直流电机、伺服电机控制电路专辑

按:直流电机在家用电器、电子仪器设备、电子玩具、录相机及各种自动控制中都有广泛的应用。但对它的使用和控制,很多读者还不熟悉,而且其技术资料亦难于查找。直流电机控制电路集锦,将使读者“得来全不费功夫”! 　　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。
　　站长的几句说明:本文内容比较详实完整,但遗憾的是原稿的印刷质量和绘图的确很差,尽管采取了很多措施,有些图仍可能看不太清楚。
　　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。
　　第三类是所谓的伺服电机,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。

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。
　　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。

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。

永磁式换向器直流电机,是应用很广泛的一种。只要在它上面加适当电压。电机就转动。图9是这种电机的符号和简化等效电路。
　　工作原理

　　这种电机由定子、转子、换向器(又称整流子)、电刷等组成,定子用作产生磁场。转于是在定子磁场作用下,得到转矩而旋转起来。换向器及时改变了电流方向,使转子能连续旋转下去。也就是说,直流电压加在电刷上,经换向器加到转子线圈,流过电流而产生磁场,这磁场与定子的固定磁场作用,转子被强迫转动起来。当它转动时,由于磁场的相互作用,也将产生反电动势,它的大小正比于转子的速度,方向和所加的直流电压相反。图9(b)给出了等效电路。Rw代表转子绕组的总电阻,E代表与速度相关的反电动势。
　　永磁式换流器电机的特点
　　.当电机负载固定时,电机转速正比于所加的电源电压。
　　.当电机直流电源固定时,电机的工作电流正比于转予负载的大小。
　　.加于电机的有效电压,等于外加直流电压减去反电动势。因此当用固定电压驱动电机时,电机的速度趋向于自稳定。因为负载增加时,转子有慢下来的倾向,于是反电动势减少,而使有效电压增加,反过来又将使转子有快起来的倾向,所以总的效果使速度稳定。
　　.当转子静止时,反电动势为零,电机电流最大。其最大值等于V/Rw(这儿V是电源电压)。最大.电流出现在刚起动的条件。
　　.转子转动的方向,可由电机上所加电压的极性来控制。
　　.体积小,重量轻。起动转矩大。
　　由于具备上述的那些特点,所以在医疗器械、小型机床、电子仪器、计算机、气象探空仪、探矿测井、电动工具、家用电器及电子玩具等各个方面,都得到广泛的应用。
　　对这种永磁式电机的控制,主要有电机的起停控制、方向控制、可变速度控制和速度的稳定控制。
　　1、电机的起/停控制
　　电机的起/停控制,最简单最原始的方法是在电机与电源之间,加一机械开关。或者用继电器的触点控制。大家都比较熟悉,故不举例。
　　现在比较流行的方法,是用开关晶体管来代替机械开关,无触点、无火花干扰,速度快。电路如图10(a)所示。当输入端为低电平时,开关晶体管Q1截止,电机无电流而处于停止状态。如果输入端为高电平时,Q1饱和导通,电机中有电流,因此电机起动运转。图中二极管D1和D2是保护二极管,防止反电动势损坏晶体管。电容C1是消除射频干扰而外加的。R1基极限流电阻,限制Q1的基极电流。在6V电源时,基极电流不超过52mA。在这种情况下,Q1提供电机的最大电流为1A左右。

　　图10(a)的电路,因基极电流需外部驱动电路。如果再增加一级缓冲放大,如图10(b)的电路,驱动电流减少到2mA。R3限制Q1的基极电流到安全值。其他元件作用与(a)图中相同。
　　2、电机的方向控制
　　水磁式换流器电机的转动方向,可以用改变电源极性的方法,使电机反转。如果用正、负双极性电源,可用一个单刀进行转换,如图11(a)所示。因为电机的电流直接通过开关,容易烧坏开关接点。所以可以改用功率开关晶体管来代替机械开关,就可以克服上述缺点。电路如图11(b)所示。

 

 

 
　　电路工作原理:当开关SW1置于“正转”位时,Q1和Q3的基极加上偏流;Q2和Q4的偏置电路被断开。所以Q1和Q3导通,Q2和Q4截止。电流从V+→Q3发射极→Q3集电极→电机正端→电机负端→地形成回路,此时电机正转。同理,如果SW1置于“反转’位置时,Q2和Q4得到偏流而导通;01和Q3截止。电流从电源地端→电机负端→电机正端→Q4集电极→Q4发射极→电源负端形成回路,故电机电源与上述情况相反,因此电机反转。而SW1置于断时,电机停止转动。
　　图11(b)电路中SW1要转接正、负电源。在接口电路的应用中,用电子开关来代替SW1就比较困难。为了克服这个缺点,可用图11(c)的电路加以改进。图11(c)中的SW1就很容易用电子开关来代替。在这个电路中,SW1置于“正转”位置时,Q1和Q3导通,Q2和Q4截止。SW1置于“反转”位置时,Q2和Q4导通,Q1和Q3截止。
　　3、单极性电源的方向控制
　　如果电源为单极性,那么控制方向的开关就要双刀三掷。如图12(a)所示。不过用晶体管连接为桥式电路,也是最基本和最通用的形式。电路如图12(b)所示。

 

 
　　从电路中可以看出,当SW1置于“正转”位置时,Q1和Q4导通,Q2和Q3截止。当SW1置于“反转”位置时,Q2和Q3导通,Q1和Q4截止。二极管D1—D4是保护电路,防止电机反电动势可能损坏晶体管。
　　图12(c)为图12(b)的改进电路。它使SW1只控制正转/反转,而SW2只控制电机的起停。用简图指出了电路中的关键点。Q1或Q2总有一个是接通的,Q3或Q4是起通/断作用。当电路被断开时,电机电流经Q1—D2或Q2—D1环路迅速减少,这是所谓的“飞轮效应”。如果SW2用脉冲调制的电子开关代替的话,就是需要这种“飞轮效应”。电机的速度可用脉宽控制。这种技术在本文后面将叙述。

 

 
　　图12(b)的电路,需要大的驱动电流。如果需要更灵敏的控制电路,可以采用图13(a)的方案。在这个电路中,A、B、C和D的四个输入端,只需要几毫安的驱动电流。这个电路也可以像图13(b)那样,用人工进行控制。图中用CMOS集成电路CD4052B,作双刀四路双向开关。逻辑电平“0”或逻辑电平“1”加到A或B的输入端。正转/反转,起动/停止是相互独立的。这个电路也具有“飞轮效应”。图13(a)和图]3(c)的电路工作的逻辑真值表如表4列出。
　　4、电机的速度控制
　　直流电机的转速与所加的电压有效值成正比。图14是12V直流电机的可变电压速度控制。图中Q1和Q2是复合管射极跟随器,电机的直流电压可从0V变到12v。这种电路的特点是:在中速和高速时,速度的控制和自动调节的性能很好。但是低速和慢启动特性比较差。
　　用开关方式或脉宽调制,可以获得非常好的速度控制性能。电路图如15所示。

 

 
　　图中IC1作为50Hz的无稳多谐振荡器,它产生一个矩形波输出,占空比可变从20比1到1比20,由RV1进行调节。这个波形经过Q1和Q2送到电机,电机上的电压有效值是随RV1的调节而变化的(总的周期是50HZ)。不过电机上所加上的电压,是具有峰值电压为12V的功率脉冲。因此在整个调速范围内;性能都非常好。即使在很低的速度,转矩也很大。速度控制的程度,正比于所加电压的有效值。