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标题: 直流电机控制电路专辑 [打印本页]

作者: tyvek 时间: 2014-12-17 22:21
标题: 直流电机控制电路专辑
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。
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.°--7.°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。
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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。
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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。
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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。
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