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入門首選:有刷直流電機應用寶典

發(fā)布時間:2014-10-25 責任編輯:echolady

【導讀】有刷直流電機的劃分是根據電機定子或者外殼中磁場的產生方式。定子磁場由定子中的繞組或永磁鐵產生。繞組見不同的連接方式產生不同的電動機。本文中深入探討了有刷直流電機的應用及其相應的控制方案,是工程師入門必知的應用實例。

有刷直流(BDC)電機的工作原理

圖1示出的是BDC電機的基本構造。圖中畫出的組件包括定子、轉子、電刷和換向器。定子和轉子磁場相互作用驅動電機旋轉。有刷直流電機的類型根據電機定子或外殼中磁場的產生方式來劃分。根據有刷直流電機的類型,定子磁場可以由永磁鐵或定子中的繞組產生。對于后一種情況,定子繞組與轉子繞組可以是并行、串行、或混合方式連接。這三種有刷直流電機分別稱為并激電動機、串激電動機和復激電動機。

入門首選:有刷直流電機應用寶典
 
定子產生靜止磁場。這一靜止磁場圍繞在電樞(或稱轉子)的周圍。外加電源激發(fā)出電樞磁場。BDC電機軸上還有兩個圓弧形的銅片,稱為換向片。電機轉動時,碳質的電刷在換向器上滑動。這樣就可以產生一個與定子的靜止磁場相吸引的旋轉磁場。電樞和定子繞組中的電流由電池或其它直流電源供給(永磁BDC電機沒有定子繞組)。電池(或直流電源)提供恒定的直流電壓。電壓幅度決定了電機的轉速,因此是電池或直流電源是一個線性激勵源。改變BDC電機速度的最有效方式是采用脈寬調制(PWM)技術。PWM技術是以固定的頻率開關恒壓源。改變PWM信號的脈沖寬度可以調節(jié)電機的速度。脈沖高低電平間的比例稱為PWM信號的占空比。直流電池電平的幅度等于PWM信號的平均幅度。
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單片機/電機控制實例

單片機設計中帶有內建的外設,因此只需要最少量的外部元器件就可以容易地實現(xiàn)BDC電機的速度和方向控制。選用的單片機帶有內建的外設,只需要最少量的外部元器件就可以容易地實現(xiàn)BDC電機的速度和方向控制。這款單片機的兩大特點對于BDC電機控制非常有用。首先,片上內建有增強捕獲/比較/PWM(ECCP)模塊,當配置為全橋模式時,可以提供直接驅動H橋電路所需要的PWM信號。H橋電路可以為電機提供雙向電流驅動。第二個非常適合電機控制器的特點是可以產生頻率高達31.2 kHz的8位PWM信號。對于電機控制應用來說,這一點很重要,因為低于20 kHz的頻率會導致電機產生人聽覺范圍內的噪聲。不需要增加任何外部時鐘源,可以提供高于聽覺頻率的8位分辨率。為了獲得高出聽覺頻率范圍的頻率,此前的單片機需要在運行時降低PWM的分辨率。與其它具備ECCP的單片機相比,它體積小且成本效率高。利用片上ECCP模塊做為PWM硬件發(fā)生器,而不是采用過去的軟件解決方案,寶貴的單片機處理器資源可以用于完成其它任務。

圖2中的低成本BDC電機控制系統(tǒng)在全橋PWM模式下使用ECCP。用戶可容易地配置PWM占空比,并實時改變單片機內部振蕩器。此外,利用單片機片上的一個10位ADC來測量反向電動勢(EMF),PIC16F684可以容易地跟蹤電機的轉速(RPM)。

入門首選:有刷直流電機應用寶典
 
本應用中的硬件有三個主要部分。一個電源級、一個通信模塊(RS-232)和一個RPM及電流測量級。電源級包括提供BDC電機雙向控制的全H橋。PIC16F684通過RC2、RC3、RC4和RC5引腳連接到H橋。從RA5引腳通過一個RS-232端口可以將有關PWM占空比、單片機振蕩器速率、電機RPM和電流值等指令和信息發(fā)送給計算機。雖然實際生產出來的設備很可能并沒有這樣一個通信接口,但在開發(fā)階段這樣一個通信接口非常有用。在實際產品中,RA5可以被賦予不同的用途,如點亮狀態(tài)指示LED或者讀取電位計輸入。

通過測量電機的反向EMF電壓,不需額外傳感器即可以獲得電機轉速(RPM)。電機轉速與反向EMF電壓直接成正比。BDC電機是一種感性負載。電機上感生的電壓等于電機電感乘以dI/dt 。將對應FET關斷(OFF)即可以測量反向EMF電壓。這會產生一個反方向流過電機的電流。PIC16F684中的ADC模塊可以測量出EMF電壓。

通過測量MOSFETs、QB 和 QD, 以及地之間電流檢測電阻上的高端電壓可以獲得電流值。選擇適當?shù)碾娮柚禃r需要考慮最大電流和功耗。PWM信號驅動BDC電機。H橋電路僅在PWM信號處于高電平時才吸收電流。采用一個采樣和平均算法在多個PWM周期測量結果的基礎上算出電流值和電機轉速。 

此類應用中使用的片上外設除ECCP模塊外,還有一個內部10位模數(shù)轉換器(ADC)。ECCP有捕獲模式(可捕獲定時器寄存器的16位值)、幾個比較器和4個PWM。在無傳感器的BDC電機控制應用中,4個PWM通道是一個重要優(yōu)勢。如圖2所示,配合外部橋和4個FET驅動器件,單片機的PWM模塊可以容易地實現(xiàn)雙向電機控制。

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