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第二节：电机控制相关知识 一、直流电机 1、直流电机电枢的调速原理 根据电机学可知，直流电机转速n的表达式为： =（Ｕ—ＩＲ）/（ＫΦ） 式中——电枢端电压；——电枢电流；——电枢电路总电阻；——每极磁通量；——电动机结构参数。 由可，直流电机的转速控制方法可分为两类对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控制法。其中励磁控制法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法少。现在，大多数应用场合都使用电枢控制法。本介绍的是在励磁恒定不变的情况下，采用来实现调速。 在对直流电动机电枢电压的控制和驱动中，半导体功率器件使用上分为两种方式：线性放大驱动方式和开关驱动方式。线性放大驱动方式半导体功率器件工作在线性区优点是：控制原理简单，输出波动小，线性好，对邻近电路干扰小但是功率器件工作在线性区效率和散热问题严重开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM）来控制电动机电枢电压，从而实现。 图.7.1. PWM调速控制原理和电压波形图 直流电动机PWM调速控制原理图和输入输出电压波形图3.7.1在图.7.1 (a)中当开关管高电平时开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压Ut1秒后变为低电平开关管截止电动机电枢两端电压为0t2秒后重新变为高电平开关管的动作重复前面的过程对应输入电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图.7.1 (b) 所示。电动机的电枢绕组两端的电压平均值UO为： U=(t1×US+0)/(t1+t2)=(t1×US)/T=DUS (3.7.2) 式中 D占空比, D=t1/T。 占空比D表示了在一个周期里开关管导通的时间与周期的比值。D的变化范围为0D≤1。由式(.7.2)可知，当电源电压U不变的情况下，电枢两端电压的平均值U取决于占空比D的大小，改变值就改变了电枢两端电压的平均值从而达到目的，PWM调速。 在PWM调速时，占空比D是一个重要参数。定宽调频法、调宽调频法和定频调宽法。定频调宽法，同时改变t1和t2，但周期T（或频率）保持不变。 （1）三拍工作方式 三相步进电动机如果按A—B—C—A方式循环通电工作，称为单三拍工作方式。在单三拍方式工作时，各相通电的波形如图3.7.5所示。 图3.7.5 在单三拍工作方式时的相电压波形 （2）双三拍工作方式 在双三拍工作方式中，步进电动机正转的通电的顺序为：AB—BC—CA；反转的通电顺序为：BA—AC—CB。在双三拍方式，各相通电的波形如图3.7.6所示。 图3.7.6 在双三拍工作方式时的相电压波形 （3）六拍工作方式 六拍工作方式是采用单三拍与双三拍交替使用的一种方法，也称作单双六拍或1—2相励磁法。步进电动机的正转通电顺序为：A—AB—B—BC—C—CA；反转通电顺序为：A—AC—C—CB—B—BA。在用六拍方式工作时，各相通电的波形如图3.7.7所示。 图3.7.7 六拍工作方式时的相电压波形 三、驱动电路设计 1．H桥驱动电路的工作原理 由于单片机的驱动能力不足，无法驱动像电机这样的大功率外部器件，因此必须外加驱动电路。 H桥驱动电路是较为常见的一种，下图所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。 如图3.13所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。由于H桥电路可以很方便的实现电机正反转的驱动因此应用广泛。 要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。 2．常用H桥集成电路芯片L298 H桥电路虽然有着诸多的优点，但是在实际制作过程中，由于元件较多，电路的搭建也较为麻烦，增加了硬件设计的复杂度。 由于H桥电路有诸多的优点，但是在实际制作过程中电路又比较麻烦，因此在本设计中我们采用H桥集成电机驱动芯片L298。L298N的工作原理和以上介绍的H桥相同。 L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该