工作原理

所有BDC电机的基本组件都是相同的: 定子，电刷和换向器. 每个组件将在后面详细介绍.

定子

定子在转子周围产生固定磁场. 该磁场可以由永磁体或电磁绕组产生. BDC电动机的类型按定子的结构或电磁绕组与电源的连接方式进行划分（对于不同类型的BDC电动机，请参阅步进电动机的类型）.

转子

转子（也称为电枢）由一个或多个绕组组成. 当这些绕组被激励时，会产生磁场. 转子磁场的磁极吸引定子磁场的相反磁极，从而使定子旋转. 在电动机旋转期间，绕组以不同的顺序连续励磁，因此转子产生的磁极将永远不会与定子产生的磁极重叠. 转子绕组中磁场的这种转换称为换向.

电刷和换向器

与其他类型的电动机（即无刷DC电动机和AC感应电动机）不同，BDC电动机不需要控制器来切换电极绕组中电流的方向，而是通过机械方式对BDC电动机绕组进行换向. 在BDC电机的旋转轴上，有一块铜套，称为换向器. 随着电动机的旋转，碳刷将沿着换向器滑动，并与换向器的不同部分接触. 这些段连接到不同的转子绕组，因此当电动机的电刷通电时，电动机内部会产生动态磁场. 重要的是要注意，由于电刷和换向器之间的相对滑动，它们是BDC电机中最易受影响的部分.

步进电机的类型

如上所述，各种BDC电动机的特征在于在定子中产生固定磁场的方式. 本节将讨论BDC电动机的不同类型，以及每种类型的优缺点.

永磁体

永磁有刷​​直流（PMDC）电动机是世界上最常见的BDC电动机. 这种类型的电动机使用永磁体产生定子磁场. PMDC电动机通常用于包括分数马力电动机的应用中，因为永磁体比绕组定子更具成本效益. PMDC电机的缺点是永磁体的磁性会随着时间的流逝逐渐降低. 某些PMDC电动机的永磁体上带有绕组，以防止磁性损失. PMDC电机性能曲线（电压与速度曲线）的线性非常好. 电流和转矩具有线性关系. 由于定子磁场是恒定的，因此这种类型的电动机对电压变化的响应非常快.

很兴奋

并联绕组有刷直流（SHWDC）电动机的励磁线圈与电枢并联连接. 励磁线圈中的电流与电枢中的电流无关. 因此，这种电动机具有出色的速度控制能力. SHWDC电动机通常用于需要五马力或更多马力的应用中. 在SHWDC电机中，没有磁损耗的问题，因此它们通常比PMDC电机更可靠.

字符串兴奋

绕线有刷直流（SWDC）电动机励磁线圈与电枢串联连接. 由于定子和电枢中的电流会随着负载的增加而增加，因此这种类型的电机非常适用于高转矩应用. SWDC电动机的缺点是它不能像PMDC和SHWDC电动机那样精确地控制速度.

刺激

复合绕线（CWDC）电动机是并联励磁和串联励磁电动机的组合. 如图5所示，CWDC电动机可以产生串联和并联励磁磁场. CWDC电动机结合了SWDC和SHWDC电动机的性能. 它比SHWDC电动机具有更大的转矩，并且比SWDC电动机可以提供更好的速度控制.

基本驱动电路

驱动电路用于使用某种类型的控制器且需要速度控制的应用中. 驱动电路的目的是为控制器提供一种更改BDC电动机中绕组电流的方法. 本节讨论的驱动电路允许控制器对BDC电机的电源电压进行脉宽调制. 在功耗方面，这种速度控制方法在改变BDC电机速度方面比传统的模拟控制方法有效得多. 传统的模拟控制需要与电动机绕组串联的附加压敏电阻，这会降低效率. 有多种驱动BDC电机的方法. 某些应用仅要求电动机沿一个方向运行. 图6和7显示了用于沿一个方向驱动BDC电机的电路. 前者使用低端驱动程序，后者使用高端驱动程序. 使用低端驱动器的优点是可以省去FET驱动器. FET驱动器的目的是:

1. 将驱动MOSFET的TTL信号转换为电源电压.

2. 提供足够的电流来驱动MOSFET（1）

3. 在半桥应用程序中提供电平转换.

注1: 对于大多数PIC？在单片机应用中，第二点通常不适用，因为PIC单片机的I / O引脚可以提供20 mA的电流.

请注意，在每个电路中，电动机两端均连接有一个二极管，目的是防止反向电磁通量（Back Electromagnetic Flux，BEMF）电压损坏MOSFET. 在电机旋转过程中会产生BEMF. 当MOSFET关闭时，电动机的绕组仍然通电，并且会产生反向电流. D1必须具有适当的额定值才能消耗此电流.

BDC电机的双向控制需要一个称为H桥的电路. H桥的名称是由于其的出现而定的，它可以使电动机绕组中的电流沿两个方向移动. 要理解这一点，必须将H桥分为两部分或两个半桥. 如图8所示，Q1和Q2形成一个半桥，而Q3和Q4形成另一个半桥. 每个半桥可以控制BDC电机一端的导通和关断，使其电势为电源电压或接地电势. 例如，当Q1接通而Q2断开时，电动机的左端将处于电源电压的电位. 接通Q4并保持Q3断开将使电动机的另一端接地. 带有箭头标记的IFWD显示了此配置下的电流.

请注意，在每个MOSFET两端都连接了一个二极管（D1-D4）. 当MOSFET关断时，这些二极管可保护MOSFET免受BEMF产生的电流尖峰的影响. 仅当MOSFET内部的二极管不足以消耗BEMF电流时，才需要这些二极管. 电容器（C1-）是可选的. 这些电容器的值通常不超过10 pF，它们用于减少换向器拱产生的RF辐射.

表1显示了H桥电路的不同驱动模式. 在正向和反向模式下，电桥的一端处于地电位，另一端处于VSUPPLY. 在图8中，IFWD和IRVS箭头分别描绘了前进和后退工作模式的电路路径. 在惯性停车模式下，电动机绕组的端子保持浮动，并且电动机惯性停车直到停止. 制动模式用于快速停止BDC电机. 在制动模式下，电机端子接地. 当电动机旋转时，它充当发电机. 使电动机的导线短路相当于承受无限负载的电动机，这会使电动机快速停止. IBRK箭头描述了这一点

设计H桥电路时，必须考虑一个非常重要的问题. 当电路的输入不可预测时（例如在微控制器启动期间），必须将所有MOSFET偏置到截止状态. 这将确保H桥的每个半桥上的MOSFET永远不会同时打开. 同时导通同一半桥上的MOSFET将导致电源短路，最终将损坏MOSFET并使电路无法工作. 每个MOSFET驱动器输入上的下拉电阻将实现此功能（有关配置图，请参见图8）.

速度控制

BDC电动机的速度与施加到电动机的电压成正比. 使用数控技术时，脉冲宽度调制（PWM）信号用于生成平均电压. 电动机的绕组充当低通滤波器电机种类及原理，因此具有足够频率的PWM信号将在电动机的绕组中产生稳定的电流. 平均电压，电源电压和占空比之间的关系由以下公式给出:

公式1: VAVERAGE = D×VSUPPLY

速度和占空比之间存在直接关系. 例如，如果额定的BDC电动机在12V下以15000 RPM旋转，则当将占空比为50％的信号施加到电动机时，电动机（理想情况下）将以7500 RPM旋转. PWM信号的频率是考虑的重点. 如果频率太低，则电动机速度将太低，噪声会很大，并且对占空比变化的响应也将太慢.

如果频率太高，由于开关设备的开关损耗，系统的效率将降低. 经验法则是在4 kHz至20 kHz的范围内调制输入信号的频率. 此范围足够高，可以降低电动机的噪声，并且此时也可以忽略MOSFET（或BJT）中的开关损耗. 一般来说，这是通过实验方法为给定电动机找到满意的PWM频率的好方法. 如何使用PIC单片机产生PWM信号来控制BDC电机的速度？一种方法是通过编写特殊的汇编代码或C代码（1）交替翻转输出引脚的电平. 另一种方法是选择具有硬件PWM模块的PIC单片机. Microchip提供的具有此功能的模块是CCP和ECCP模块. 许多PIC微控制器具有CCP和ECCP模块. 有关具有这些功能模块的设备，请参阅产品选择指南.

注1: Microchip的应用笔记AN847给出了使用固件对I / O引脚进行脉冲宽度调制的汇编代码示例.

CCP模块（捕获比较和PWM的英文缩写）可以在I / O引脚上输出分辨率为10位的PWM信号. 10位分辨率意味着模块可以在0％到100％的范围内实现210个（即1024个）可能的占空比值. 使用此模块的优势在于，它可以在I / O引脚上自主生成PWM信号电机种类及原理，从而释放了处理器并有时间来完成其他任务. CCP模块仅要求开发人员配置模块的参数. 配置模块包括设置频率和占空比寄存器. ECCP模块（英语中的增强捕获比较和PWM（增强捕获比较和PWM））不仅可以提供CCP模块的所有功能，还可以驱动全桥或半桥电路. ECCP模块还具有自动关闭功能和可编程的死区延迟.

注: Microchip的应用笔记AN893提供了有关配置ECCP模块以驱动BDC电机的详细说明. 本应用笔记还包含固件和驱动器电路示例.

反馈机制

尽管BDC电动机的速度通常与占空比成正比，但没有完美的理想电动机. 发热，换向器磨损和负载都会影响电动机的速度. 在需要精确速度控制的系统中引入某种反馈方法是一个好主意. 速度控制可以通过两种方式实现. 第一种方法是使用某种类型的速度传感器. 第二种方法是使用电动机产生的BEMF电压.

传感器反馈

有多个传感器可用于速度反馈. 最常见的是光学编码器和霍尔效应传感器. 光学编码器由多个组件组成. 在电机非驱动端的轴上安装皮带轮. 红外LED在车轮的一侧提供光源，而光电晶体管在车轮的另一侧检测光（请参见图9）. 穿过轮子上的缝隙的光将打开光电晶体管. 当轴旋转时，光电晶体管将随着光线穿过轮槽而打开和关闭. 晶体管导通和截止的频率表征了电动机的速度. 在电动机移位的应用中，还将使用光学编码器来反馈电动机位置.

霍尔效应传感器还用于提供速度反馈. 与光学编码器类似，霍尔效应传感器需要连接到电动机的旋转元件和固定元件. 旋转元件是一个在其外边缘安装有一个或多个磁体的流道. 固定传感器检测经过的磁铁并生成TTL脉冲. 图10显示了霍尔效应传感器的基本组件.

反电磁通量（BEMF）

提供BDC电机的另一种快速反馈形式是BEMF电压测量. BEMF电压与速度成正比. 图11显示了在双向驱动电路中测量BEMF电压的位置. 分压器用于将BEMF电压降低至0-5V范围，以便可以由模数转换器读取. 当电动机的一端悬空而另一端接地时，则在PWM脉冲之间测量BEMF电压. 在这种情况下，电动机充当发电机并产生与速度成比例的BEMF电压.

由于效率和材料的不同，所有BDC电机的性能都会略有不同. 实验是确定给定电动机转速下BEMF电压的最佳方法. 电机轴上的反光带可帮助数字转速表测量电机速度（以RPM为单位）. 读取数字转速表并测量BEMF电压将获得电动机速度和BEMF电压之间的关系.

注: Microchip的应用笔记AN893提供了使用PIC16F684读取BEMF电压的固件和电路示例.

结论

有刷直流电动机易于使用和控制，因此其设计周期短. PIC微控制器，特别是具有CCP或ECCP模块的PIC微控制器，是驱动BDC电机的理想选择.

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