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直流电机的基本构成与直流电机驱动电路的设计

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  直流电机(direct current machine)是指能将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机,将电能转换为机械能;作发电机运行时是直流发电机,将机械能转换为电能。

  直流电机(direct current machine)是指能将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机,将电能转换为机械能;作发电机运行时是直流发电机,将机械能转换为电能。

  直流电机由定子和转子两部分组成,其间有一定的气隙。其构造的主要特点是具有一个带换向器的电枢。直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件,由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。直流电机的转子则由电枢、换向器(又称整流子)和转轴等部件构成。其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。电枢铁心由硅钢片叠成,在其外圆处均匀分布着齿槽,电枢绕组则嵌置于这些槽中。换向器是一种机械整流部件。由换向片叠成圆筒形后,以金属夹件或塑料成型为一个整体。各换向片间互相绝缘。换向器质量对运行可靠性有很大影响。

  直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子,定子的主要作用是产生磁场,由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子,其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势,是直流电机进行能量转换的枢纽,所以通常又称为电枢,由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。

  主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成铁心一般用0.5mm~1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成,分为极身和极靴两部分,上面套励磁绕组的部分称为极身,下面扩宽的部分称为极靴,极靴宽于极身,既可以调整气隙中磁场的分布,又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成,套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上,

  电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势,是直流电机进行能量变换的关键部件,所以叫电枢。它是由许多线圈(以下称元件)按一定规律连接而成,线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成,不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中,线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外,槽口用槽楔固定。线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。

  1. 功能:电机是单向还是双向转动?需不需要调速?对于单向的电机驱动,只要用一个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机即可,当电机需要双向转动时,可以使用由4个功率元件组成的H桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器。如果不需要调速,只要使用继电器即可;但如果需要调速,可以使用三极管,场效应管等开关元件实现PWM(脉冲宽度调制)调速。

  高速运放KF347(也可以用TL084)的作用是比较器,把输入逻辑信号同来自指示灯和一个二极管的2.7V基准电压比较,转换成接近功率电源电压幅度的方波信号。KF347的输入电压范围不能接近负电源电压,否则会出错。因此在运放输入端增加了防止电压范围溢出的二极管。输入端的两个电阻一个用来限流,一个用来在输入悬空时把输入端拉到低电平。

  当运放输出端为低电平(约为1V至2V,不能完全达到零)时,下面的三极管截止,场效应管导通。上面的三极管导通,场效应管截止,输出为高电平。当运放输出端为高电平(约为VCC-(1V至2V),不能完全达到VCC)时,下面的三极管导通,场效应管截止。上面的三极管截止,场效应管导通,输出为低电平。

  上面的分析是静态的,下面讨论开关转换的动态过程:三极管导通电阻远小于2千欧,因此三极管由截止转换到导通时场效应管栅极电容上的电荷可以迅速释放,场效应管迅速截止。但是三极管由导通转换到截止时场效应管栅极通过2千欧电阻充电却需要一定的时间。相应的,场效应管由导通转换到截止的速度要比由截止转换到导通的速度快。假如两个三极管的开关动作是同时发生的,这个电路可以让上下两臂的场效应管先断后通,消除共态导通现象。

  大功率场效应管内部在源极和漏极之间反向并联有二极管,接成H桥使用时,相当于输出端已经并联了消除电压尖峰用的四个二极管,因此这里就没有外接二极管。输出端并联一个小电容(out1和out2之间)对降低电机产生的尖峰电压有一定的好处,但是在使用PWM时有产生尖峰电流的副作用,因此容量不宜过大。在使用小功率电机时这个电容可以略去。如果加这个电容的话,一定要用高耐压的,普通的瓷片电容可能会出现击穿短路的故障。

  大电流线路要尽量的短粗,并且尽量避免经过过孔,一定要经过过孔的线mm)并且在焊盘上做一圈小的过孔,在焊接时用焊锡填满,否则可能会烧断。另外,如果使用了稳压管,场效应管源极对电源和地的导线要尽可能的短粗,否则在大电流时,真钱扑克大全!这段导线上的压降可能会经过正偏的稳压管和导通的三极管将其烧毁。在一开始的设计中,NMOS管的源极于地之间曾经接入一个0.15欧的电阻用来检测电流,这个电阻就成了不断烧毁板子的罪魁祸首。当然如果把稳压管换成电阻就不存在这个问题了。

  一般功率场效应管的最高栅源电压为20V左右,所以在24V应用中要保证栅源电压不能超过20V,增加了电路的复杂程度。但在12V或更低电压的应用中,电路就可以大大简化。

  在前级逻辑电路里,有意地对控制PMOS的下降沿和控制NMOS的上升沿进行延时,再整形成方波,也可以避免场效应管的共态导通。另外,这样做可以使后级的栅极驱动电路简化,可以是低阻推挽驱动栅极,不必考虑栅极电容,可以较好的适应不同的场效应管。2003年Robocon比赛采用的就是这种驱动电路。下图是两种边沿的延时电路:

  继电器有着电流大,工作稳定的优点,可以大大简化驱动电路的设计。在需要实现调速的电机驱动电路中,也可以充分利用继电器。有一个方案就是利用继电器来控制电流方向来改变电机转向,而用单个的特大电流场效应管(比如IRF3205,一般只有N型特大电流的管子)来实现PWM调速,如下右图所示。这样是实现特别大电流驱动的一个方法。换向的继电器要使用双刀双掷型的,接线如下左图,线圈接线如下中图:

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时间:2020-07-05 11:09