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直流電機的類型
在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，自動控制系統(tǒng)，電子儀器設(shè)備、家用電器、電子玩具等等方面，直流電機都得到了廣泛的應(yīng)用。大家熟悉的錄音機、電唱機、錄相機、電子計算機等，都不能缺少直流電機。所以直流電機的控制是一門很實用的技術(shù)。本文將詳細介紹各種直流電機的控制技術(shù)。
直流電機，大體上可分為四類：
第一類為有幾相繞組的步進電機。這些步進電機，外加適當(dāng)?shù)男蛄忻}沖，可使主軸轉(zhuǎn)動一個精密的角度(通常在1.8°—7.5°之間)。只要施加合適的脈沖序列，電機可以按照人們的預(yù)定的速度或方向進行連續(xù)的轉(zhuǎn)動。
步進電機用微處理器或?qū)Ｓ貌竭M電機驅(qū)動集成電路，很容易實現(xiàn)控制。例如常用的SAAl027或SAAl024專用步進電機控制電路。
步進電機廣泛用于需要角度轉(zhuǎn)動精確計量的地方。例如：機器人手臂的運動，高級字輪的字符選擇，計算機驅(qū)動器的磁頭控制，打印機的字頭控制等，都要用到步進電機。
第二類為永磁式換流器直流電機，它的設(shè)計很簡單，但使用極為廣泛。當(dāng)外加額定直流電壓時，轉(zhuǎn)速幾乎相等。這類電機用于錄音機、錄相機、唱機或激光唱機等固定轉(zhuǎn)速的機器或設(shè)備中。也用于變速范圍很寬的驅(qū)動裝置，例如：小型電鉆、模型火車、電子玩具等。在這些應(yīng)用中，它借助于電子控制電路的作用，使電機功能大大加強。
第三類是所謂的伺服電機，伺服電機是自動裝置中的執(zhí)行元件，它的最大特點是可控。在有控制信號時，伺服電機就轉(zhuǎn)動，且轉(zhuǎn)速大小正比于控制電壓的大小，除去控制信號電壓后，伺服電機就立即停止轉(zhuǎn)動。伺服電機應(yīng)用甚廣，幾乎所有的自動控制系統(tǒng)中都需要用到。
例如測速電機，它的輸出正比于電機的速度；或者齒輪盒驅(qū)動電位器機構(gòu)，它的輸出正比于電位器移動的位置．當(dāng)這類電機與適當(dāng)?shù)墓β士刂品答伃h(huán)配合時，它的速度可以與外部振蕩器頻率精確鎖定，或與外部位移控制旋鈕進行鎖定。
唱機或激光唱機的轉(zhuǎn)盤常用伺服電機。天線轉(zhuǎn)動系統(tǒng)，遙控模型飛機和艦船也都要用到伺服電機。
最后一類為兩相低電壓交流電機。這類電機通常是直流電源供給一個低頻振蕩器，然后再用低頻低壓的交流去驅(qū)動電機。這類電機偶爾也用在轉(zhuǎn)盤驅(qū)動機構(gòu)中。
電機工作原理
1.步進電機的基本工作原理
步進電機有兩種基本的形式：可變磁阻型和混和型。步進電機的基本工作原理，結(jié)合圖1的結(jié)構(gòu)示意圖進行敘述。
圖1是一種四相可變磁阻型的步進電機結(jié)構(gòu)示意圖。這種電機定子上有八個凸齒，每一個齒上有一個線圈。線圈繞組的連接方式，是對稱齒上的兩個線圈進行反相連接，如圖中所示。八個齒構(gòu)成四對，所以稱為四相步進電機。
它的工作過程是這樣的：當(dāng)有一相繞組被激勵時，磁通從正相齒，經(jīng)過軟鐵芯的轉(zhuǎn)子，并以最短的路徑流向負相齒，而其他六個凸齒并無磁通。為使磁通路徑最短，在磁場力的作用下，轉(zhuǎn)子被強迫移動，使最近的一對齒與被激勵的一相對準(zhǔn)。
在圖1(a)中A相是被激勵，轉(zhuǎn)子上大箭頭所指向的那個齒，與正向的A齒對準(zhǔn)。從這個位置再對B相進行激勵，如圖1中的(b)，轉(zhuǎn)子向反時針轉(zhuǎn)過15°。若是D相被激勵，如圖1中的(c)，則轉(zhuǎn)子為順時針轉(zhuǎn)過15°。下一步是C 相被激勵。因為C相有兩種可能性：A—B—C—D或A—D—C—B。一種為反時針轉(zhuǎn)動；另一種為順時針轉(zhuǎn)動。
但每步都使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動15°。電機步長(步距角)是步進電機的主要性能指標(biāo)之一，不同的應(yīng)用場合，對步長大小的要求不同。改變控制繞組數(shù)(相數(shù))或極數(shù)(轉(zhuǎn)子齒數(shù))，可以改變步長的大小。它們之間的相互關(guān)系，可由下式計算：
Lθ＝360 P×N
式中：Lθ為步長；P為相數(shù)；N為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。在圖1中，步長為15°，表示電機轉(zhuǎn)一圈需要24步。
2.混和步進電機的工作原理
在實際應(yīng)用中，最流行的還是混和型的步進電機。但工作原理與圖1所示的可變磁阻型同步電機相同。但結(jié)構(gòu)上稍有不同。例如它的轉(zhuǎn)子嵌有永磁鐵。激勵磁通平行于X軸。一般來說，這類電機具有四相繞組，有八個獨立的引線終端，如圖2a所示?；蛘呓映蓛蓚€三端形式，如圖2b所示。每相用雙極性晶體管驅(qū)動，并且連接的極性要正確。
圖3所示的電路為四相混和型步進電機晶體管驅(qū)動電路的基本方式。它的驅(qū)動電壓是固定的。表1列出了全部步進開關(guān)的邏輯時序。
值得注意的是，電機步進為1—2—3—4的順序。在同一時間，有兩相被激勵。但是1相和2相，3相和4相絕對不能同時激勵。
四相混和型步進電機，有一特點很有用處。它可以用半步方式驅(qū)動。就是說，在某一時間，步進角僅前進一半。用單個混合或用雙向開關(guān)即可實現(xiàn)，這種邏輯時序由表2列出。
四相混和型步進電機，也能工作于比額定電壓高的情況。這可以用串聯(lián)電阻進行降壓。因為1相和2相，3相和4相是不會同時工作的，所以每對僅一個降壓電阻，串接在圖3中的X和Y點之間。因此額定電壓為6V的步進電機，就可以工作在12V的電源下。這時需串一個6W、6Ω的電阻。
兩相電機驅(qū)動器
兩相(交流)電機有時用作精密唱機的轉(zhuǎn)盤。它是一種低電壓型的同步機構(gòu)。
圖21為兩相電機驅(qū)動器電路。這個電路能驅(qū)動8歐兩相電機。每個繞組可達3瓦。頻率在45Hz到65Hz。集成電路選用LM377雙路3瓦音頻功率放大器作驅(qū)動。電源用正負11V。
電路工作原理。集成電路的左半部分接成文氏橋振蕩器，頻率可調(diào)由RV1調(diào)節(jié)，頻率可變范圍45Hz—65Hz。振幅調(diào)節(jié)由RV2控制，燈泡LP1作穩(wěn)定振幅用。IC1a的輸出一路直接饋送電機的一相繞組。集成電路的另一半IC1b是作為85移相器用。C6、R6是85移相器。但是在60HZ時要乘以一個十倍的衰減因子，所以IC1b要乘以十倍的增益。電路穩(wěn)定性經(jīng)去耦網(wǎng)絡(luò)C3—R4—R5，C4和C5保證。電機繞組與C8、C9所組成的諧振回路，調(diào)諧到中間頻率值(55Hz)。
伺服電機系統(tǒng)
伺服電機是一種傳統(tǒng)的電機。它是自動裝置的執(zhí)行元件。
伺服電機的最大特點是可控。在有控制信號時，伺服電機就轉(zhuǎn)動，且轉(zhuǎn)速大小正比于控制電壓的大小。去掉控制電壓后，伺服電機就立即停止轉(zhuǎn)動。伺服電機的應(yīng)用甚廣，幾乎所有的自動控制系統(tǒng)都需要用到。在家電產(chǎn)品中，例如錄相機、激光唱機等都是不可缺少的重要組成部分。
1.簡單伺服電機的工作原理
圖22示出了伺服電機的最簡單的應(yīng)用。電位器RV1由伺服電機帶動。電機可選用電流不超過700mA，電壓為12～24V的任一種伺服電機。圖中RV1 和RV2是接成惠斯登(Wheatstone)電橋。集成電路LM378是雙路4瓦功率放大器，也以橋接方式構(gòu)成電機驅(qū)動差分放大器。
當(dāng)RV2的任意變化，都將破壞電橋的平衡，使RV1—RV2之間產(chǎn)生一差分電壓，并且加以放大后送至電機。電機將轉(zhuǎn)動，拖動電位器RV1到新的位置，使電橋重新達到新的平衡。所以說，RV1是跟蹤了RV2的運動。
圖23是用方塊圖形式，畫出了測速傳感器伺服電機系統(tǒng)，能用作唱機轉(zhuǎn)盤精密速度控制的原理圖。電機用傳統(tǒng)的皮帶機構(gòu)驅(qū)動轉(zhuǎn)盤。轉(zhuǎn)盤的邊緣，用等間隔反射條文圖形結(jié)構(gòu)。用光電測速計進行監(jiān)視和檢測。光電測速計的輸出信號正比于轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速。把光電測速計輸出信號的相位和頻率，與標(biāo)準(zhǔn)振蕩器的相位和頻率進行比較，用它的誤差信號控制電機驅(qū)動電路。
因此，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速就精確地保持在額定轉(zhuǎn)速上。額定轉(zhuǎn)速的換檔，可由操作開關(guān)控制。這些控制電路，已有廠家做成專用的集成電路。
2.數(shù)字比例伺服電機
伺服電機的最好類型之一，是用數(shù)字比例遙控系統(tǒng)。實際上這些裝置是由三部份組成：采用集成電路、伺服電機、減速齒輪盒電位器機構(gòu)。圖24是這種系統(tǒng)的方塊圖。電路的驅(qū)動輸入，是用周期為15ms而脈沖寬度為1～2ms的脈沖信號驅(qū)動。輸入脈沖的寬度，控制伺服機械輸出的位置。例如：1ms脈寬，位置在最左邊；1.5ms在中是位置，2ms在最右邊的位置。
每一個輸入脈沖分三路同時傳送。一路觸發(fā)1.5ms脈寬的固定脈沖發(fā)生器。一路輸入觸發(fā)脈沖發(fā)生器，第三路送入脈寬比較電路。用齒輪盒輸出至RV1，控制可變寬度的脈沖發(fā)生器。這三種脈沖同時送到脈寬比較器后，一路確定電機驅(qū)動電路的方向。另一路送給脈寬擴展器，以控制伺服電機的速度，使得RV1迅速驅(qū)動機械位置輸出跟隨輸入脈寬的任何變化。
上述伺服電機型常用于多路遙控系統(tǒng)。圖25示出了四路數(shù)字比例控制系統(tǒng)的波形圖。
從圖中可以看出是串行數(shù)據(jù)輸入，經(jīng)過譯碼器分出各路的控制信號。每一幀包含4ms的同步脈沖，緊接在后面的是四路可變寬度(1～2ms)順序的“路”脈沖。譯碼器將四路脈沖變換為并行形式，就能用于控制伺服電機。
3.數(shù)字伺服電機電路
數(shù)字伺服電機控制單元，可以買到現(xiàn)成的集成電路。例如ZN409CE或NE544N型伺服電機放大器集成電路。圖26和圖27示出了這兩種集成電路的典型應(yīng)用。
圖中元件值適用于輸入脈沖寬度為1～2ms，幀脈沖寬度大約為18ms的情況。
圖28是適用上述伺服電機型的通用測試電路。伺服電源電池通常為5V。輸入脈沖經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)的伺服插座送到伺服電路。幀脈沖的寬度為13—28ms；用RV1調(diào)節(jié)控制。RV2調(diào)節(jié)控制脈沖寬度在1—2ms之間。用RV4微調(diào)中間值為1.5ms．輸出電平由RV3進行調(diào)節(jié)。
兩個集成電路為時基電路CMOS7555型，電源電壓可以低到3V仍然工作。IC1為無穩(wěn)多諧振蕩器，產(chǎn)生幀時間脈沖，它的輸出觸發(fā)IC2。而IC2是一個單穩(wěn)電路，產(chǎn)生輸出測試脈沖。
步進電機的控制電路
四相步進電機可用幾種專用的集成電路驅(qū)動器，SAAl027是其中常用的一種，它的特點是工作電壓范圍寬9.5V～18V；輸出驅(qū)動電流大，可達500mA。它適合作四相全步步進電機的控制。圖4是SAAl027的外形和引腳功能圖。圖5（下面↓）是它的內(nèi)部原理方塊圖及基本應(yīng)用。
實際上，集成電路有三路緩沖輸入，每一個緩沖輸入都控制一個二位(四狀態(tài))的同步可逆計數(shù)器。它的輸出送到一個編碼變換器。然后用四路輸出，去控制輸出級的四個晶體管。輸出級以集電極開路方式工作。電機的繞組線圈串入集電極。為防止反向電動勢損壞晶體管，在繞組的兩端并聯(lián)一反向二極管。
要特別注意的是：集成電路13腳和12腳是流過大電流的引腳。而14腳和5腳流過小電流。在使用時5腳和12腳都要接地。通常正12V直接接到13腳，然后經(jīng) R1—C1去耦電路接到14腳。正電壓也必須經(jīng)Rx送到4腳。Rx的作用是決定四個晶體管的最大輸出驅(qū)動電流的容量。Rx的大小可由下式計算；
Rx＝(4E／I)－6
式中E為電源電壓，I為所希望的電機最大相電流。當(dāng)用12V時，Rx值取420Ω、180Ω或78Ω)時，最大輸出電流分別為100mA、200mA、或350mA。
SAA1027集成電路有三個輸入控制端：計數(shù)、方式和復(fù)位。復(fù)位端通常是高電平。計數(shù)器每次從低電平到高電平的跳變，將使集成電路改變狀態(tài)。全部的工作狀態(tài)已由表3列出。
在任何時候，每隔四步時序重復(fù)一次。但是復(fù)位端為低電平時，可以復(fù)位到起始狀態(tài)。
當(dāng)方式控制輸入端為低電平時，在一個方向上(通常為順時針轉(zhuǎn)動)順序重復(fù)。反之，方式控制端為高電平時，則在另一個方向上(反時針轉(zhuǎn)動)順序重復(fù)。
圖6是SAAl027的驅(qū)動和試驗電路。
這個電路用于混和型四相步進電機，額定電流可達300mA。電機可用SW3進行手工的單步試驗，或者用SW2經(jīng)555／7555無穩(wěn)振蕩器進行自動步進的試驗。SW4可控制電機的方向。SW5用于復(fù)位控制試驗。
用SW1和RV1電位器，可使無穩(wěn)電路的工作速度能在很寬的范圍內(nèi)變化。置位1檔時為低速控制，頻率范圍從5Hz—68Hz。SW2在2當(dāng)和3檔時，振蕩頻率分別為第1檔的10倍和100倍?？偟乃俣瓤刂品秶鷱?—8500轉(zhuǎn)／分。
圖6是一種基本電路。根據(jù)不同的使用場合，還有幾種變化。
圖7是一種步進電機與微處理器的接口電路。
計算機或微處理器的輸出端口，通常終端驅(qū)動電壓低于1V時，作為邏輯0狀態(tài)；而高于3.5V時，作為邏輯1狀態(tài)。這種邏輯稱為正邏輯。不過圖7中電路與上述相反。因此，步進電機輸入端從高電平向低電平轉(zhuǎn)換時，工作狀態(tài)改變。復(fù)位端用高電平復(fù)位。方式輸入端為低電平時，電機正轉(zhuǎn)；而高電平時，電機反轉(zhuǎn)。
圖6電路設(shè)計最大輸出電流為300mA。
如果希望把電流擴展5A，則采用圖8中的兩個電路。步進電機的每相都需要外加驅(qū)動電路，一個四相步進電機，需要增加四個這樣的附加電路。圖8(a))的電路用于驅(qū)動電路，一個四相步進電機，需要增加四個這樣的附加電路。圖8(a)的電路用于驅(qū)動四個完全獨立的繞組。圖8(b)的電路用于繞組具有公共點步進電機。D1和D2的作用是防止電機的反電動勢損壞輸出級晶體管。
