直流电机驱动原理图设计二

一、 项目名称：《直流电机驱动器设计》

二、 原理图设计第二部分

大家好，上次的电路设计中还有实现直流电机正反转的电路没有完成，今天我们一起来完善下这部分电路。

首先，根据我们之前的项目需求分析，从电机的参数情况，我们选择了B772（PNP型功率三极管）和D882（NPN型功率三极管），基于这两种三极管型号，搭建H桥模块电路。

在H桥模块电路中，上桥使用B772，下桥采用D882，组成的H桥示意图如下图所示：

那么，这个H桥的工作原理是什么样呢？我们可以一起来分析一下。首先，我们假设图中的电机绕组中的电流由电机的1脚流向2脚，电流流向如下图所示：

那么电机绕组中流过的电流是从哪里来的呢？也就是我们要考虑此时的源是谁？源是不是图中的+5V电压源啊？源有了，需要确定回路，回路是不是要从源的正极出发，回到源的负极啊？然后图中示意的电流回路要形成，图中的Q1和Q8两个三极管就需要导通了，这样才能形成完整的电流回路。

为了更好的描述此时的电流回路，我们+5V源使用一个Vbus电容来表示，此时电流的回路我们可以表示如下：

好了，这个电流回路是没问题的，我们说我们的驱动板支持正反转控制，那么在切换方向前，需要将之前开通的三极管给关闭，状态如下图所示:

这个时候我们来看啊，上一个状态时对电机绕组进行充电了，如果我们把H桥中的四个管子都关闭，那么电机绕组中的没有地方流动了，也就是说此时能量没有泄放回路了，假设我们把电机绕组看成电感的话，那么此时也就是电感断路了，是不是会对开关三极管造成损伤啊？

因此在我们的这个电路中就需要增加当所有管子都关闭时的绕组续流回路，增加续流回路的话，我们可以在功率三极管的CE之间并联二极管即可，如下图所示:

然后，此时我们再来分析续流回路，绕组续流时，所有管子都关闭了，但是绕组的电流方向不变，此时的源我们需要搞清楚，源应该变成了电机绕组，然后从电机的2脚出发，然后回到电机的1脚，此时的续流回路如下图所示:

这样电机绕组的续流回路就建立起来了，接下来就可以开通管子Q2和Q7了来让电机往另一个方向进行转动了。那么关于另一个方向的分析，这里就不再赘述了，跟我们上面分析的方法一致，大家可以自行分析。

上面是给大家讲解了下H桥控制的原理，对于H桥中的三极管要进行导通，我们就需要给四个管子分别设计相应的驱动电路了。

因为我们是使用单片机控制，控制的方式为上桥电平控制，下桥PWM控制，而对于B772和D882三极管，当它们的CE需要比较大的电流时，例如2A的电流，则相应的IB驱动电流也需要增大，具体是多大呢？我们可以查看下B772和D882的数据手册：

大家可以看到，上图为VCE和IC的关系，从图中，我们也可以看出当IB比较小时，IC的电流也相应的小，如果IC要能达到2A，那么则需要的IB驱动电流就需要10mA以上。

而我们单片机的话，IO引脚的驱动能力是很小的，不能够直接使用单片机引脚来驱动功率三极管，因此我们需要单独的给B772和D882设计相应的驱动电路。

那么我们就想了，要想通过一个小电流得到比较大的电流，我们还是想到了三极管，如果三极管Ic电流小的话，相应的IB电流就可以小，通过上图分析，如果B772和D882的IC电流要达到2A的话，IB需要10mA。如果我们使用一个普通的三极管（如3904）,我们只需要给3904的IB1mA的驱动电流，则IC就可以有100mA的电流，因此，我们可以使用3904三极管来驱动B772和D882，这样可以设计出如下电路:

然后我们来看，当LH为高时，此时Q4导通，那么三极管Q1的1脚就为低，此时从逻辑上，Q1导通是没问题的，但是，我们说电路设计需要考虑好源 回路 阻抗，那么源是+5V，回路是从+5V出发，回到+5V的地，但是缺少阻抗，这样的话Q1的IB电流就会比较大，从而导致三极管Q1损坏了，因此我们可以增加一个电阻来限制IB电流，那么我们说，如果Q1的电流要能达到2A的话，IB电流需要10mA以上，这个时候，我们可以来计算一下，IB阻抗为多少?也就是下图中的R5应该如何取值？

从图中我们可以知道，Q4导通，我们按导通之后Q4的CE压降为0.3V，则有Q4的C极为0.3V，Q1的BE压降我们可以查看手册来进行选取：

大家看上图，当Ic为2A的时候，此时VBE大概为1.4V，我们就按照1.4V来进行计算，则Q1的1脚为5V-1.4V = 3.6V。那么R5两端的压降为3.6V-0.3V = 3.3V，R5的电流我们按照10mA，则可以计算R5的阻值为：R5 = 3.3V/0.01A = 330R，这样就可以把R5的阻值确定了。

当然，如果要是Q1的IB电流再大一些的话，可以把R5阻值再取小些，比如可以取300R。好IB电流的问题解决了，那么我们再来看，如果Q4关闭的话，那么此时是不是要确保Q1能够关闭啊？Q1关闭是不是要确保Q1的1脚为高电平，也就是要确保Q1的VEB<Q1的导通电压，但是我们上图中的电路是没法保证这点的，所以，我们可以在Q1的BE之间并联一个上拉电阻，这样即可解决这个问题。

这个电阻的取值保证当Q4导通时Q1的BE压降能让Q1导通即可，这里取为1K，可以满足要求。这样，Q1的驱动电路就设计完毕了。

接下来我们来设计下管Q7的驱动电路:

下管驱动，我们可以采用一种称为达林顿结构的接法，还是采用另一个三极管来驱动，具体的接法如下图所示:

那么，当Q5导通，此时Q5的IC电流作为Q7的IB驱动电流， 从而确保Q7能够正常导通，当Q5关闭，确保Q7不能够导通，就满足了导通的逻辑关系，因此这个驱动电路是可以满足我们正常使用的。

而Q5和Q7的下拉电阻是确保当B极出现不确定状态的时候，能够有确定的状态出现，这样不会导致三极管的误触发，发生灾难性后果。

这样Q1和Q7的驱动电路就设计完成了，相应的Q2和Q8可以直接使用对应的驱动电路，最终H桥模块的电路就可以全部实现了，具体如下图所示：

那么到目前为止，直流有刷电机驱动项目的原理图设计部分就给大家分享到这里，下篇文章，我们来聊一聊关于该项目的PCB布局布线的相关问题，本次分享就到这里，谢谢大家，我们下次再见！

有霍尔传感器SVPWM学习总结

这里根据PWM中断用来产生正弦波。

电机概念及分类介绍

一、电机概念介绍

从广义上讲，电机是电能的变换装置，包括旋转电机和静止电机。旋转电机是根据电磁感应原理实现电能与机械能之间相互转换的一种能量转换装置；静止电机是根据电磁感应定律和磁势平衡原理实现电压变化的一种电磁装置，也称其为变压器。

这里主要介绍旋转电机，旋转电机的种类很多，在现代工业领域中应用及其广泛，可以说，有电能应用的场合都会有旋转电机的身影。

图一：伺服电机

二、电机分类及应用概述

众所周知，电机是传动及控制系统中的重要组成部分，随着现代科学技术的发展，电机在实际应用中的重点已经从过去简单的传动向复杂的控制转移；尤其是对电机的速度、位置、转矩的精确控制。但电机根据不同的应用会有不同的设计和驱动方式。因此人们根据旋转电机的用途，进行了基本的分类。

图二：旋转电机的分类

三、伺服电机

伺服电机广泛应用于各种控制系统中，能够将输入的电压信号转换为电机轴上的机械输出量，拖动被控元件，从而达到控制目的。

伺服电机的应用现状：

    橡胶轮胎行业：轮弹簧钢丝机、线切割机、铝包钢丝机等。

    食品行业：糖度显示仪、大型烤箱、咖啡机等。

    服装行业：三菱高头机、纺纱机、电脑绣花机、印花机。

图三：绣花机电机

四、步进电机

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构；通俗来说就是当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号时，它就会驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。

步进电机的应用现状：

    数控机床制造领域、自动送料机、软盘驱动器、打印机、绘图仪、工业机器手、包装机械、汽车测试等。

图四：软盘驱动器

五、力矩电机

力矩电机是一种扁平形多极永磁直流电机。其电枢有较多的槽数、换向片数和串联导体数，以降低转矩脉动和转速脉动。力矩电机有直流力矩电机和交流力矩电机两种。

力矩电机的应用现状：

交流力矩电机又可以分为同步和异步两种，目前常用的是鼠笼型异步力矩电动机，它具有低转速和大力矩的特点。一般在纺织工业中经常使用交流力矩电机。

图五：力矩电机

六、开关磁阻电机

开关磁阻电机是一种新型调速电机，结构及其简单且坚固，成本低，调速性能优异，是传统控制电动机强有力竞争者，具有强大的市场潜力。    

开关磁阻电机的应用现状：

    开关磁阻电机被应用于龙门刨床、锻压机床、纺织机械、造纸机、球磨机、风机

压缩机、抽烟机等。

     图六：车用开关磁阻电机

七、无刷直流电机

无刷直流电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的，但它的驱动电流是不折不扣的交流。无刷直流电机为了减少转动惯量，通常采用细长的结构。无刷直流电机在重量和体积上要比有刷直流电机小的多。

无刷直流电机的应用现状：

无刷直流电机的应用十分广泛，如汽车、工具、工业工控、自动化以及航空航天等等。具体可分为以下三种主要用途，第一：持续负载应用，如风扇、抽水机、吹风机。第二：可变负载应用，如油泵控制、发动机控制等。第三：定位应用，应用在大多数工业控制。

图七：无刷直流电机

八、直流电机

直流电机是出现最早的电机，大约在19世纪末，其大致可分为有换向器和无换向器两大类。直流电机有较好的控制特性。直流电机在结构、价格、维护方面都不如交流电机，但直流电机具有调速性能好、启动容易、可载重启动等优点而被广泛应用。

直流电机的应用现状：

    生活方面，被用于很多电动产品，如风扇、刮胡刀等。在宾馆中，自动门、自动门锁、自动窗帘都用到直流电机。直流电机还广泛应用于飞机、坦克、雷达等武器装备中。直流电机还可应用于机车牵引、如铁路机车直流牵引电机、地铁机车直流牵引电机等。

图八：Z4直流电机

九、交流电机

异步电机是基于气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩而实现能量转换的一种交流电机。异步电机具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠及质量较小，成本较低等优点。     

异步电机的应用现状：

    在异步电机中较为常见的是单相异步电机和三相异步电机，其中三相异步电机是异步电机的主体。三相异步电机可用于驱动压缩机、水泵、破碎机等，还可用于传动鼓风机、磨煤机、轧钢机、卷扬机等。单相异步电机在家用电气中使用较多，如电扇、冰箱、空调等。

图九：风机、冰柜电机

十、同步电机

同步电机就是在交流电的驱动下，转子和定子的旋转磁场同步运行的电机。同步电机的定子和异步电机的完全一样，但同步电机的转子有“凸极式”和“隐极式”两种。     

同步电机的应用现状：

    同步电机主要用于大型机械，如鼓风机、水泵、球磨机、压缩机、轧钢机以及小型、微型仪器设备或者充当控制元件，三相同步电机是主体。同步电机还可以当调相机使用，用于向电网输送感性或者电容性无功功率。

图十：同步电机组成

十一、旋转变压器

旋转变压器是一种电磁式传感器，也称同步分解器，它是一种测量角度用的小型交流电动机，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度，由定子和转子组成。    

旋转变压器的应用现状：

旋转变压器是一种精密角度、位置、速度检测装置，适用于所有使用旋转编码器的场合，特别是高温、严寒、潮湿、高速、高震动等旋转编码器无法正常工作的场合。它可完全替代光电编码器、在机器人系统、机械工具、汽车、电力、航空航天等位置检测系统中。也可用于坐标变化、三角运算和角度数据传输、作为两相移相器用在角度--数字转换装置中。

图十一：旋转变压器

十二、感应同步器

感应同步器将角度或直线位移信号变换为交流电压的位移传感器又被称为平面式旋转变压器。它有圆盘式和直线式两种。在高精度数字显示系统或数控闭环系统中圆盘式用于检测角位移信号，直线式用

于检测线位移。

感应同步器的应用现状：

    被广泛用于大位移静态与动态测量中，如三坐标测量机、程控数控机床及高精

度重型机床及加工中心测量装置。

图十二：感应同步器

十三、自整角机

自整角机是利用自整步特性将转角变为交流电压或交流电压变为转角的感应式微型电机，在伺服系统中被用作测量角度的位移传感器。自整角机还可用于实现角度信号的远距离传输、变换、接收和指示。

自整角机的应用现状：

被自整角机还可用于实现角度信号的远距离传输、变换、接收和指示。它被广泛用于冶金、航海等位置和方位同步指示系统和火炮、雷达等伺服系统中。

图十三：自整角机

十四、速度信号电机

最具代表性的速度信号电机是测速发电机，实质上是一种将转速变换为电信号的机电磁元件，其输出电压与转速成正比。

速度信号电机的应用现状：

测速发电机在控制系统中主要作为阻尼元件、微分元件、积分元件和测速元件来使用。

图十四：测速发电机

图十五：电机分类图

电机正反转该如何实现？

一、有刷电机结构介绍

无刷直流永磁电动机广泛地用于驱动和伺服系统中，在许多场合，不但要求电动机具有良好地启动和调节特性，而且要求电机能够正反转。本篇文章，我们着重来分析下有刷永磁直流电动机地正反转原理，为后文直流无刷电机正反转分析奠定基础。

为了更好的了解无刷电机的正反转原理，我们先以有刷电机为例来说明一下有刷电机的正反转是如何实现的。首先我们需要知道有刷电机的旋转原理，那么为了更好的了解有刷电机的工作原理，我们先来看下有刷电机的组成，下图为有刷电机的整体示意图：

图一：直流有刷电机

接下来我们将上图中的有刷电机拆开，可以看到有刷电机内部构造，首先看到的下图为定子永磁体：

图二：定子永磁体

然后是电刷，也即是有刷电机名词中的有刷的来源，就是有电刷，电刷的形式如下图三所示：

图三：电刷示意图

然后是转子结构，包括转子转轴、绕制铜线的铁芯、铜线电枢绕组、换向器组成，如下图四所示：

图四：转子结构示意图

上面介绍的电刷就是用于跟换向器进行连接的，连接的示意图如下图所示：

图五：电刷与换向器连接示意图

二、有刷电机转动原理介绍

实际工作过程中，电刷是跟外部电源引线连接的，这样电流就会从电源正极出发，经过电刷，经过与电刷连接的换向器，经过绕组，经过电刷，回到电源负极。由于转子电枢线圈处于永磁体磁场中，所以通电的线圈就会在磁场中受到安培力的作用，这样转子就会转动起来。

图六：线圈电流方向及受力方向示意图

如上图六所示，红色箭头表示线圈的受力方向，蓝色箭头表示线圈的电流方向，这样线圈将会逆时针旋转。

当旋转到下图七所示的位置时，我们可以看到，换向器连接的电源的正负发生了变化，此时线圈中的电流方向也会发生变化，因此根据左手定则，可以判断出线圈受安培力的方向，这个力会让线圈继续保持逆时针旋转。

图七：换向器连接电源方向发生变化线圈电流及受力示意图

下图八表示线圈电流方向与图七电流方向相反，受力方向也相反，换向器，顾名思义就是让线圈中的电流流向发生变化，这里通过换向器跟电刷的连接，实现线圈的电流方向变化，实现线圈受力方向发生变化。

图八：换向器连接电源方向发生变化线圈电流及受力示意图

就这样，线圈不断的旋转，对应的换向器连接电源的极性不断发生变化，这样就保证了线圈能持续逆时针进行旋转下去，这就是有刷电机的旋转原理。

三、有刷电机正反转

从上面的电机旋转原理来看，电机的受力跟磁场有关，跟线圈的通电方向有关，当磁场确定了，通电方向确定了，那么线圈受到安培力的方向就确定了。这个力的方向可以用左手定则来判定，具体左手定则如下图九所示：

图九：安培力判定示意图

根据上面介绍的内容，下面给出一个逆时针旋转的示意图：

图十：线圈逆时针旋转示意图

如果我们把上图十中的旋转方向规定为正向旋转，那么该怎么实现让线圈反方向旋转呢？我们说，线圈是在力的作用下转动的，那么我们只要改变力的方向是不是就可以实现线圈反方向旋转啊？如何改变力的方向呢？这里就有两种情况可以改变力的方向了。

第一种：改变线圈电流方向。

这种方法可以将电刷电源的方向交换，那么对应的换向器的电源方向就会变化，因此线圈种的电流方向也会发生变化，电流方向发生了变化，就会让线圈受力的方向发生变化，具体如下图十一所示：

图十一：线圈顺时针旋转示意图

大家可以看到，根据此时电源方向及电流方向(蓝色箭头方向)，可以用左手定则判断此时线圈所受安培力的方向如图中的红色箭头所示，因此我们可以知道线圈会顺时针旋转，也就是说，这样实现了线圈反向转动。那么我们对比逆时针旋转的电流方向可以知道，顺时针转动时，电流方向发生了180度变化。这是第一种实现线圈（电机）正反转的方法。

第二种：改变永磁体磁场方向

此时将永磁体的磁极交换，磁场方向如紫色箭头所示，线圈的电流方向不变，那么由左手定则，可以判断出线圈左侧此时所受安培力的方向向上，线圈右侧此时所受安培力的方向向下，因此线圈此时将顺时针旋转。

图十二：永磁体磁极交换

因此交换永磁体磁极，也可以实现线圈反向旋转，那么其实交换永磁体磁极就实现了永磁体磁场方向发生了180度变化，这是第二种实现线圈（电机）正反转的方法。

好了，那么关于有刷电机如何实现正反转的两种方法就给大家讲完了，关于直流无刷电机，我们下篇文章再来给大家分享，谢谢大家！

编码器的分类及增量式光电编码器的工作原理

一、编码器介绍

编码器是一种传感器，主要是用来检测机械运动的速度、位置、角度、距离或计数，它是一种集光、机、电为一体的数字化检测装置，它具有分辨率高、精度高、结构简单、体积小、使用可靠、易于维护、性价比高等优点。

近些年来，它发展为一种成熟的多规格、高性能的系列工业化产品，在数控机床、机器人、雷达、光电经纬仪、地面指挥仪、高精度闭环调速系统、伺服系统等诸多领域中得到了广泛的引用。

那么，光电编码器可以定义为：一种通过光电转换，将输至轴上的机械、几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，它主要用于速度或位置（角度）的检测。比较典型的光电编码器由码盘（Disk）、检测光栅（Mask）、光电转换电路（包括光源、光敏器件、信号转换电路）、机械部件等组成。

二、编码器的分类

对于编码器的分类，可以用下图一的结构来表示：

图一：编码器的分类

上图一所示的分类只是其中一种分类方法。另外，按照编码器运动部件的运动方式来分，可以分为旋转式和直线式两种。根据检测原理，编码器可以分为光学式、磁式、感应式和电容式。旋转式光电编码器容易做成全封闭型式，易于实现小型化，传感长度较长，具有较长的环境适用能力，因而在实际工业生产中得到广泛的应用。

三、编码器中常用的术语

1、输出脉冲数/转

旋转编码器转一圈所输出的脉冲数，对于光学式旋转编码器，通常与旋转编码器内部光栅的槽数相同（也可在电路上使输出脉冲数增加到槽数的2倍，4倍）。

2、分辨率

分辨率表示旋转编码器的主轴旋转一周，读出位置数据的最大等分数。绝对值型不以脉冲形式输出，而已代码形式表示当前主轴位置（角度）。与增量型不同，相当于增量型的“输出脉冲/转”。

3、光栅

光学式旋转编码器，其光栅有金属和玻璃两种。如果式金属制成的，会开有通光孔槽；如果是玻璃制成的，是在玻璃表面涂了一层遮光膜，在此上面设有透明线条（槽）。在槽数少的场合，可以在金属圆盘上用冲床加工或腐蚀法开槽。在耐冲击型编码器上使用了金属的光栅。玻璃制的与金属制的光栅相比不耐冲击，因此在使用上请注意，不要将冲击直接施加于编码器上。

4、最大响应频率

是在1秒内能响应的最大脉冲数（例：最大响应频率为2KHz，即1秒内可响应2000个脉冲），公式如下：

最大响应转速（RPM）/ 60 *（脉冲数/转）=输出频率Hz

5、最大响应转速

是指可响应的最高转速，在此转速下发生的脉冲都可响应，公式如下：

最大响应频率（Hz）/ （脉冲数/转） * 60 = 轴的转速RPM

6、输出电压

是指输出脉冲的电压。输出电压会因输出电流的变换而有所变化。

7、格雷码

格雷码是高级数据，因为是单元距离和循环码，所以很安全。每步只有一位变化。数据处理时，格雷码必须转换成二进制码。

8、转速

改速度指示编码器的机械载荷限制。如果超出该限制，将对轴承使用寿命产生负面影响，另外信号也可能中断。

四、增量式编码器的工作原理

1、基本构造及特点

增量式光电编码器的特点是没产生一个输出脉冲信号就对应于一个增量位移，但是不能通过输出脉冲区别出在哪个位置上的增量。它能够产生与位移增量等值的脉冲信号，其作用是提供一种对连续位移量离散化或增量化以及位移变化（速度）的传感方法，它相对于某个基准点的相对位置增量，不能够直接检测出轴的绝对位置信息。一般来说，增量式光电编码器输出A、B两相互差90读电角度的脉冲信号（也即是两组正交输出信号），从而可以方便地判断出旋转方向。同时还有用作参考零位的Z相标志（指示）脉冲信号，码盘每旋转一周，只发出一个标志信号。标志脉冲通常用来指示机械位置或对积累量清零。

增量式光电编码器主要由光源、光栅板（码盘）、固定光栅（检测光栅）、光敏管（光电检测器件）和转换电路组成，如下图二所示：

图二：增量式光电编码器的组成

在光栅板上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期；检测光栅上刻有A、B两组与光栅板相对应的透光缝隙，用以通过或阻挡光源和光电检测器件之间的光线。它们的节距和码盘上的节距相等。并且两组透光缝隙错开1/4节距，使得光电检测器件输出的信号在相位上相差90度电角度。当码盘随着被测轴转动时，检测光栅不动，光线透过码盘和检测光栅上透过缝隙照射到光电检测器件上，光电检测器件就输出两组相位相差90度电角度的近似于正弦波的电信号，电信号经过转换电路的信号处理，可以得到被测轴的转角或速度信息。增量式光电编码器输出信号波形如下图三所示：

图三：增量式光电编码器的输出信号波形

2、作用原理

A、B两点对应两个光敏接受管，A、B两点间距为S2,角度码盘的光栅间距分别为S0和S1。当角度码盘以某个速度匀速转动时，那么可知输出波形图中的S0:S1:S2比值相同，同理角度码盘以其它的速度匀速转动时，输出波形中的S0:S1:S2比值与实际图的S0:S1:S2比值仍然相同。增量式光电编码器内部工作原理示意图如下图四表示：

图四：增量式光电编码器内部工作原理

如果角度码盘做变速运动，把它看成多个运动周期的组合，那么每个运动周期输出波形图中的S0:S1:S2比值与实际图的S0:S1:S2比值仍然相同。通过输出波形我们可知每个运动周期的时序图如下图五表示：

图五：时序图

我们把当前的A、B输出值保存起来，与下一个A、B输出值做比较，就可以轻易的知道角度码盘的运动方向，如果光栅S0等于S1时，也就是S0和S1弧度夹角相同，且S2等于S0的1/2，那么就可得到此次角度码盘运动位移角度为S0弧度夹角的1/2，除以所消耗的时间，就可以得到此次角度码盘运动位移角速度。

以上就是增量式光电编码器的工作原理。那么本篇文章就给大家介绍这么多，后面有机会再给大家介绍绝对式编码器的组成及其工作原理。