒”，并且定子上安裝有多個電磁“齒”。定子的電磁鐵依次極化和去極化，使轉子一次旋轉一個“步”。

現代多極、多齒步進電機能夠實現每步小于0.9度的精度（每轉400個脈沖），主要用于高度精確的定位系統，如軟盤/硬盤驅動器中的磁頭、打印機/繪圖儀或機器人應用。最常用的步進電機是每轉200步的步進電機。它具有50齒轉子、4相定子和1.8度的步進角度（360度/（50×4））。

步進電機的構造與控制

可變磁阻步進電機

在我們上述簡單的可變磁阻步進電機示例中，電機由一個中央轉子和四個標記為A、B、C和D的電磁場線圈組成。所有相同字母的線圈都連接在一起，因此通電時，例如標記為A的線圈將使磁性轉子與該組線圈對齊。

通過依次向每組線圈施加電源，轉子可以通過其步進角構造確定的角度從一個位置旋轉或“步進”到下一個位置，并且通過依次通電線圈，轉子將產生旋轉運動。

步進電機驅動器通過以設定的順序通電場線圈來控制電機的步進角和速度，例如，“ADCB, ADCB, ADCB, A…”等，轉子將沿一個方向（正向）旋轉，而通過將脈沖序列反轉為“ABCD, ABCD, ABCD, A…”等，轉子將沿相反方向（反向）旋轉。

因此，在我們上面的簡單示例中，步進電機有四個線圈，使其成為4相電機，定子上的極數為8個（2 x 4），間隔為45度。轉子上的齒數為6個，間隔為60度。

然后，轉子完成一整圈有24個（6齒 x 4線圈）可能的位置或“步進”。因此，上述步進角為：360度/24 = 15度。

顯然，轉子齒數和/或定子線圈越多，控制越精細，步進角越小。此外，通過以不同的配置連接電機的電線圈，可以實現全步、半步和微步角度。然而，要實現微步進，步進電機必須由（準）正弦電流驅動，這實現起來成本較高。

還可以通過改變施加到線圈的數字脈沖之間的時間延遲（頻率）來控制步進電機的旋轉速度，延遲越長，完成一整圈的速度越慢。通過向電機施加固定數量的脈沖，電機軸將旋轉給定的角度。

使用時間延遲脈沖的優點是無需任何形式的額外反饋，因為通過計算給電機的脈沖數，可以準確知道轉子的最終位置。這種對設定數量的數字輸入脈沖的響應允許步進電機在“開環系統”中運行，使其控制更簡單且更經濟。

例如，假設我們的步進電機每步的步進角為3.6度。要使電機旋轉216度，然后在所需位置停止，只需要總共：216度/（3.6度/步）= 80個脈沖施加到定子線圈。

有許多步進電機控制器IC可用于控制步進速度、旋轉速度和電機方向。其中一個控制器IC是SAA1027，它具有所有必要的計數器和代碼轉換功能，并可以自動以正確的順序驅動4個全控橋輸出到電機。

還可以選擇旋轉方向以及單步模式或選定方向的連續（無級）旋轉，但這會給控制器帶來一些負擔。當使用8位數字控制器時，每步還可以實現256個微步。

SAA1027步進電機控制芯片

SAA1027步進電機芯片

在本教程關于旋轉執行器的內容中，我們研究了有刷和無刷直流電機、直流伺服電機和步進電機作為機電執行器，可用于位置或速度控制的輸出設備。

在下一個關于輸入/輸出設備的教程中，我們將繼續研究稱為執行器的輸出設備，特別是將電信號轉換為聲波的設備，再次利用電磁原理。我們將在下一個教程中研究的輸出設備類型是揚聲器。