实用电机大赏：各种直流电机的控制技术

来源：单片机及C语言学习

在现代电子产品中，自动控制系统，电子仪器设备、家用电器、电子玩具等等方面，直流电机都得到了广泛的应用。大家熟悉的录音机、电唱机、录相机、电子计算机等，都不能缺少直流电机。所以直流电机的控制是一门很实用的技术。本文将详细介绍各种直流电机的控制技术。

直流电机，大体上可分为四类：

第一类为有几相绕组的步进电机。这些步进电机，外加适当的序列脉冲，可使主轴转动一个精密的角度(通常在1.8°—7.5°之间)。只要施加合适的脉冲序列，电机可以按照人们的预定的速度或方向进行连续的转动。

步进电机用微处理器或专用步进电机驱动集成电路，很容易实现控制。例如常用的SAAl027或SAAl024专用步进电机控制电路。

步进电机广泛用于需要角度转动精确计量的地方。例如：机器人手臂的运动，高级字轮的字符选择，计算机驱动器的磁头控制，打印机的字头控制等，都要用到步进电机。

第二类为永磁式换流器直流电机，它的设计很简单，但使用极为广泛。当外加额定直流电压时，转速几乎相等。这类电机用于录音机、录相机、唱机或激光唱机等固定转速的机器或设备中。也用于变速范围很宽的驱动装置，例如：小型电钻、模型火车、电子玩具等。在这些应用中，它借助于电子控制电路的作用，使电机功能大大加强。

第三类为伺服电机，伺服电机是自动装置中的执行元件，它的最大特点是可控。在有控制信号时，伺服电机就转动，且转速大小正比于控制电压的大小，除去控制信号电压后，伺服电机就立即停止转动。伺服电机应用甚广，几乎所有的自动控制系统中都需要用到。

例如测速电机，它的输出正比于电机的速度；或者齿轮盒驱动电位器机构，它的输出正比于电位器移动的位置．当这类电机与适当的功率控制反馈环配合时，它的速度可以与外部振荡器频率精确锁定，或与外部位移控制旋钮进行锁定。

唱机或激光唱机的转盘常用伺服电机。天线转动系统，遥控模型飞机和舰船也都要用到伺服电机。

最后一类为两相低电压交流电机。这类电机通常是直流电源供给一个低频振荡器，然后再用低频低压的交流去驱动电机。这类电机偶尔也用在转盘驱动机构中。

电机工作原理

1、步进电机的基本工作原理

步进电机有两种基本的形式：可变磁阻型和混和型。步进电机的基本工作原理，结合图1的结构示意图进行叙述。

图1是一种四相可变磁阻型的步进电机结构示意图。这种电机定子上有八个凸齿，每一个齿上有一个线圈。线圈绕组的连接方式，是对称齿上的两个线圈进行反相连接，如图中所示。八个齿构成四对，所以称为四相步进电机。

它的工作过程是这样的：当有一相绕组被激励时，磁通从正相齿，经过软铁芯的转子，并以最短的路径流向负相齿，而其他六个凸齿并无磁通。为使磁通路径最短，在磁场力的作用下，转子被强迫移动，使最近的一对齿与被激励的一相对准。

在图1(a)中A相是被激励，转子上大箭头所指向的那个齿，与正向的A齿对准。从这个位置再对B相进行激励，如图1中的(b)，转子向反时针转过15°。若是D相被激励，如图1中的(c)，则转子为顺时针转过15°。下一步是C 相被激励。因为C相有两种可能性：A—B—C—D或A—D—C—B。一种为反时针转动；另一种为顺时针转动。

但每步都使转子转动15°。电机步长(步距角)是步进电机的主要性能指标之一，不同的应用场合，对步长大小的要求不同。改变控制绕组数(相数)或极数(转子齿数)，可以改变步长的大小。它们之间的相互关系，可由下式计算：

Lθ＝360 P×N

式中：Lθ为步长；P为相数；N为转子齿数。在图1中，步长为15°，表示电机转一圈需要24步。

2、混和步进电机的工作原理

在实际应用中，最流行的还是混和型的步进电机。但工作原理与图1所示的可变磁阻型同步电机相同。但结构上稍有不同。例如它的转子嵌有永磁铁。激励磁通平行于X轴。一般来说，这类电机具有四相绕组，有八个独立的引线终端，如图2a所示。或者接成两个三端形式，如图2b所示。每相用双极性晶体管驱动，并且连接的极性要正确。

图3所示的电路为四相混和型步进电机晶体管驱动电路的基本方式。它的驱动电压是固定的。表1列出了全部步进开关的逻辑时序。

值得注意的是，电机步进为1—2—3—4的顺序。在同一时间，有两相被激励。但是1相和2相，3相和4相绝对不能同时激励。

四相混和型步进电机，有一特点很有用处。它可以用半步方式驱动。就是说，在某一时间，步进角仅前进一半。用单个混合或用双向开关即可实现，这种逻辑时序由表2列出。

四相混和型步进电机，也能工作于比额定电压高的情况。这可以用串联电阻进行降压。因为1相和2相，3相和4相是不会同时工作的，所以每对仅一个降压电阻，串接在图3中的X和Y点之间。因此额定电压为6V的步进电机，就可以工作在12V的电源下。这时需串一个6W、6Ω的电阻。

3、两相电机驱动器

两相(交流)电机有时用作精密唱机的转盘。它是一种低电压型的同步机构。

图21为两相电机驱动器电路。这个电路能驱动8欧两相电机。每个绕组可达3瓦。频率在45Hz到65Hz。集成电路选用LM377双路3瓦音频功率放大器作驱动。电源用正负11V。

电路工作原理。集成电路的左半部分接成文氏桥振荡器，频率可调由RV1调节，频率可变范围45Hz—65Hz。振幅调节由RV2控制，灯泡LP1作稳定振幅用。IC1a的输出一路直接馈送电机的一相绕组。集成电路的另一半IC1b是作为85移相器用。C6、R6是85移相器。但是在60HZ时要乘以一个十倍的衰减因子，所以IC1b要乘以十倍的增益。电路稳定性经去耦网络C3—R4—R5，C4和C5保证。电机绕组与C8、C9所组成的谐振回路，调谐到中间频率值(55Hz)。

4、伺服电机

伺服电机是一种传统的电机。它是自动装置的执行元件。

伺服电机的最大特点是可控。在有控制信号时，伺服电机就转动，且转速大小正比于控制电压的大小。去掉控制电压后，伺服电机就立即停止转动。伺服电机的应用甚广，几乎所有的自动控制系统都需要用到。在家电产品中，例如录相机、激光唱机等都是不可缺少的重要组成部分。

1.简单伺服电机的工作原理

图22示出了伺服电机的最简单的应用。电位器RV1由伺服电机带动。电机可选用电流不超过700mA，电压为12～24V的任一种伺服电机。图中RV1 和RV2是接成惠斯登(Wheatstone)电桥。集成电路LM378是双路4瓦功率放大器，也以桥接方式构成电机驱动差分放大器。

当RV2的任意变化，都将破坏电桥的平衡，使RV1—RV2之间产生一差分电压，并且加以放大后送至电机。电机将转动，拖动电位器RV1到新的位置，使电桥重新达到新的平衡。所以说，RV1是跟踪了RV2的运动。

图23是用方块图形式，画出了测速传感器伺服电机系统，能用作唱机转盘精密速度控制的原理图。电机用传统的皮带机构驱动转盘。转盘的边缘，用等间隔反射条文图形结构。用光电测速计进行监视和检测。光电测速计的输出信号正比于转盘的转速。把光电测速计输出信号的相位和频率，与标准振荡器的相位和频率进行比较，用它的误差信号控制电机驱动电路。

因此，转盘的转速就精确地保持在额定转速上。额定转速的换档，可由操作开关控制。这些控制电路，已有厂家做成专用的集成电路。

2.数字比例伺服电机

伺服电机的最好类型之一，是用数字比例遥控系统。实际上这些装置是由三部份组成：采用集成电路、伺服电机、减速齿轮盒电位器机构。图24是这种系统的方块图。电路的驱动输入，是用周期为15ms而脉冲宽度为1～2ms的脉冲信号驱动。输入脉冲的宽度，控制伺服机械输出的位置。例如：1ms脉宽，位置在最左边；1.5ms在中是位置，2ms在最右边的位置。

每一个输入脉冲分三路同时传送。一路触发1.5ms脉宽的固定脉冲发生器。一路输入触发脉冲发生器，第三路送入脉宽比较电路。用齿轮盒输出至RV1，控制可变宽度的脉冲发生器。这三种脉冲同时送到脉宽比较器后，一路确定电机驱动电路的方向。另一路送给脉宽扩展器，以控制伺服电机的速度，使得RV1迅速驱动机械位置输出跟随输入脉宽的任何变化。

上述伺服电机型常用于多路遥控系统。图25示出了四路数字比例控制系统的波形图。

从图中可以看出是串行数据输入，经过译码器分出各路的控制信号。每一帧包含4ms的同步脉冲，紧接在后面的是四路可变宽度(1～2ms)顺序的“路”脉冲。译码器将四路脉冲变换为并行形式，就能用于控制伺服电机。

3.数字伺服电机电路

数字伺服电机控制单元，可以买到现成的集成电路。例如ZN409CE或NE544N型伺服电机放大器集成电路。图26和图27示出了这两种集成电路的典型应用。

图中元件值适用于输入脉冲宽度为1～2ms，帧脉冲宽度大约为18ms的情况。

图28是适用上述伺服电机型的通用测试电路。伺服电源电池通常为5V。输入脉冲经标准的伺服插座送到伺服电路。帧脉冲的宽度为13—28ms；用RV1调节控制。RV2调节控制脉冲宽度在1—2ms之间。用RV4微调中间值为1.5ms．输出电平由RV3进行调节。

两个集成电路为时基电路CMOS7555型，电源电压可以低到3V仍然工作。IC1为无稳多谐振荡器，产生帧时间脉冲，它的输出触发IC2。而IC2是一个单稳电路，产生输出测试脉冲。

步进电机的控制电路

四相步进电机可用几种专用的集成电路驱动器，SAAl027是其中常用的一种，它的特点是工作电压范围宽9.5V～18V；输出驱动电流大，可达500mA。它适合作四相全步步进电机的控制。图4是SAAl027的外形和引脚功能图。图5（下面↓）是它的内部原理方块图及基本应用。

实际上，集成电路有三路缓冲输入，每一个缓冲输入都控制一个二位(四状态)的同步可逆计数器。它的输出送到一个编码变换器。然后用四路输出，去控制输出级的四个晶体管。输出级以集电极开路方式工作。电机的绕组线圈串入集电极。为防止反向电动势损坏晶体管，在绕组的两端并联一反向二极管。

要特别注意的是：集成电路13脚和12脚是流过大电流的引脚。而14脚和5脚流过小电流。在使用时5脚和12脚都要接地。通常正12V直接接到13脚，然后经 R1—C1去耦电路接到14脚。正电压也必须经Rx送到4脚。Rx的作用是决定四个晶体管的最大输出驱动电流的容量。Rx的大小可由下式计算；

Rx＝(4E／I)－6

式中E为电源电压，I为所希望的电机最大相电流。当用12V时，Rx值取420Ω、180Ω或78Ω)时，最大输出电流分别为100mA、200mA、或350mA。

SAA1027集成电路有三个输入控制端：计数、方式和复位。复位端通常是高电平。计数器每次从低电平到高电平的跳变，将使集成电路改变状态。全部的工作状态已由表3列出。

在任何时候，每隔四步时序重复一次。但是复位端为低电平时，可以复位到起始状态。

当方式控制输入端为低电平时，在一个方向上(通常为顺时针转动)顺序重复。反之，方式控制端为高电平时，则在另一个方向上(反时针转动)顺序重复。

图6是SAAl027的驱动和试验电路。

这个电路用于混和型四相步进电机，额定电流可达300mA。电机可用SW3进行手工的单步试验，或者用SW2经555／7555无稳振荡器进行自动步进的试验。SW4可控制电机的方向。SW5用于复位控制试验。

用SW1和RV1电位器，可使无稳电路的工作速度能在很宽的范围内变化。置位1档时为低速控制，频率范围从5Hz—68Hz。SW2在2当和3档时，振荡频率分别为第1档的10倍和100倍。总的速度控制范围从6—8500转／分。

图6是一种基本电路。根据不同的使用场合，还有几种变化。

图7是一种步进电机与微处理器的接口电路。

计算机或微处理器的输出端口，通常终端驱动电压低于1V时，作为逻辑0状态；而高于3.5V时，作为逻辑1状态。这种逻辑称为正逻辑。不过图7中电路与上述相反。因此，步进电机输入端从高电平向低电平转换时，工作状态改变。复位端用高电平复位。方式输入端为低电平时，电机正转；而高电平时，电机反转。

图6电路设计最大输出电流为300mA。

如果希望把电流扩展5A，则采用图8中的两个电路。步进电机的每相都需要外加驱动电路，一个四相步进电机，需要增加四个这样的附加电路。图8(a))的电路用于驱动电路，一个四相步进电机，需要增加四个这样的附加电路。图8(a)的电路用于驱动四个完全独立的绕组。图8(b)的电路用于绕组具有公共点步进电机。D1和D2的作用是防止电机的反电动势损坏输出级晶体管。

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