直流電機是利用磁場和導體的相互作用將電能轉換為旋轉機械能的機電設備

電氣直流電機是連續執行器將電能轉換為機械能。直流電機通過產生連續角度旋轉來實現這一目的，該旋轉可用于旋轉泵，風扇，壓縮機，車輪等。

除了傳統的旋轉直流電機，還可以使用直線電機產生連續襯墊運動。基本上有三種類型的傳統電動機：AC型電動機，DC型電動機和步進電動機。

典型的小型直流電動機

交流電機通常用于大功率單相或多相工業應用中，需要恒定的旋轉扭矩和速度來控制風扇或泵等大負載。

在本電動馬達教程中，我們將僅介紹簡單的輕型直流電機和步進電機，它們用于許多不同類型的電子，位置控制，微處理器，PIC和機器人類型電路。

基本直流電機

直流電機或直流電機給它它的全稱，是最常用的用于產生連續運動的執行器，其旋轉速度可以很容易地控制，使其成為速度控制，伺服類型控制和/或定位等應用的理想選擇。直流電動機由兩部分組成，“定子”是靜止部分，“轉子”是旋轉部分。結果是基本上有三種類型的直流電機可用。

有刷電機 - 這種類型的電機產生一個通過使電流通過換向器和碳刷組件的繞線轉子（旋轉部分）中的磁場，因此稱為“刷”。定子（靜止部分）磁場通過使用繞線定子勵磁繞組或永磁體產生。通常有刷直流電機價格便宜，體積小，易于控制。

無刷電機 - 這種電機通過使用永久磁鐵在轉子中產生磁場通過電子方式實現換向和換向。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順序，但它們具有更好的扭矩/速度特性，更高效并且具有更長的使用壽命

伺服電機 - 這種類型的電機基本上是有刷直流電機，其某種形式的位置反饋控制連接到轉子軸。它們通過PWM型控制器連接和控制，主要用于位置控制系統和無線電控制模型。

普通直流電機幾乎具有線性特性，其旋轉速度由下式確定：施加的直流電壓和它們的輸出轉矩由流過電動機繞組的電流決定。任何直流電動機的旋轉速度可以從幾分鐘每分鐘（rpm）到數千轉每分鐘變化，使其適用于電子，汽車或機器人應用。通過將它們連接到變速箱或齒輪系，它們的輸出速度可以降低，同時高速增加電機的扭矩輸出。

“刷式”直流電機

傳統的有刷直流電機基本上由兩部分組成，電機的靜止體稱為定子，內部旋轉產生用于直流電機的運動稱為轉子或“電樞”

電機繞線定子是一個電磁鐵電路，由連接在一起的電線圈組成。圓形配置產生所需的北極然后是南極然后是北極等類型的固定磁場系統用于旋轉，不像交流電機的定子磁場連續旋轉所施加的頻率。在這些勵磁線圈內流動的電流稱為電動機勵磁電流。

形成定子磁場的這些電磁線圈可以與電動機電樞串聯，并聯或同時電連接（復合）。串聯繞組直流電動機的定子勵磁繞組與電樞串聯連接。串聯。同樣，并聯繞組直流電動機的定子勵磁繞組與電樞并聯如圖所示。

串聯和并聯直流電動機

直流電機的轉子或電樞由一端連接到電氣隔離銅段的載流導體組成，稱為換向器。當電樞旋轉時，換向器允許通過碳刷（因此稱為“刷”電機）與外部電源進行電連接。

轉子設置的磁場試圖與自身對齊靜止的定子磁場使轉子在其軸上旋轉，但由于換向延遲而無法對齊。電動機的轉速取決于轉子磁場的強度，并且轉子旋轉得越快，施加到電動機的電壓越大。通過改變施加的直流電壓，電動機的轉速也可以改變。

常規（刷式）直流電機

永磁（PMDC）有刷直流電機一般多比它的等效繞線定子型直流電動機表兄弟更小更便宜，因為它們沒有勵磁繞組。在永磁直流（PMDC）電機中，這些勵磁線圈被強稀土（即Samarium Cobolt或釹鐵硼）磁體取代，這些磁體具有非常高的磁場。

永磁體的使用給出了直流電機比等效繞線電機具有更好的線性速度/轉矩特性，因為它具有永久性且有時非常強的磁場，因此更適合用于模型，機器人和伺服電機。

雖然直流電刷電動機非常有效且便宜，與有刷直流電動機相關的問題是在換向器和碳刷的兩個表面之間的重負載條件下發生火花，導致自發熱，壽命短和由于火花引起的電噪聲，這可以損壞任何半導體開關器件，例如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）非常類似于永磁直流電機，但由于換向器點火而沒有任何刷子更換或磨損。因此，轉子中產生的熱量很少，從而增加了電動機的壽命。無刷電機的設計通過使用更復雜的驅動電路消除了對電刷的需求，如果轉子磁場是永磁體，它總是與定子磁場同步，允許更精確的速度和轉矩控制。

然后無刷直流電機的結構與交流電機非常相似，使其成為真正的同步電機，但缺點是它比同等的“拉絲”電機設計更貴。

無刷直流電動機的控制與普通有刷直流電動機非常不同，因為這種類型的電動機包含一些裝置來檢測產生控制半導體開關裝置所需的反饋信號所需的轉子角位置（或磁極）。 。最常見的位置/極傳感器是“霍爾效應傳感器”，但有些電機也使用光學傳感器。

使用霍爾效應傳感器，電磁鐵的極性由電機控制驅動電路切換。然后，電機可以輕松地與數字時鐘信號同步，從而提供精確的速度控制。無刷直流電機可以構造成具有外部永磁轉子和內部電磁鐵定子或內部永磁轉子和外部電磁鐵定子。

無刷直流電機的優點與其“拉絲”表兄相比，它具有更高的效率，高可靠性，低電噪聲，良好的速度控制，更重要的是，沒有電刷或換向器磨損產生更高的速度。然而它們的缺點是它們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型應用輸出電機軸的位置是否反饋到電機控制電路。典型的位置“反饋”設備包括無線電控制模型中使用的旋轉變壓器，編碼器和電位計，如飛機和船只等。

伺服電機通常包括一個內置齒輪箱，用于減速并且能夠提供高扭矩直接。由于安裝了變速箱和反饋裝置，伺服電機的輸出軸不會像直流電機的軸那樣自由旋轉。

直流伺服電機方框圖

伺服電機由直流電機，減速箱，位置反饋裝置和某種形式的糾錯裝置組成。相對于施加到設備的位置輸入信號或參考信號控制速度或位置。

RC伺服電機

錯誤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，并確定電機輸出軸是否處于錯誤狀態，如果是，則控制器進行適當的修正要么加速電動機要么減慢電動機速度。這種對位置反饋裝置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，伺服電機也用于小型遙控模型和機器人，大多數伺服電機能夠在兩個方向上旋轉約180度，使其成為精確角度定位的理想選擇。然而，除非經過特殊修改，否則這些RC型伺服電機不能像傳統的直流電機那樣高速連續旋轉。

伺服電機由一個包裝中的多個設備組成，電機，變速箱，反饋裝置和糾錯裝置用于控制位置，方向或速度。它們廣泛用于機器人和小型模型，因為它們只需使用三根電線即可輕松控制，電源，接地和信號控制。

直流電機切換和控制

小型直流電機可通過開關，繼電器，晶體管或MOSFET電路“開”或“關”切換，最簡單的電機控制形式為“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，需要更高的額定電流）來控制單個電源的電機。

通過改變基座的數量例如，如果晶體管在“中途”接通，則流入晶體管的電流可以控制電動機的速度，那么只有一半的電源電壓流向電動機。如果晶體管“完全導通”（飽和），則所有電源電壓都會進入電機并且旋轉得更快。然后，對于這種線性控制類型，電源將持續傳送到電機，如下所示。

電機速度控制

上面的簡單開關電路顯示了單向（僅一個方向）電機速度控制電路的電路。由于直流電機的轉速與其兩端的電壓成正比，我們可以使用晶體管調節該端電壓。

兩個晶體管作為達林頓對連接，以控制主電樞電流。電機。 5kΩ電位計用于控制第一個導頻晶體管 TR 1 的基極驅動量，進而控制主開關晶體管， TR 2 允許電機的直流電壓從零變為Vcc，在本例中為9至12伏。

可選的續流二極管連接在開關晶體管， TR 2 和電機端子上，以防止電機旋轉時產生的任何反電動勢。可調電位器可以用連續邏輯“1”或邏輯“0”信號代替，直接施加到電路輸入端，分別將電機“完全接通”（飽和）或“完全斷開”（切斷）切換。從微控制器或PIC的端口。

除了這個基本的速度控制，同樣的電路也可以用來控制電機的轉速。通過以足夠高的頻率反復切換電機電流“ON”和“OFF”，電機的速度可以通過改變其標記 - 空間比率在靜止（0 rpm）和全速（100％）之間變化。供應。這是通過將“ON”時間（t ON ）的比例改為“OFF”時間（t OFF ）來實現的，這可以通過一個稱為脈沖寬度調制。

脈沖寬度速度控制

我們之前說過，直流電機的轉速與其端子上的平均（平均）電壓值成正比，如果該值超過最大允許電動機電壓，則電動機旋轉得越快。換句話說，更多電壓更快。通過改變“ON”（t ON ）時間與“OFF”（t OFF ）持續時間之間的比率，稱為“占空比”，“Mark /空間比“或”占空比“，電動機電壓的平均值以及因此其轉速可以改變。對于簡單的單極驅動器，占空比β給出如下：

和輸入電動機的平均直流輸出電壓如下： Vmean =β×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，這種控制稱為脈沖寬度調制或PWM。

另一種控制電機轉速的方法是在“ON”和“OFF”任務時改變頻率（以及控制電壓的時間周期）比率時間保持不變。這種控制稱為脈沖頻率調制或PFM。

利用脈沖頻率調制，通過施加可變頻率的脈沖來控制電動機電壓，例如，以低頻率或以非常少的脈沖施加到電動機的平均電壓低，因此電動機速度慢。在更高的頻率或更多的脈沖下，平均電機端電壓增加，電機速度也會增加。

然后，晶體管可用于控制施加到直流電機的電量。操作模式為“線性”（改變電機電壓），“脈沖寬度調制”（改變脈沖寬度）或“脈沖頻率調制”（改變脈沖頻率）。

反轉直流電機的方向

雖然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，旋轉方向總是相同的，它是“單向的” “電路。在許多應用中，我們需要向前和向后兩個方向操作電機。

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，使其軸可以向相反方向旋轉。控制直流電機旋轉方向的一種非常簡單且便宜的方法是使用以下列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，使用四個單極單擲（SPST）開關，按“H”配置排列。

機械開關按開關排列，必須在特定組合，以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 使電機端子短路，導致其快速制動。但是，以這種方式使用開關會產生危險，因為操作開關 A + C 或 B + D 會導致電源短路。

上面的兩個電路對于大多數小型直流電機應用都能很好地工作，我們真的想要操作不同的機械開關組合，只是為了反轉電機的方向，不！我們可以更換一套機電繼電器的手動開關，并有一個正向反向按鈕或開關，甚至可以使用固態CMOS 4066B四邊形雙向開關。

但另一種實現雙向的好方法控制電機（及其速度）是將電機連接到晶體管H橋型電路布置，如下所示。

基本雙向H橋電路

上面的H橋電路，之所以如此命名是因為基本的四個開關的配置，電子機械繼電器或晶體管類似字母“H”，電機位于中心桿上。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 ，晶體管成對切換在一起以控制電機。

控制輸入 A 在一個方向上操作電機，即正向旋轉，而輸入 B 在另一個方向上操作電機，即反向旋轉。然后通過在它們的“對角線對”中切換晶體管“ON”或“OFF”導致電機的方向控制。

例如，當晶體管 TR1 為“ON”時晶體管 TR2 為“OFF”，點 A 連接到電源電壓（+ Vcc），如果晶體管 TR3 為“OFF”且晶體管 TR4 為“ON”點 B 連接到0伏（GND）。然后電機將沿一個方向旋轉，對應電機端子 A 為正，電機端子 B 為負。

如果開關狀態反轉則 TR1 為“OFF”， TR2 為“ON”， TR3 為“ON”且 TR4 為“ OFF“，電機電流現在將沿相反方向流動，導致電機反方向旋轉。

然后，通過將相反的邏輯電平“1”或“0”應用于輸入 A 和 B ，可以如下控制電機旋轉方向。

H橋真值表

重要的是不允許其他輸入組合，因為這可能導致電源短路，即兩個晶體管， TR1 和 TR2 切換為“ON” “同時，（fuse = bang！）。

與上面所示的單向直流電機控制一樣，電機的轉速也可以用脈沖寬度調制或PWM。然后通過將H橋切換與PWM控制相結合，可以精確控制電機的方向和速度。

商用現貨解碼器IC，如SN754410 Quad Half H-Bridge IC或L298N具有2個H橋，可提供內置的所有必要控制和安全邏輯，專為H橋雙向電機控制電路而設計。

直流步進電機

與上述直流電機類似，步進電機也是將脈沖數字輸入信號轉換為離散（增量）機械運動的機電執行器，廣泛用于工業控制應用。步進電機是一種同步無刷電機，它沒有帶換向器和碳刷的電樞，但有一個由許多轉子組成的轉子，有些類型有數百個永久磁齒和一個帶有單獨繞組的定子。

步進電機

顧名思義，步進電機不像傳統直流電機那樣以連續方式旋轉但是以離散的“步進”或“增量”移動，每個旋轉運動或步長的角度取決于步進電機具有的定子極和轉子齒的數量。

由于它們的離散步進操作，步進電機可以很容易地旋轉一次有限的旋轉，例如1.8,3.6,7.5度等。例如，假設步進電機完成一整圈（360 o in正好100步。

然后電機的步進角度為360度/ 100步=每步3.6度。這個值通常是kno作為步進電機步進角。

步進電機有三種基本類型，可變磁阻，永磁體和混合（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，反向和速度控制的快速響應以及步進電機的另一個關鍵特性的應用，它能夠保持一旦達到要求位置，負載就會穩定。

通常，步進電機的內轉子帶有大量永磁“齒”，并在定子上安裝了許多電磁鐵“齒”。定子電磁鐵依次極化和去極化，使轉子一次旋轉“一步”。

現代多極多齒步進電機每步精度小于0.9 degs （每轉400個脈沖），主要用于高精度定位系統，如用于軟盤/硬盤驅動器，打印機/繪圖儀或機器人應用中的磁頭。最常用的步進電機是每轉200步進電機。它有一個50齒轉子，4相定子和1.8度的步進角（360度/（50×4））。

步進電機的構造和控制

在我們上面的可變磁阻步進電機的簡單示例中，電機由一個中心轉子組成，周圍有四個標有 A的電磁場線圈， B ， C 和 D 。所有具有相同字母的線圈連接在一起，以便激勵，例如標記為 A 的線圈將使磁轉子與該組線圈對齊。

通過依次向每組線圈供電，可以使轉子從一個位置旋轉或“步進”一個角度，該角度由其步進角構造確定，并且通過依次激勵線圈，轉子將產生旋轉運動。

步進電機驅動器通過以設定順序激勵勵磁線圈來控制電機的步進角和速度，例如“ ADCB，ADCB，ADCB，A ... “等，轉子將向一個方向（向前）旋轉，并通過將脈沖序列反轉為” ABCD，ABCD，ABCD，A ... “等，轉子將在相反方向旋轉方向（反向）。

所以在我們上面的簡單示例中，步進電機有四個線圈，使其成為一個四相電機，定子上的極數為8（2 x 4）間隔45度。轉子上的齒數是六個，相隔60度。

然后有24個（6個齒x 4個線圈）可能的位置或“步驟”，轉子完成一整圈。因此，上面的步角如下： 360 o / 24 = 15 o 。

顯然，越多轉子齒和/或定子線圈將導致更多的控制和更精細的步進角。另外，通過以不同的配置連接電動機的電線圈，可以實現全角度，半角度和微步角。然而，為了實現微步進，步進電機必須由（準）正弦電流驅動，這種電流實施起來很昂貴。

也可以通過改變來控制步進電機的旋轉速度施加到線圈的數字脈沖之間的時間延遲（頻率），延遲越長，一整圈的速度越慢。通過向電機施加固定數量的脈沖，電機軸將旋轉一個給定的角度。

使用延時脈沖的優點是不需要任何形式的額外反饋，因為計算給予電動機的脈沖數，確切地知道轉子的最終位置。對一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，使其控制更容易和更便宜。

例如，假設我們的步進電機具有以上功能每步的步距為3.6德。要使電機旋轉216度，然后再次停在需要位置，只需要總共： 216度/（3.6度/步）= 80脈沖應用于定子線圈。

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。一個這樣的控制器IC是SAA1027，它內置了所有必要的計數器和代碼轉換功能，可以按正確的順序自動驅動4個完全控制的電橋輸出到電機。

旋轉方向可以也可以在所選方向上選擇單步模式或連續（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，每步也可以256步微步

SAA1027步進電機控制芯片

在本教程中關于旋轉執行器，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，可用作定位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，我們將繼續我們的外觀在稱為執行器的輸出設備上，特別是使用電磁再次將電信號轉換為聲波的設備。我們將在下一個教程中看到的輸出設備類型是揚聲器。