【導(dǎo)讀】有刷直流電機的劃分是根據(jù)電機定子或者外殼中磁場的產(chǎn)生方式。定子磁場由定子中的繞組或永磁鐵產(chǎn)生。繞組見不同的連接方式產(chǎn)生不同的電動機。本文中深入探討了有刷直流電機的應(yīng)用及其相應(yīng)的控制方案,是工程師入門必知的應(yīng)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(gòu)造。圖中畫出的組件包括定子、轉(zhuǎn)子、電刷和換向器。定子和轉(zhuǎn)子磁場相互作用驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)。有刷直流電機的類型根據(jù)電機定子或外殼中磁場的產(chǎn)生方式來劃分。根據(jù)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(chǎn)生。對于后一種情況,定子繞組與轉(zhuǎn)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(fù)激電動機。
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單片機/電機控制實例
單片機設(shè)計中帶有內(nèi)建的外設(shè),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(nèi)建的外設(shè),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(nèi)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(qū)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(qū)動。第二個非常適合電機控制器的特點是可以產(chǎn)生頻率高達31.2 kHz的8位PWM信號。對于電機控制應(yīng)用來說,這一點很重要,因為低于20 kHz的頻率會導(dǎo)致電機產(chǎn)生人聽覺范圍內(nèi)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(wù)。
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(nèi)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(zhuǎn)速(RPM)。
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(zhuǎn)速(RPM)。電機轉(zhuǎn)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(yīng)FET關(guān)斷(OFF)即可以測量反向EMF電壓。這會產(chǎn)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(qū)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(jié)果的基礎(chǔ)上算出電流值和電機轉(zhuǎn)速?!?br />
此類應(yīng)用中使用的片上外設(shè)除ECCP模塊外,還有一個內(nèi)部10位模數(shù)轉(zhuǎn)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(yīng)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(qū)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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