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驱动车轮:将 PMDC 电机与微控制器对接

先进的 PMDC 电机已让“机遇号”在火星整整漫游 14 年。来源:美国国家航空航天局

毫不起眼的电刷式永磁直流电机 (PMDC) 依然是小型移动机器人、汽车系统和玩具设计师的最爱。这种电机包含三个主要的组成部件:

  • 带有两个永磁体的外壳,这两个磁体构成了定子。
  • 转子或电枢,二者至少由两个绕在铁芯上的铜线圈(绕组)组成,铁芯在定子内旋转。
  • 换向器和电刷,负责将电源连接到旋转的线圈。换向器被分割成数个相互隔离的区段,这样每个线圈产生的电磁场就会随着轴的旋转不断反转极性。

静磁场与转子磁场之间的相互作用会驱动转子旋转。一台电机要工作,至少要有两个线圈,换向器需要分成两个 180°的区段。而一台实际可用的电机,至少要有三个线圈,换向器需要分成三个 120°的区段。当定子和转子磁场的南北两极对齐时,双线圈电机会无法自启动并发生“锁定”。在这种情况下,电刷可能会跨在区段的间隙上,导致线圈和电源短路。通过添加第三个线圈可以消除这个问题并确保自启动。优质电机至少要有五个线圈,有时还会更多,以确保运行更顺畅。PMDC 具有结构简单和工作特征线呈线性的优点(.1)。请注意图中所有工作特征线均为直线!

大型工业电机利用电磁铁产生定子磁场。这可形成永磁体不可能产生的强大、可控磁场。不过,得益于最近材料技术的发展,人们推出了数款基于钕和钐/钴材料的超强“稀土”磁体。老化和逐渐丧失转矩是 PMDC 电机存在的主要问题。这通常是由于在低速重载工况下,转子绕组过热并导致定子磁场强度降低所致。电刷和换向器磨损则是导致老化故障的另一个原因:正是这个弱点促使人们开发了无刷直流电机。但无刷直流电机存在价格昂贵且需要复杂控制器的问题,这使得电刷式电机依然很受欢迎。

 

驱动 PMDC 电机

最简单的电路是由一个开关和一个直流电源组成:如果您只想实现开/关控制,而无需方向控制,这种电路即可满足您的需求。而作为实用型项目,可能需要用到一个电子开关(MOSFET 或双极晶体管器件),该开关通过微控制器的 GPIO 引脚控制( 2a)。图中所示的简单单晶体管电路适用于失速电流小于 1A 的低压“业余”电机。请注意,二极管可保护晶体管,以免被电感负载关闭时产生的反向高电压损坏。电容器则有助于减少电机换向器动作所产生的射频干扰 (RFI)。

如果需要控制转向,可以使用 H 电路来实现( 2b)。这是一种极其常用的电路,并具有多种单芯片封装款式。开关元件(图中的元件 S)可为单极或双极晶体管,但通常为复合晶体管对或 MOSFET。二极管和电容器则起到与上述相同的保护功能。如果查看该 H 桥电路的真值表,您会发现在输入控制信号 A、B、C 和 D 的 16 种可能排列中,只使用了其中 4 种。其余大多数绝对不能使用,特别是那些会导致开关 A 和 B 或 C 和 D 同时打开的排列,否则电源轨道会短路并对这些器件造成致命后果!

转速控制

大多数应用还需要能够改变电机转速,特别是要使用某种反馈控制系统时。从 1 中的左图可以看出,PMDC 的转速与外加电压成线性关系。使用数字模拟转换器 (DAC) 在驱动晶体管的线性区域内操纵晶体管,进而直接改变电压的方式可以控制转速,但这会造成大量功率被以热量的形式浪费掉的代价。而一种更为讲究的方法则是使用数字脉宽调制 (PWM) 信号驱动开关( 3)。

这是目前为止最好的一种方法,因为:

  • 脉冲序列的标记空间比与平均电压成正比。
  • 驱动器仍然在开/关之间切换,最大限度地减少了功耗。
  • 大多数现代 MCU 都带有片上 PWM 信号发生器硬件。

PWM 信号通过与其他输入信号进行“与”门控运算,被添加到 H 桥电路中,因此,当其电平为低时,所有开关都会关闭;在其电平为高时打开。这意味电源在高相位时被施加至电机,在低相位时关闭。在关闭期间,电机会空转或“滑行”。如果所有的开关都通过控制信号关闭,电机就会减速并停止运转 - 所需的时间取决于负载大小。PMDC 电机有一个独特的特点:如果电源关闭且端子短接在一起,转子磁场就会发生短暂的反转,从而施加一个与转动力相反的力并使电机突然停止。在 H 桥电路中,这是通过同时打开开关 B 和 D 实现的。

PWM 频率

人们经常会问:“我应该使用多大的 PWM 频率?”。原则上,任何 20kHz 以上的频率都会让其超出人类的听觉范围。我发现,对于小型业余电机来说,如果频率远高于 250Hz,就会很难获得合理的速度控制范围。有一种解释称,这可能是由于高频信号的脉冲过窄,其长度不足以“踢动”转子。有一点是肯定的:这取决于电机,而且可能需要做一定数量的试验。

L293D 四路半桥

就像前面所说,H 桥电路非常有用,很多芯片制造商都提供各种形式的 H 桥电路。举例来说,L293D 就是一款上市多年的 H 桥电路,设计师最常使用该芯片作为微控制器与小型直流电机之间的接口器件。该芯片实际上包含四个“半桥”:后者是位于“H”每侧的晶体管开关对。换句话说,一个芯片可以连接为两个独立的 H 或全桥,以控制两个电机( 4)。

请注意,额外的内部逻辑会将每对开关的控制信号组合成单个模式输入,并为 PWM 信号添加一个启动输入。该芯片带有片上保护二极管,因此唯一需要添加的器件就是在电机端子之间焊接一个电容器。

结论

新型的 PMDC 电机设计不带铁芯,管状线圈电枢围绕永磁定子旋转。这种电机虽然价格高昂,但加速/减速极快,而且效率远高于普通铁芯电机。这是一种无铁芯电机,专为太空应用做过小幅改装,其作为“勇气号”和“机遇号”火星车的驱动电机已工作数年,远远超出其最初的任务寿命。

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Engineer, PhD, lecturer, freelance technical writer, blogger & tweeter interested in robots, AI, planetary explorers and all things electronic. STEM ambassador. Designed, built and programmed my first microcomputer in 1976. Still learning, still building, still coding today.

1 Apr 2019, 2:26