有刷直流電機

有刷直流電機的工作原理圖如圖2-1所示。在有刷直流電機的固定部分有磁鐵，這裏稱作主磁極;固定部分還有電刷。轉動部分有環形鐵芯和繞在環形鐵芯上的繞組。

圖2-1所示的兩極有刷直流電機的固定部分(定子)上裝設了一對直流勵磁的靜止的主磁極N和S，在旋轉部分(轉子)上裝設電樞鐵芯。定子與轉子之間有一氣隙。在電樞鐵芯上放置了由A和X兩根導體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片。換向片之間互相絕緣，由換向片構成的整體稱為換向器。換向器固定在轉軸上，換向片與轉軸之間亦互相絕緣。在換向片上放置着一對固定不動的電刷B1和B2，當電樞旋轉時，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通 ^[1]  。

①有刷盤式繞組電機。有刷盤式繞組電機以稀土材料粘結在一缸體上，漆包銅線繞成的盤式繞組置於缸體之內，構成轉子。電機相位靠機械式換相器調整。機械式換相器是靠固定的炭制電刷與轉動的銅製換相面摩擦來調整電壓相位的。這種電機在使用中電刷一直在磨損，電機的壽命很難超過2000h。同時，由於電機的轉速較高，必須採取兩級齒輪減速，這就帶來了兩個問題，一是噪聲較大，二是效率損失大，經減速後的電機額定效率往往只能達到68%～72%。而電動自行車所用的蓄電池的容量是有限的，一般就是36V/12Ah的容量，如電機效率不高，將使電耗增加，影響續行里程。

②有刷印製繞組電機。有刷印製繞組電機以印製銅箔板作為繞組，電機重量減輕了。由於這種電機全部是在自動生產線上生產的，工藝有可靠保證，從而使電機的壽命提高到3000h，噪聲大幅度下降，效率提高到72%～76%。但這種電機有“嗡嗡”的高頻噪聲，靠齒輪減速後效率仍不理想，有刷換相器的使用使電機壽命無法再提高。

③有刷壓制繞組電機。這種電機通過將繞制好的銅線壓制成一種新型繞組，其效率可提高到74%～78%。這種電機仍然被較多電動自行車廠家採用，但其存在的效率、噪聲、壽命缺陷仍然是必須改進的問題。

輪轂式有齒輪傳動的有刷直流電機，由盤形電樞有刷電機和齒輪減速兼傳動系統兩部分構成。盤形電樞是高速轉動的轉子。輪毅式有齒輪傳動的有刷直流電機的構造如圖2-2所示。電機的轉矩通過軸傳遞給第一級齒輪，經齒輪減速帶動輪轂外殼轉動 ^[2]  。

有刷有齒輪轂電機的盤形電樞是薄片形，體積很小，重量特輕，安裝方便。繞組編制好之後，用樹脂加玻璃纖維放進模內熱壓成型，在運行中由於電刷和換向器摩擦，又有齒輪齧合減速，所以有刷電機的運行聲音比無刷電機聲音要大。

為了適應輪轂結構，將有刷電機設計成電樞放在外邊作為轉子，磁鋼放在電機之內作為定子，多塊磁鋼配多個繞組，設計轉速為180r/min左右的低速電機。圖2-3(a)所示為電機外轉子中尚未經過壓力整形的電樞繞組，，在繞組以內是呈平面環狀整齊排列的換向片。圖2-3(b)所示的是放在外轉子內的間隔排列着10塊磁鋼的定子，在中間的轂板上開有兩個孔，電刷的刷握就設在孔的背側，電刷帶着導線被彈簧從刷握中彈出。

有刷電機的定子軸端套有一個螺母，其作用是防止在加工中損傷軸上的螺紋。把電刷整理好裝入刷握中，然後將這一端送進圖2-3(a)所示的孔中，電刷就可以接觸換向器平面，藉助彈簧的彈力對換向器壓緊，而磁鋼正好進入外轉子繞組中，只留一個很小的環形氣隙。這個環形氣隙的直徑越大，電機產生的轉矩也越大。

由於有刷電機在設計中的改進，無須齒輪減速，可實現低噪聲、低成本。很多低價位的電動自行車廣泛採用了這種電機。但這種電機扭矩小，載重負荷小，爬坡能力不佳，使用時耗電較多，仍然採用機械式的電刷換相器，電機壽命問題尚未得到解決，因此中高檔電動自行車均未採用這種電機。

圖1給出了一個簡單BDC電機的結構。所有BDC 電機的基本組件都是一樣的：定子、電刷和換向器。後面將更詳細地介紹每個組件.

定子會在轉子周圍產生固定的磁場。這一磁場可由永磁體或電磁繞組產生。BDC電機的類型由定子的結構或電磁繞組連接到電源的方式劃分 （欲知BDC電機的不同類型請參見步進電機的類型）。

轉子（也稱為電樞）由一個或多個繞組構成。當這些繞組受到激勵時，會產生一個磁場。轉子磁場的磁極將與定子磁場的相反磁極相吸引，從而使定子旋轉。在電機旋轉過程中，會按不同的順序持續激勵繞組，因此轉子產生的磁極絕不會與定子產生的磁極重疊。轉子繞組中磁場的這種轉換被稱為換向 ^[1]  。

與其他電機類型 （即，無刷直流電機和交流感應電機）不同，BDC電機不需要控制器來切換電極繞組中電流的方向，而是通過機械的方式完成BDC電機繞組的換向。在BDC電機的轉軸上安裝有一個分片式銅套，稱為換向器。隨着電機的旋轉，碳刷會沿着換向器滑動，與換向器的不同分片接觸。這些分片與不同的轉子繞組連接，因此，當通過電機的電刷上電時，就會在電機內部產生動態的磁場。注意電刷和換向器由於兩者之間存在相對滑動，因而是BDC電機中最容易損耗的部分，這一點很重要。

永磁體有刷直流 （Permanent Magnet Brushed DC ，PMDC）電機是世界上最常見的BDC電機。這類電機使用永磁體產生定子磁場。PMDC電機通常用在包括分馬力電動機在內的應用中，這是因為永磁體比繞組定子具有更高的成本效益。PMDC電機的缺點是永磁體的磁性會隨着時間的推移逐漸衰退。 某些PMDC電機的永磁體上還繞有繞組，以防止磁性丟失的情況發生。PMDC電機的性能曲線 （電壓與速度關係曲線）的線性非常好。電流與轉矩成線性關係。由於定子磁場是恆定的，所以這類電機對電壓變化的響應非常快。

並激有刷直流（Shunt-wound Brushed DC，SHWDC）電機的勵磁線圈與電樞並聯 。勵磁線圈中的電流與電樞中的電流相互獨立。因此，這類電機具有卓越的速度控制能力。SHWDC電機通常用在需要五個或五個以上馬力的應用中。在SHWDC電機中，不會出現磁性丟失的問題，因此它們通常比PMDC電機更加可靠。

串激有刷直流 （Series-wound Brushed DC，SWDC）電機的勵磁線圈與電樞串聯。由於定子和電樞中的電流均隨負載的增加而增加，因此這類電機是大轉矩應用的理想之選。SWDC電機的缺點是它不能像PMDC和SHWDC電機那樣對速度進行精確控制。

復激 （Compound Wound，CWDC）電機是並激和串激電機的結合體。CWDC電機可產生串激和並激兩種磁場。CWDC電機綜合了SWDC和SHWDC電機的性能，它具有比SHWDC電機更大的轉矩，又能提供比SWDC電機更佳的速度控制 ^[2]  。

驅動電路用在使用了某類控制器並且要求速度控制的應用中。驅動電路的目的是為控制器提供改變BDC電機中繞組電流的方法。驅動電路允許控制器對BDC電機的供電電壓進行脈寬調製。就功耗來説，這樣的速度控制方法在改變BDC電機的速度方面比起傳統的模擬控制方法效率要高很多。傳統的模擬控制要求與電機繞組串聯一個額外的變阻器，這樣會降低效率。驅動BDC電機的方法多種多樣。 有些應用場合僅要求電機往一個方向運轉。前者採用低端驅動，後者採用高端驅動。 使用低端驅動的優點是可以不必使用FET驅動器。FET驅動器的用途是：

1. 將驅動MOSFET的TTL信號轉換為供電電壓的電平。

2. 提供足以驅動MOSFET的電流(1)

3. 提供半橋應用中的電平轉換。

對於絕大多數PIC®單片機應用，第二點通常不適用，這是因為PIC單片機的I/O引腳可提供20 mA的拉電流。

注意，在每個電路中，電機的兩端都跨接有一個二極管，目的是防止反電磁通量（Back ElectromagneticFlux，BEMF）電壓損壞MOSFET。BEMF是在電機轉動過程中產生的。 當MOSFET關斷時，電機的繞組仍然處於通電狀態，會產生反向電流。D1必須具有合適的額定值，以能夠消耗這一電流。

BDC電機的雙向控制需要一個稱為H橋的電路。H橋的得名緣於其原理圖的外觀，它能夠使電機繞組中的電流沿兩個方向運動。要理解這一點，H橋必須被分為兩個部分，或兩個半橋。 Q1和Q2構成一個半橋，而Q3和Q4構成另一個半橋。每個半橋都能夠控制BDC電機一端的導通與關斷，使其電勢為供應電壓或地電位。例如，當Q1導通，Q2關斷時，電機的左端將處於供電電壓的電勢。導通Q4，保持Q3關斷將使電機的相反端接地。標註有箭頭的IFWD顯示了該配置下電流的流向。

注意，每個MOSFET的兩端都跨接有一個二極管（D1-D4）。這些二極管保護MOSFET免遭MOSFET關斷時由BEMF產生的電流尖峯的破壞。只有在MOSFET內部的二極管不足以消耗BEMF電流時，才需要這些二極管。電容 （C1-C4）是可選的。 這些電容的值通常不大於10pF，它們用於減少由於換向器起拱產生的RF輻射。

在前向和後向模式中，橋的一端處於地電勢，另一端處於VSUPPLY。IFWD和IRVS箭頭分別描繪了前向和後向運行模式的電路路徑。在慣性滑行 （Coast）模式中，電機繞組的接線端保持懸空，電機靠慣性滑行直至停轉。 剎車（Brake）模式用於快速停止BDC電機。 在剎車模式下，電機的接線端接地。當電機旋轉時，它充當一個發電機。將電機的引線短路相當於電機帶有無窮大負載，可使電機快速停轉。IBRK箭頭描繪了這一點，設計H橋電路時，必須要考慮到一個非常重要的事項。當電路的輸入不可預測 （比如單片機啓動過程中）時，必須將所有的MOSFET偏置到關斷狀態。 這將確保H橋每個半橋上的MOSFET絕不會同時導通。 同時導通同一個半橋上的MOSFET將導致電源短路，最終導致損壞MOSFET，致使電路無法工作。每個MOSFET驅動器輸入端上的下拉電阻將實現該功能 ^[1]  。

BDC電機的速度與施加給電機的電壓成正比。當使用數控技術時，脈寬調製 （PWM）信號被用來產生平均電壓。電機的繞組充當一個低通濾波器，因此具有足夠頻率的PWM信號將會在電機繞組中產生一個穩定的電流。平均電壓、供電電壓和佔空比的關係由以下公式給出：

公式1：VAVERAGE= D ×VSUPPLY

速度和佔空比之間成正比關係。例如，如果額定BDC電機在12V時以轉速15000 RPM旋轉，則當給電機施加佔空比為50%的信號時，則電機將 （理想情況下）以7500 RPM的轉速旋轉。PWM信號的頻率是考慮的重點。頻率太低會導致電機轉速過低，噪音較大，並且對佔空比變化的響應過慢。

頻率太高，則會因開關設備的開關損耗而降低系統的效率。經驗之談是在4 kHz至20 kHz範圍內，調製輸入信號的頻率。這個範圍足夠高，電機的噪音能夠得到衰減，並且此時MOSFET（或BJT）中的開關損耗也可以忽略。一般來説，針對給定的電機用實驗的辦法找到滿意的PWM頻率是一個好辦法。如何使用PIC單片機來產生控制BDC電機速度的PWM信號？一個方法是通過編寫專門的彙編或C代碼來交替翻轉輸出引腳的電平(1)。另一個方法是選擇帶有硬件PWM模塊的PIC單片機。Microchip提供的具有該功能的模塊為CCP和ECCP模塊。許多PIC單片機都具有CCP和ECCP模塊。請參見產品選型指南瞭解具有這些功能模塊的器件。

注 1：Microchip的應用筆記AN847給出了使用固件對I/O 引腳進行脈寬調製的彙編代碼例程。

CCP模塊 （捕捉比較和PWM（Capture Compare和PWM）的英文縮寫）能夠在一個I/O引腳上輸出分辨率為10位的PWM信號。10位分辨率意味着模塊可以在0%至100%的範圍內實現2¹⁰（即1024）個可能的佔空比值。使用該模塊的優點是它能在I/O 引腳上自主產生PWM信號，這樣解放了處理器，使之有時間完成其他任務。CCP模塊僅要求開發者對模塊的參數進行配置。 配置模塊包括設置頻率和佔空比寄存器。ECCP模塊 （增強型捕捉比較和PWM（EnhancedCapture Compare和PWM）的英文縮寫）不僅能提供CCP模塊的所有功能，還可以驅動全橋或半橋電路。ECCP模塊還具有自動關斷功能和可編程死區延時。

注： Microchip的應用筆記AN893給出了配置ECCP模塊來驅動BDC電機的詳細説明。該應用筆記中還包含有固件和驅動電路示例。

雖然BDC電機的速度一般與佔空比成正比，但不存在完全理想的電機。發熱、換向器磨損以及負載均會影響電機的速度。 在需要精確控制速度的系統中引入某種反饋機智是個好注意。速度控制可以兩種方式實現。第一種方式是使用某種類型的速度傳感器。第二種方式是使用電機產生的BEMF電壓 ^[2]  。

有多種傳感器可用於速度反饋。最常見的是光學編碼器和霍爾效應傳感器。 光學編碼器由多個組件組成。在電機非驅動端的軸上安裝一個槽輪。一個紅外LED在輪的一側提供光源，一個光電晶體管在輪的另一側對光線進行檢測。 通過輪中槽隙的光線會使光電晶體管導通。轉軸轉動時，光電晶體管會隨着光線通過輪槽與否導通和關斷。晶體管通斷的頻率表徵電機的速度。在電機發生移位的應用中，還將使用光學編碼器來反饋電機位置。

霍爾效應傳感器也被用來提供速度反饋。與光學編碼器類似，霍爾效應傳感器需要電機上連有一個旋轉元件，並且還需要一個靜止元件。旋轉元件是一個外緣安裝有一個或多個磁體的轉輪。靜止的傳感器檢測經過的磁體，併產生TTL脈衝。

提供BDC電機的快速反饋的另一種形式是BEMF電壓測量。BEMF電壓和速度成正比。 圖11顯示了在雙向驅動電路中測量BEMF電壓的位置。一個分壓器用於使BEMF電壓下降到0-5V範圍內，這樣才能被模數轉換器讀取。BEMF電壓是在PWM脈衝之間，當電機的一端懸空而另一端接地時測量的。在這種情況下，電機充當發電機，並且產生與速度成正比的BEMF電壓。

由於效率和材料不同，所有BDC電機的行為會略有不同。實驗是確定給定電機速度下BEMF電壓的最好方法。 電機轉軸上的反射帶有助於數字轉速計測量電機的轉速（單位為RPM）。在讀取數字轉速計時測量BEMF電壓將獲取電機速度和BEMF電壓的關係。

注： Microchip的應用筆記AN893提供了使用PIC16F684讀取BEMF電壓的固件和電路示例。

與同步電機不同，由於直流電機的定子和轉子、即主磁極和電樞流經的都是直流電流，因此主磁極勵磁繞組既可與電樞繞組並聯、也可與電樞繞組串聯、也可單獨由其它直流電源供電。根據主磁極勵磁電流的獲得方式不同，稱之為不同的勵磁方式。

有刷直流電機的使用和控制都非常簡便，因此它的設計週期較短。PIC單片機，特別是具有CCP或ECCP模塊的單片機是驅動BDC電機的理想之選 ^[3]  。