微型直流電機電路控制方法

二、微型直流電機的工作原理

1、步進(jìn)電機有兩種形式①可變磁阻型；②混和型?；竟ぷ髟砣鐖D1。

上圖是一種四相可變磁阻型的步進(jìn)電機結構示意圖。這種電機定子上有八個(gè)凸齒，每一個(gè)齒上有一個(gè)線(xiàn)圈。線(xiàn)圈繞組的連接方式，是對稱(chēng)齒上的兩個(gè)線(xiàn)圈進(jìn)行反相連接，八個(gè)齒構成四對，所以稱(chēng)為四相步進(jìn)電機。當有一相繞組被激勵時(shí)，磁通從正相齒，經(jīng)過(guò)軟鐵芯的轉子，并以最短的路徑流向負相齒，而其他六個(gè)凸齒并無(wú)磁通。為使磁通路徑最短，在磁場(chǎng)力的作用下，轉子被強迫移動(dòng)，使最近的一對齒與被激勵的一相對準。在圖1(a)中A相是被激勵，轉子上大箭頭所指向的那個(gè)齒，與正向的A齒對準。從這個(gè)位置再對B相進(jìn)行激勵，如圖1中的(b)，轉子向反時(shí)針轉過(guò)15°。若是D相被激勵，如圖1中的(c)，則轉子為順時(shí)針轉過(guò)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(shí)針轉動(dòng)；另一種為順時(shí)針轉動(dòng)。但每步都使轉子轉動(dòng)15°。電機步長(cháng)(步距角)是步進(jìn)電機的主要性能指標之一，不同的應用場(chǎng)合，對步長(cháng)大小的要求不同。改變控制繞組數(相數)或極數(轉子齒數)，可以改變步長(cháng)的大小。

在實(shí)際應用中，最流行的還是混和型的步進(jìn)電機。但工作原理與圖1所示的可變磁阻型同步電機相同。但結構上稍有不同。例如它的轉子嵌有永磁鐵。激勵磁通平行于X軸。一般來(lái)說(shuō)，這類(lèi)電機具有四相繞組，有八個(gè)獨立的引線(xiàn)終端，如圖2a所示?；蛘呓映蓛蓚€(gè)三端形式，如圖2b所示。每相用雙極性晶體管驅動(dòng)，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(jìn)電機晶體管驅動(dòng)電路的基本方式。它的驅動(dòng)電壓是固定的。

值得注意的是，電機步進(jìn)為1—2—3—4的順序。在同一時(shí)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(shí)激勵。四相混和型步進(jìn)電機，有一特點(diǎn)很有用處。它可以用半步方式驅動(dòng)。就是說(shuō)，在某一時(shí)間，步進(jìn)角僅前進(jìn)一半。用單個(gè)混合或用雙向開(kāi)關(guān)即可實(shí)現，這種邏輯時(shí)序由表2列出。四相混和型步進(jìn)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(jìn)行降壓。因為1相和2相，3相和4相是不會(huì )同時(shí)工作的，所以每對僅一個(gè)降壓電阻，串接在圖3中的X和Y點(diǎn)之間。因此額定電壓為6V的步進(jìn)電機，就可以工作在12V的電源下。這時(shí)需串一個(gè)6W、6Ω的電阻。

三、兩相電機驅動(dòng)器

兩相(交流)電機有時(shí)用作精密唱機的轉盤(pán)。它是一種低電壓型的同步機構。圖21為兩相電機驅動(dòng)器電路。這個(gè)電路能驅動(dòng)8歐兩相電機。每個(gè)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動(dòng)。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，頻率可調由RV1調節，頻率可變范圍45Hz—65Hz。振幅調節由RV2控制，燈泡LP1作穩定振幅用。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(shí)要乘以一個(gè)十倍的衰減因子，所以IC1b要乘以十倍的增益。電路穩定性經(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，調諧到中間頻率值(55Hz)。

四、伺服電機系統

伺服電機是一種傳統的電機。它是自動(dòng)裝置的執行元件。伺服電機的最大特點(diǎn)是可控。在有控制信號時(shí)，伺服電機就轉動(dòng)，且轉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動(dòng)。伺服電機的應用甚廣，幾乎所有的自動(dòng)控制系統都需要用到。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(jiǎn)單伺服電機的工作原理

圖22示出了伺服電機的最簡(jiǎn)單的應用。電位器RV1由伺服電機帶動(dòng)。電機可選用電流不超過(guò)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，也以橋接方式構成電機驅動(dòng)差分放大器。當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。電機將轉動(dòng)，拖動(dòng)電位器RV1到新的位置，使電橋重新達到新的平衡。所以說(shuō)，RV1是跟蹤了RV2的運動(dòng)。

圖23是用方塊圖形式，畫(huà)出了測速傳感器伺服電機系統，能用作唱機轉盤(pán)精密速度控制的原理圖。電機用傳統的皮帶機構驅動(dòng)轉盤(pán)。轉盤(pán)的邊緣，用等間隔反射條文圖形結構。用光電測速計進(jìn)行監視和檢測。光電測速計的輸出信號正比于轉盤(pán)的轉速。把光電測速計輸出信號的相位和頻率，與標準振蕩器的相位和頻率進(jìn)行比較，用它的誤差信號控制電機驅動(dòng)電路。因此，轉盤(pán)的轉速就精確地保持在額定轉速上。額定轉速的換檔，可由操作開(kāi)關(guān)控制。這些控制電路，已有廠(chǎng)家做成專(zhuān)用的集成電路。

2.數字比例伺服電機

伺服電機的最好類(lèi)型之一，是用數字比例遙控系統。實(shí)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。圖24是這種系統的方塊圖。電路的驅動(dòng)輸入，是用周期為15ms而脈沖寬度為1～2ms的脈沖信號驅動(dòng)。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(gè)輸入脈沖分三路同時(shí)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(shí)送到脈寬比較器后，一路確定電機驅動(dòng)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迅速驅動(dòng)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。圖25示出了四路數字比例控制系統的波形圖。

從圖中可以看出是串行數據輸入，經(jīng)過(guò)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.數字伺服電機電路

數字伺服電機控制單元，可以買(mǎi)到現成的集成電路。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)標準的伺服插座送到伺服電路。幀脈沖的寬度為13—28ms；用RV1調節控制。RV2調節控制脈沖寬度在1—2ms之間。用RV4微調中間值為1.5ms．輸出電平由RV3進(jìn)行調節。兩個(gè)集成電路為時(shí)基電路CMOS7555型，電源電壓可以低到3V仍然工作。IC1為無(wú)穩多諧振蕩器，產(chǎn)生幀時(shí)間脈沖，它的輸出觸發(fā)IC2。而IC2是一個(gè)單穩電路，產(chǎn)生輸出測試脈沖。

4.步進(jìn)電機的控制電路

四相步進(jìn)電機可用幾種專(zhuān)用的集成電路驅動(dòng)器，SAAl027是其中常用的一種，它的特點(diǎn)是工作電壓范圍寬9.5V～18V；輸出驅動(dòng)電流大，可達500mA。它適合作四相全步步進(jìn)電機的控制。圖4是SAAl027的外形和引腳功能圖。圖5（下面↓）是它的內部原理方塊圖及基本應用。

實(shí)際上，集成電路有三路緩沖輸入，每一個(gè)緩沖輸入都控制一個(gè)二位(四狀態(tài))的同步可逆計數器。它的輸出送到一個(gè)編碼變換器。然后用四路輸出，去控制輸出級的四個(gè)晶體管。輸出級以集電極開(kāi)路方式工作。電機的繞組線(xiàn)圈串入集電極。為防止反向電動(dòng)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(guò)大電流的引腳。而14腳和5腳流過(guò)小電流。在使用時(shí)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(gè)晶體管的最大輸出驅動(dòng)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。當用12V時(shí)，Rx值取420Ω、180Ω或78Ω)時(shí)，最大輸出電流分別為100mA、200mA、或350mA。SAA1027集成電路有三個(gè)輸入控制端：計數、方式和復位。復位端通常是高電平。計數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。

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在任何時(shí)候，每隔四步時(shí)序重復一次。但是復位端為低電平時(shí)，可以復位到起始狀態(tài)。當方式控制輸入端為低電平時(shí)，在一個(gè)方向上(通常為順時(shí)針轉動(dòng))順序重復。反之，方式控制端為高電平時(shí)，則在另一個(gè)方向上(反時(shí)針轉動(dòng))順序重復。圖6是SAAl027的驅動(dòng)和試驗電路。

這個(gè)電路用于混和型四相步進(jìn)電機，額定電流可達300mA。電機可用SW3進(jìn)行手工的單步試驗，或者用SW2經(jīng)555／7555無(wú)穩振蕩器進(jìn)行自動(dòng)步進(jìn)的試驗。SW4可控制電機的方向。SW5用于復位控制試驗。用SW1和RV1電位器，可使無(wú)穩電路的工作速度能在很寬的范圍內變化。置位1檔時(shí)為低速控制，頻率范圍從5Hz—68Hz。SW2在2當和3檔時(shí)，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／分。圖6是一種基本電路。根據不同的使用場(chǎng)合，還有幾種變化。圖7是一種步進(jìn)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，通常終端驅動(dòng)電壓低于1V時(shí)，作為邏輯0狀態(tài)；而高于3.5V時(shí)，作為邏輯1狀態(tài)。這種邏輯稱(chēng)為正邏輯。不過(guò)圖7中電路與上述相反。因此，步進(jìn)電機輸入端從高電平向低電平轉換時(shí)，工作狀態(tài)改變。復位端用高電平復位。方式輸入端為低電平時(shí)，電機正轉；而高電平時(shí)，電機反轉。圖6電路設計最大輸出電流為300mA。如果希望把電流擴展5A，則采用圖8中的兩個(gè)電路。步進(jìn)電機的每相都需要外加驅動(dòng)電路，一個(gè)四相步進(jìn)電機，需要增加四個(gè)這樣的附加電路。圖8(a))的電路用于驅動(dòng)電路，一個(gè)四相步進(jìn)電機，需要增加四個(gè)這樣的附加電路。圖8(a)的電路用于驅動(dòng)四個(gè)完全獨立的繞組。圖8(b)的電路用于繞組具有公共點(diǎn)步進(jìn)電機。D1和D2的作用是防止電機的反電動(dòng)勢損壞輸出級晶體管。