参考资料:
果果小师弟:H桥电机驱动电路详解
设备管理与维修 :值得一读的电机分类科普
1. 电机的分类![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/20201125202833606.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L21haG9vbjQxMQ==,size_16,color_FFFFFF,t_70#pic_center)
2. 部分电机介绍
2.1 直流有刷电机
直流有刷电机(Brushed DC,简称BDC),由于其结构简单,操控方便,成本低廉,具有良好的偏动和调速性能等优势,被广泛应用于各种动力器件中,小到玩具,按钮调节式汽车座椅,大到印刷机械等生产机械中都能看到它的身影。
直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组,产生电枢电流,电枢电流产生的磁场与主磁场相互作用产生电磁转矩,使电机旋转带动负载。
优点:价格低、控制方便
缺点:由于电刷和换向器的存在,有刷电机的结构复杂,可靠性差,故障多,维护工作量大,寿命短,换向火花易产生电磁干扰。
2.2 步进电机
步进电机就是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构;更通俗一点讲:当步进驱动器接收到个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。我们可以通过控制脉冲的个数来控制电机的角位移量,从而达到精确定位的目的;同时还可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。
优点:控制简单,低速扭矩大,成本低;
缺点:步进电机存在空载启动频率,所以步进电机可以低速正常运转,但若高于一定速度时就无法启动,并伴有尖锐的啸叫声;同时,步进电机是开环控制,控制精度和速度都没有伺服电机那么高。
2.3 伺服电机
伺服电机广泛应用于各种控制系统中,能将输入的电压信号(或者脉冲数)转换为电机轴上的机械输出量,拖动被控制元件,从而达到控制目的。伺服电机系统见下图。一般地,要求转矩能通过控制器输出的电流进行控制;电机的反应要快、体积要小、控制功率要小。伺服电机主要应用在各种运动控制系统中,尤其是随动系统。
伺服电机有直流和交流之分,最早的伺服电机是一般的直流有刷电机,在控制精度不高的情况下,才采用一般的直流电机做伺服电机。当前随着永磁同步电机技术的飞速发展,绝大部分的伺服电机是指交流永磁同步伺服电机或者直流无刷电机。
优点:可使控制速度,位置精度非常准确,效率高,寿命长。
缺点:控制复杂,价格昂贵,需要专业人士才能控制。
2.4 无刷直流电机
无刷直流电机【BLDCM】是在有刷直流电机的基础上发展来的,但它的驱动电流是不折不扣的交流。一般地,无刷电机的驱动电流有两种,一种是梯形波(方波),另一种是正弦一般的,把方波驱动的叫做无刷直流电机(BLDC);把正弦波驱动的叫做永磁同步电机(PMSM),这个实际上就是伺服电机。
无刷直流电机与伺服电机有类似的优缺点。BLDC电机比PMSM电机造价便宜一些,驱动控制方法简单一些。
3. 电机驱动电路介绍
3.1 直流电机驱动设计
直流电机旋转:给电机两根线供电,电机就可以旋转,给正电压,电机正转,给相反电压,电机反转;电压越大,电机转得越快,电压越小,转速也变小。
一般我们利用STM32单片机可以方便的调整电机速度,但STM32的IO接口电压和电流一般都是非常有限的,电压是3.3V,电流是8mA,所以为方便控制需要在微控制器和电机之间添加驱动电路板,该电机驱动板有两种输入线:电源输入线和控制信号输入线。电源输入线一般要求是可以提供电机额定电源的大电流电源,一般来说电机所需要的电压和额定电流是多少,那么就要给电机驱动板提供多大的电压和电流,它是给电机提供动力的来源。控制信号线与微控制器的信号线连接,是实现调速的方法,一般是PWM的可调方波信号。电机驱动板还有一个输出线,有两个接口,它与直流电机的引脚直接连接。注意,这里的电机驱动板输出线是在一系列电路之后才输出的,也就是通过输入信号调制后的输出线。电机控制都是必须有驱动器的。
如果不需要正反转控制(单向旋转),可以用下图驱动电路,实现电机单向控速。
电机的正反转控制电路如下图所示。这样简单的控制开关状态就可以控制电机的选择方向。从下图中可以看到,其形状类似于字母“H”,而作为负载的直流电机是像“桥”一样架在上面的;所以称之为“H桥驱动”。4个开关所在位置就称为“桥臂”。在电路中可以做电子开关的有三极管和MOS管。可以使用这两种器件代替开关从而实现。
- 当开关A和D闭合、B和C断开时直流电机正常旋转,记该旋转方向为正方向。
- 当开关B和C闭合、A和D断开时直流电机正常旋转,记该旋转方向为反方向。
- 当开关A和C闭合、B和D断开或者当开关B和D闭合、A和C断开时直流电机不旋转。此时可以认为电机处于“刹车”状态,电机惯性转动产生的电势将被短路,形成阻碍运动的反电势,形成“刹车”作用。
- 当开关A和B闭合或者当开关C和D闭合时直接电源短路,会烧毁电源,这种情况严禁出现。
- 当开关A、B、C和D四个开关都断开时候,认为电机处于“惰行”状态,电机惯性所产生的电势将无法形成电路,从而也就不会产生阻碍运动的反电势,电机将惯性转动较长时间。