你也許想象不到，先進(jìn)的“機(jī)遇號(hào)”火星探測車與你日常使用的電動(dòng)牙刷，使用的是同一套電機(jī)系統(tǒng)——PMDC電機(jī)。

PMDC電機(jī)（Permanent Magnet Brushed DC）即永磁有刷直流電機(jī)，是世界上最常見的BDC電機(jī)，這類電機(jī)使用永磁體產(chǎn)生定子磁場，優(yōu)點(diǎn)是對電壓變化的響應(yīng)非?？?，缺點(diǎn)是永磁體的磁性會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸衰退。

PMDC電機(jī)以低噪音、高效率、小體積、節(jié)能、高效率等特點(diǎn)，被人們應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，小到家用電器，大到各類無人汽車和電子傳動(dòng)設(shè)備，都能看點(diǎn)該電機(jī)的身影。了解和認(rèn)識(shí)PMDC 電機(jī)的構(gòu)成與驅(qū)動(dòng)要素，有助于我們在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)選擇合適的解決方案。

PMDC電機(jī)的構(gòu)成

現(xiàn)如今，這種毫不起眼的PMDC電機(jī)依然是小型移動(dòng)機(jī)器人、汽車系統(tǒng)和玩具設(shè)計(jì)師的最愛，它主要包含以下三個(gè)組成部件：

▲帶有兩個(gè)永磁體的外殼：這兩個(gè)永磁體共同構(gòu)成定子；

▲轉(zhuǎn)子或電樞：二者至少由兩個(gè)繞在鐵芯上的銅線圈（繞組）組成，鐵芯在定子內(nèi)旋轉(zhuǎn)。

▲換向器和電刷：負(fù)責(zé)將電源連接到旋轉(zhuǎn)的線圈。換向器被分割成數(shù)個(gè)相互隔離的區(qū)段，這樣每個(gè)線圈產(chǎn)生的電磁場就會(huì)隨著軸的旋轉(zhuǎn)不斷反轉(zhuǎn)極性。

PMDC電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單和工作特征線呈線性的優(yōu)點(diǎn)，與此同時(shí)，老化和逐漸喪失轉(zhuǎn)矩也是其存在的主要問題。這通常是由于在低速重載工況下，轉(zhuǎn)子繞組過熱并導(dǎo)致定子磁場強(qiáng)度降低所致，電刷和換向器磨損則是導(dǎo)致老化故障的另一個(gè)原因。

正是這個(gè)老化的弱點(diǎn)，促使人們開發(fā)了無刷直流電機(jī)，但無刷直流電機(jī)存在價(jià)格昂貴且需要復(fù)雜控制器的問題，這使得PMDC電機(jī)依然受到工程師們的歡迎。

驅(qū)動(dòng) PMDC 電機(jī)的要素

01

開關(guān)控制

最簡單的電路是由一個(gè)開關(guān)和一個(gè)直流電源組成：如果您只想實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制，而無需方向控制，這種電路即可滿足您的需求。而作為實(shí)用型項(xiàng)目，可能需要用到一個(gè)電子開關(guān)（MOSFET 或雙極晶體管器件）。

如圖2（a）所示，該開關(guān)通過微控制器的GPIO引腳控制。圖中的簡單單晶體管電路適用于失速電流小于1A的低壓“業(yè)余”電機(jī)。同時(shí)，二極管可保護(hù)晶體管，以免被電感負(fù)載關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的反向高電壓損壞；電容器則有助于減少電機(jī)換向器動(dòng)作所產(chǎn)生的射頻干擾 （RFI）。

02

轉(zhuǎn)向控制

如果需要控制轉(zhuǎn)向，可以使用 H 橋電路來實(shí)現(xiàn)（圖2b）。這是一種極其常用的電路，并具有多種單芯片封裝款式。開關(guān)元件（圖中的元件S）可為單極或雙極晶體管，但通常為復(fù)合晶體管對或MOSFET。

二極管和電容器則起到與上述相同的保護(hù)功能。如果查看該H橋電路的真值表，您會(huì)發(fā)現(xiàn)在輸入控制信號(hào)A、B、C和D的16種可能排列中，只使用了其中4種。其余則不能使用，特別是那些會(huì)導(dǎo)致開關(guān)A、B或C、D同時(shí)打開的排列，否則會(huì)造成電源軌道的短路。

03

轉(zhuǎn)速控制

大多數(shù)應(yīng)用情況還需要能夠改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，特別是要使用某種反饋控制系統(tǒng)時(shí)。從圖1中的左圖可以看出，PMDC電機(jī)的轉(zhuǎn)速與外加電壓成線性關(guān)系。

使用數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）在驅(qū)動(dòng)晶體管的線性區(qū)域內(nèi)操縱晶體管，進(jìn)而直接改變電壓的方式可以控制轉(zhuǎn)速，但會(huì)造成大量功率的浪費(fèi)。

而一種更為講究的方法則是使用數(shù)字脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)驅(qū)動(dòng)開關(guān)，理由是：

▲脈沖序列的標(biāo)記空間比與平均電壓成正比；

▲驅(qū)動(dòng)器仍然在開/關(guān)之間切換，最大限度地減少了功耗；

▲大多數(shù)現(xiàn)代MCU都帶有PWM信號(hào)發(fā)生器。

04

PWM 頻率

人們經(jīng)常會(huì)問：我應(yīng)該使用多大的 PWM 頻率？對于小型業(yè)余電機(jī)來說，如果頻率遠(yuǎn)高于 250Hz，就會(huì)很難獲得合理的速度控制范圍。這可能是由于高頻信號(hào)的脈沖過窄，其長度不足以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子。

05

H橋電路

H橋電路也是驅(qū)動(dòng)PMDC電機(jī)的重要因素之一。非常有用很多芯片制造商都提供各種形式的H橋電路。舉例來說，L293D就是一款上市多年的H橋電路，設(shè)計(jì)師最常使用該芯片，作為微控制器與小型直流電機(jī)之間的接口器件。

該芯片實(shí)際上包含四個(gè)半橋——后者是位于“H”每側(cè)的晶體管開關(guān)對。也就是說，一個(gè)芯片可以連接為兩個(gè)獨(dú)立的H或全橋，以控制兩個(gè)電機(jī)（圖4）。

綜上所述，PMDC電機(jī)在要求高效率、高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和線性轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用中，提供了一種相對簡單可靠的直流驅(qū)動(dòng)解決方案。隨著鐵氧體和稀土磁體材料以及電子控制技術(shù)的發(fā)展，PMDC電機(jī)正在成為一種具有成本競爭力的產(chǎn)品。

責(zé)任編輯：haq