电机是一种重要的执行机构,可以将电能转化为机械能,以驱动被控设备旋转或运动。它广泛应用于我们的生活中。例如应用于电动工具、电动平衡车、电动园林工具、儿童玩具等。
1-直流电机实物图
对于普通直流电机来说,在其两个电极上接入合适的直流电源后,电机即可全速旋转。当电源反向时,电机将反向旋转。但在实际应用中,我们需要电机以不同的速度工作。如何操作呢?
我们可以做这样一个实验,以24V直流电机为例。如果在电机两端接上24V直流电源,电机就会全速旋转。如果24V电压降低到2/3或16V,那么电机将以2/3全速运行。由此可见,如果想要调节电机的转速,只需要控制电机两端的电压即可。
晶体管用作驱动器件来驱动小功率电机。电路原理图如下图所示。电机作为负载连接到晶体管的集电极,基极由单片机控制。
2-直流电机调速原理图
当单片机输出高电平时,晶体管导通,使电机得到电源并全速运行;当单片机输出低电平时,晶体管截止,电机两端无电压,电机停止转动。那么如何改变电机两端的电压,进而控制电机的转速呢?
只要单片机输出一个占空比可调的方波,即PWM信号,就可以控制电机两端的电压变化,从而控制电机的转速。
所谓PWM就是脉宽调制技术,它有两个非常重要的参数:频率和占空比。频率是周期的倒数;占空比是一个周期中高电平所占的比例。 PWM方波原理图如下图所示。
3-PWM基本参数
上图中,频率F的值为1/(T1+T2),占空比D的值为T1/(T1+T2)。通过改变单位时间内的脉冲数可以实现频率调制;电压调节可以通过改变占空比来实现。占空比越大,获得的平均电压越大,幅度也越大;占空比越小,获得的平均电压越小,幅度也越小。动画演示如图4所示。
4-PWM调压演示
由上述原理可知,只要改变PWM信号的占空比,就可以改变直流电机两端的平均电压,从而实现直流电机的调速。
前面说过,改变电机两端电源的极性就可以改变电机的转速。那么电路是如何实现电机正反转调速的呢?这需要通过H桥电路来实现。 H桥的电路原理如下图所示。
5H桥驱动电机电路
H桥电路由四个电力电子开关组成,可以是晶体管或MOS管。电子开关成对形成桥臂。同时,只有两个对角电子开关打开,另外两个关闭。每个桥臂的上下管不能同时导通。通过该电路可以实现电机的正反转调速。
要实现电机正转,只需进行以下设置:
A控制端:高电平,控制晶体管Q4导通;
B控制端:高电平,控制三极管Q3截止;
C控制端:低电平,控制晶体管Q1导通;
D控制端:低电平,控制三极管Q2截止;
通过上述操作,晶体管Q2和Q3截止,晶体管Q1和Q4导通,电流流动如下:
VCCQ1电机Q4GND实现电机正转。
6H桥驱动电机正向调速电路
此时,要调节电机转速,只需将PWM信号加载到Q4的基极即可。
要实现电机反转,只需进行以下设置:
A控制端:低电平,控制三极管Q4截止;
B控制端:低电平,控制三极管Q3导通;
C控制端:高电平,控制三极管Q1截止;
D控制端:高电平,控制三极管Q2导通;
通过上述操作,晶体管Q1和Q4截止,晶体管Q2和Q3导通,电流流动如下:
VCCQ3电机Q2GND实现电机反转。
7H桥驱动电机反转调速电路
在这种情况下,要调节电机速度,只需将PWM信号加载到Q2的基极即可。
目前有很多电机专用驱动IC,其体积小、控制简单,比单独元件搭建的电路有更大的优势。
专用IC的优点之一:死区控制更容易
使用分离元件时,必须严格控制死区时间,即每个桥臂上的电子开关不能同时导通。这样很容易导致电源短路,过大的电流会烧坏两个电子开关。专用驱动IC具有死区控制,比单独的元件电路更安全。
8电机专用驱动IC
专用IC的优点2:器件尺寸更小
采用分离元件构建的驱动电路使用的元件数量较多且尺寸较大。专用驱动IC只需要一颗芯片,大大减小了体积,节省了PCB空间,使电路调试更加容易。