4種直流電機(jī)控制電路詳解，含圖含公式，直觀又細(xì)致，不懂都難！
直流電機(jī)在家用電器、電子儀器設(shè)備、電子玩具、錄相機(jī)及各種自動(dòng)控制中都有廣泛的應(yīng)用。但對(duì)它的使用和控制，很多讀者還不熟悉，而且其技術(shù)資料亦難于查找。直流電機(jī)控制電路集錦，將使讀者“得來(lái)全不費(fèi)功夫”!
在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，自動(dòng)控制系統(tǒng)，電子儀器設(shè)備、家用電器、電子玩具等等方面，直流電機(jī)都得到了廣泛的應(yīng)用。大家熟悉的錄音機(jī)、電唱機(jī)、錄相機(jī)、電子計(jì)算機(jī)等，都不能缺少直流電機(jī)。所以直流電機(jī)的控制是一門很實(shí)用的技術(shù)。本文將詳細(xì)介紹各種直流電機(jī)的控制技術(shù)。
直流電機(jī)，大體上可分為四類：
第一類為有幾相繞組的步進(jìn)電機(jī)。 這些步進(jìn)電機(jī)，外加適當(dāng)?shù)男蛄忻}沖，可使主軸轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)精密的角度(通常在1.8°--7.5°之間)。只要施加合適的脈沖序列，電機(jī)可以按照人們的預(yù)定的速度或方向進(jìn)行連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)。
步進(jìn)電機(jī)用微處理器或?qū)Ｓ貌竭M(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電路，很容易實(shí)現(xiàn)控制。例如常用的SAAl027或SAAl024專用步進(jìn)電機(jī)控制電路。
步進(jìn)電機(jī)廣泛用于需要角度轉(zhuǎn)動(dòng)精確計(jì)量的地方。例如：機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)，高級(jí)字輪的字符選擇，計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)器的磁頭控制，打印機(jī)的字頭控制等，都要用到步進(jìn)電機(jī)。
第二類為永磁式換流器直流電機(jī)，它的設(shè)計(jì)很簡(jiǎn)單，但使用極為廣泛。 當(dāng)外加額定直流電壓時(shí)，轉(zhuǎn)速幾乎相等。這類電機(jī)用于錄音機(jī)、錄相機(jī)、唱機(jī)或激光唱機(jī)等固定轉(zhuǎn)速的機(jī)器或設(shè)備中。也用于變速范圍很寬的驅(qū)動(dòng)裝置，例如：小型電鉆、模型火車、電子玩具等。在這些應(yīng)用中，它借助于電子控制電路的作用，使電機(jī)功能大大加強(qiáng)。
第三類是所謂的伺服電機(jī)，伺服電機(jī)是自動(dòng)裝置中的執(zhí)行元件，它的最大特點(diǎn)是可控。 在有控制信號(hào)時(shí)，伺服電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)速大小正比于控制電壓的大小，除去控制信號(hào)電壓后，伺服電機(jī)就立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)。伺服電機(jī)應(yīng)用甚廣，幾乎所有的自動(dòng)控制系統(tǒng)中都需要用到。例如測(cè)速電機(jī)，它的輸出正比于電機(jī)的速度;或者齒輪盒驅(qū)動(dòng)電位器機(jī)構(gòu)，它的輸出正比于電位器移動(dòng)的位置.當(dāng)這類電機(jī)與適當(dāng)?shù)墓β士刂品答伃h(huán)配合時(shí)，它的速度可以與外部振蕩器頻率精確鎖定，或與外部位移控制旋鈕進(jìn)行鎖定。
唱機(jī)或激光唱機(jī)的轉(zhuǎn)盤常用伺服電機(jī)。天線轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，遙控模型飛機(jī)和艦船也都要用到伺服電機(jī)。
最后一類為兩相低電壓交流電機(jī)。 這類電機(jī)通常是直流電源供給一個(gè)低頻振蕩器，然后再用低頻低壓的交流去驅(qū)動(dòng)電機(jī)。這類電機(jī)偶爾也用在轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中。
電機(jī)工作原理
1. 步進(jìn)電機(jī)的基本工作原理
步進(jìn)電機(jī)有兩種基本的形式：可變磁阻型和混和型。步進(jìn)電機(jī)的基本工作原理，結(jié)合圖1的結(jié)構(gòu)示意圖進(jìn)行敘述。
圖1是一種四相可變磁阻型的步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。這種電機(jī)定子上有八個(gè)凸齒，每一個(gè)齒上有一個(gè)線圈。線圈繞組的連接方式，是對(duì)稱齒上的兩個(gè)線圈進(jìn)行反相連接，如圖中所示。八個(gè)齒構(gòu)成四對(duì)，所以稱為四相步進(jìn)電機(jī)。
它的工作過(guò)程是這樣的：當(dāng)有一相繞組被激勵(lì)時(shí)，磁通從正相齒，經(jīng)過(guò)軟鐵芯的轉(zhuǎn)子，并以最短的路徑流向負(fù)相齒，而其他六個(gè)凸齒并無(wú)磁通。為使磁通路徑最短，在磁場(chǎng)力的作用下，轉(zhuǎn)子被強(qiáng)迫移動(dòng)，使最近的一對(duì)齒與被激勵(lì)的一相對(duì)準(zhǔn)。在圖1(a)中A相是被激勵(lì)，轉(zhuǎn)子上大箭頭所指向的那個(gè)齒，與正向的A齒對(duì)準(zhǔn)。從這個(gè)位置再對(duì)B相進(jìn)行激勵(lì)，如圖1中的(b)，轉(zhuǎn)子向反時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)15°。若是D相被激勵(lì)，如圖1中的(c)，則轉(zhuǎn)子為順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)15°。下一步是C 相被激勵(lì)。因?yàn)镃相有兩種可能性：A—B—C—D或A—D—C—B。一種為反時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng);另一種為順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。但每步都使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)15°。電機(jī)步長(zhǎng)(步距角)是步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo)之一，不同的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)步長(zhǎng)大小的要求不同。改變控制繞組數(shù)(相數(shù))或極數(shù)(轉(zhuǎn)子齒數(shù))，可以改變步長(zhǎng)的大小。它們之間的相互關(guān)系，可由下式計(jì)算：
Lθ＝360 P×N
式中：Lθ為步長(zhǎng);P為相數(shù);N為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。在圖1中，步長(zhǎng)為15°，表示電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要24步。
2. 混和步進(jìn)電機(jī)的工作原理
在實(shí)際應(yīng)用中，最流行的還是混和型的步進(jìn)電機(jī)。但工作原理與圖1所示的可變磁阻型同步電機(jī)相同。但結(jié)構(gòu)上稍有不同。例如它的轉(zhuǎn)子嵌有永磁鐵。激勵(lì)磁通平行于X軸。一般來(lái)說(shuō)，這類電機(jī)具有四相繞組，有八個(gè)獨(dú)立的引線終端，如圖2a所示?；蛘呓映蓛蓚€(gè)三端形式，如圖2b所示。每相用雙極性晶體管驅(qū)動(dòng)，并且連接的極性要正確。
圖3所示的電路為四相混和型步進(jìn)電機(jī)晶體管驅(qū)動(dòng)電路的基本方式。它的驅(qū)動(dòng)電壓是固定的。表1列出了全部步進(jìn)開(kāi)關(guān)的邏輯時(shí)序。
值得注意的是，電機(jī)步進(jìn)為1—2—3—4的順序。在同一時(shí)間，有兩相被激勵(lì)。但是1相和2相，3相和4相絕對(duì)不能同時(shí)激勵(lì)。
四相混和型步進(jìn)電機(jī)，有一特點(diǎn)很有用處。它可以用半步方式驅(qū)動(dòng)。就是說(shuō)，在某一時(shí)間，步進(jìn)角僅前進(jìn)一半。用單個(gè)混合或用雙向開(kāi)關(guān)即可實(shí)現(xiàn)，這種邏輯時(shí)序由表2列出。
四相混和型步進(jìn)電機(jī)，也能工作于比額定電壓高的情況。這可以用串聯(lián)電阻進(jìn)行降壓。因?yàn)?相和2相，3相和4相是不會(huì)同時(shí)工作的，所以每對(duì)僅一個(gè)降壓電阻，串接在圖3中的X和Y點(diǎn)之間。因此額定電壓為6V的步進(jìn)電機(jī)，就可以工作在12V的電源下。這時(shí)需串一個(gè)6W、6Ω的電阻。
兩相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器
兩相(交流)電機(jī)有時(shí)用作精密唱機(jī)的轉(zhuǎn)盤。它是一種低電壓型的同步機(jī)構(gòu)。
圖21為兩相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路。這個(gè)電路能驅(qū)動(dòng)8歐兩相電機(jī)。每個(gè)繞組可達(dá)3瓦。頻率在45Hz到65Hz。集成電路選用LM377雙路3瓦音頻功率放大器作驅(qū)動(dòng)。電源用正負(fù)11V。
電路工作原理。集成電路的左半部分接成文氏橋振蕩器，頻率可調(diào)由RV1調(diào)節(jié)，頻率可變范圍45Hz—65Hz。振幅調(diào)節(jié)由RV2控制，燈泡LP1作穩(wěn)定振幅用。IC1a的輸出一路直接饋送電機(jī)的一相繞組。集成電路的另一半IC1b是作為85移相器用。C6、R6是85移相器。但是在60HZ時(shí)要乘以一個(gè)十倍的衰減因子，所以IC1b要乘以十倍的增益。電路穩(wěn)定性經(jīng)去耦網(wǎng)絡(luò)C3—R4—R5，C4和C5保證。電機(jī)繞組與C8、C9所組成的諧振回路，調(diào)諧到中間頻率值(55Hz)。
伺服電機(jī)系統(tǒng)
伺服電機(jī)是一種傳統(tǒng)的電機(jī)。它是自動(dòng)裝置的執(zhí)行元件。伺服電機(jī)的最大特點(diǎn)是可控。在有控制信號(hào)時(shí)，伺服電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)速大小正比于控制電壓的大小。去掉控制電壓后，伺服電機(jī)就立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)。伺服電機(jī)的應(yīng)用甚廣，幾乎所有的自動(dòng)控制系統(tǒng)都需要用到。在家電產(chǎn)品中，例如錄相機(jī)、激光唱機(jī)等都是不可缺少的重要組成部分。
1．簡(jiǎn)單伺服電機(jī)的工作原理
圖22示出了伺服電機(jī)的最簡(jiǎn)單的應(yīng)用。電位器RV1由伺服電機(jī)帶動(dòng)。電機(jī)可選用電流不超過(guò)700mA，電壓為12～24V的任一種伺服電機(jī)。圖中RV1 和RV2是接成惠斯登(Wheatstone)電橋。集成電路LM378是雙路4瓦功率放大器，也以橋接方式構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動(dòng)差分放大器。
當(dāng)RV2的任意變化，都將破壞電橋的平衡，使RV1—RV2之間產(chǎn)生一差分電壓，并且加以放大后送至電機(jī)。電機(jī)將轉(zhuǎn)動(dòng)，拖動(dòng)電位器RV1到新的位置，使電橋重新達(dá)到新的平衡。所以說(shuō)，RV1是跟蹤了RV2的運(yùn)動(dòng)。
圖23是用方塊圖形式，畫出了測(cè)速傳感器伺服電機(jī)系統(tǒng)，能用作唱機(jī)轉(zhuǎn)盤精密速度控制的原理圖。電機(jī)用傳統(tǒng)的皮帶機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤。轉(zhuǎn)盤的邊緣，用等間隔反射條文圖形結(jié)構(gòu)。用光電測(cè)速計(jì)進(jìn)行監(jiān)視和檢測(cè)。光電測(cè)速計(jì)的輸出信號(hào)正比于轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速。把光電測(cè)速計(jì)輸出信號(hào)的相位和頻率，與標(biāo)準(zhǔn)振蕩器的相位和頻率進(jìn)行比較，用它的誤差信號(hào)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。因此，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速就精確地保持在額定轉(zhuǎn)速上。額定轉(zhuǎn)速的換檔，可由操作開(kāi)關(guān)控制。這些控制電路，已有廠家做成專用的集成電路。
2．?dāng)?shù)字比例伺服電機(jī)
伺服電機(jī)的最好類型之一，是用數(shù)字比例遙控系統(tǒng)。實(shí)際上這些裝置是由三部份組成：采用集成電路、伺服電機(jī)、減速齒輪盒電位器機(jī)構(gòu)。圖24是這種系統(tǒng)的方塊圖。電路的驅(qū)動(dòng)輸入，是用周期為15ms而脈沖寬度為1～2ms的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)。輸入脈沖的寬度，控制伺服機(jī)械輸出的位置。例如：1ms脈寬，位置在最左邊;1.5ms在中是位置，2ms在最右邊的位置。
每一個(gè)輸入脈沖分三路同時(shí)傳送。一路觸發(fā)1.5ms脈寬的固定脈沖發(fā)生器。一路輸入觸發(fā)脈沖發(fā)生器，第三路送入脈寬比較電路。用齒輪盒輸出至RV1，控制可變寬度的脈沖發(fā)生器。這三種脈沖同時(shí)送到脈寬比較器后，一路確定電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的方向。另一路送給脈寬擴(kuò)展器，以控制伺服電機(jī)的速度，使得RV1迅速驅(qū)動(dòng)機(jī)械位置輸出跟隨輸入脈寬的任何變化。
上述伺服電機(jī)型常用于多路遙控系統(tǒng)。圖25示出了四路數(shù)字比例控制系統(tǒng)的波形圖。
從圖中可以看出是串行數(shù)據(jù)輸入，經(jīng)過(guò)譯碼器分出各路的控制信號(hào)。每一幀包含4ms的同步脈沖，緊接在后面的是四路可變寬度(1～2ms)順序的“路”脈沖。譯碼器將四路脈沖變換為并行形式，就能用于控制伺服電機(jī)。
3．?dāng)?shù)字伺服電機(jī)電路
數(shù)字伺服電機(jī)控制單元，可以買到現(xiàn)成的集成電路。例如ZN409CE或NE544N型伺服電機(jī)放大器集成電路。圖26和圖27示出了這兩種集成電路的典型應(yīng)用。
圖中元件值適用于輸入脈沖寬度為1～2ms，幀脈沖寬度大約為18ms的情況。
圖28是適用上述伺服電機(jī)型的通用測(cè)試電路。伺服電源電池通常為5V。輸入脈沖經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)的伺服插座送到伺服電路。幀脈沖的寬度為13—28ms;用RV1調(diào)節(jié)控制。RV2調(diào)節(jié)控制脈沖寬度在1—2ms之間。用RV4微調(diào)中間值為1.5ms.輸出電平由RV3進(jìn)行調(diào)節(jié)。
兩個(gè)集成電路為時(shí)基電路CMOS7555型，電源電壓可以低到3V仍然工作。IC1為無(wú)穩(wěn)多諧振蕩器，產(chǎn)生幀時(shí)間脈沖，它的輸出觸發(fā)IC2。而IC2是一個(gè)單穩(wěn)電路，產(chǎn)生輸出測(cè)試脈沖。
步進(jìn)電機(jī)的控制電路
四相步進(jìn)電機(jī)可用幾種專用的集成電路驅(qū)動(dòng)器，SAAl027是其中常用的一種，它的特點(diǎn)是工作電壓范圍寬9.5V～18V;輸出驅(qū)動(dòng)電流大，可達(dá)500mA。它適合作四相全步步進(jìn)電機(jī)的控制。圖4是SAAl027的外形和引腳功能圖。圖5(下面↓)是它的內(nèi)部原理方塊圖及基本應(yīng)用。
實(shí)際上，集成電路有三路緩沖輸入，每一個(gè)緩沖輸入都控制一個(gè)二位(四狀態(tài))的同步可逆計(jì)數(shù)器。它的輸出送到一個(gè)編碼變換器。然后用四路輸出，去控制輸出級(jí)的四個(gè)晶體管。輸出級(jí)以集電極開(kāi)路方式工作。電機(jī)的繞組線圈串入集電極。為防止反向電動(dòng)勢(shì)損壞晶體管，在繞組的兩端并聯(lián)一反向二極管。
要特別注意的是：集成電路13腳和12腳是流過(guò)大電流的引腳。而14腳和5腳流過(guò)小電流。在使用時(shí)5腳和12腳都要接地。通常正12V直接接到13腳，然后經(jīng) R1—C1去耦電路接到14腳。正電壓也必須經(jīng)Rx送到4腳。Rx的作用是決定四個(gè)晶體管的最大輸出驅(qū)動(dòng)電流的容量。Rx的大小可由下式計(jì)算;
Rx＝(4E／I)－6
式中E為電源電壓，I為所希望的電機(jī)最大相電流。當(dāng)用12V時(shí)，Rx值取420Ω、180Ω或78Ω)時(shí)，最大輸出電流分別為100mA、200mA、或350mA。
SAA1027集成電路有三個(gè)輸入控制端：計(jì)數(shù)、方式和復(fù)位。復(fù)位端通常是高電平。計(jì)數(shù)器每次從低電平到高電平的跳變，將使集成電路改變狀態(tài)。全部的工作狀態(tài)已由表3列出。
在任何時(shí)候，每隔四步時(shí)序重復(fù)一次。但是復(fù)位端為低電平時(shí)，可以復(fù)位到起始狀態(tài)。
當(dāng)方式控制輸入端為低電平時(shí)，在一個(gè)方向上(通常為順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng))順序重復(fù)。反之，方式控制端為高電平時(shí)，則在另一個(gè)方向上(反時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng))順序重復(fù)。
圖6是SAAl027的驅(qū)動(dòng)和試驗(yàn)電路。
這個(gè)電路用于混和型四相步進(jìn)電機(jī)，額定電流可達(dá)300mA。電機(jī)可用SW3進(jìn)行手工的單步試驗(yàn)，或者用SW2經(jīng)555/7555無(wú)穩(wěn)振蕩器進(jìn)行自動(dòng)步進(jìn)的試驗(yàn)。SW4可控制電機(jī)的方向。SW5用于復(fù)位控制試驗(yàn)。
用SW1和RV1電位器，可使無(wú)穩(wěn)電路的工作速度能在很寬的范圍內(nèi)變化。置位1檔時(shí)為低速控制，頻率范圍從5Hz—68Hz。SW2在2當(dāng)和3檔時(shí)，振蕩頻率分別為第1檔的10倍和100倍?？偟乃俣瓤刂品秶鷱?—8500轉(zhuǎn)/分。
圖6是一種基本電路。根據(jù)不同的使用場(chǎng)合，還有幾種變化。
圖7是一種步進(jìn)電機(jī)與微處理器的接口電路。
計(jì)算機(jī)或微處理器的輸出端口，通常終端驅(qū)動(dòng)電壓低于1V時(shí)，作為邏輯0狀態(tài);而高于3.5V時(shí)，作為邏輯1狀態(tài)。這種邏輯稱為正邏輯。不過(guò)圖7中電路與上述相反。因此，步進(jìn)電機(jī)輸入端從高電平向低電平轉(zhuǎn)換時(shí)，工作狀態(tài)改變。復(fù)位端用高電平復(fù)位。方式輸入端為低電平時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn);而高電平時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。
圖6電路設(shè)計(jì)最大輸出電流為300mA。
如果希望把電流擴(kuò)展5A，則采用圖8中的兩個(gè)電路。步進(jìn)電機(jī)的每相都需要外加驅(qū)動(dòng)電路，一個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)，需要增加四個(gè)這樣的附加電路。圖8(a))的電路用于驅(qū)動(dòng)電路，一個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)，需要增加四個(gè)這樣的附加電路。圖8(a)的電路用于驅(qū)動(dòng)四個(gè)完全獨(dú)立的繞組。圖8(b)的電路用于繞組具有公共點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)。D1和D2的作用是防止電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)損壞輸出級(jí)晶體管。
END
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