1.8 直流电机

几乎所有我们今天看到的机械运动都是由电动机完成的。电动机将电能转化为机械能。电动机有各种不同的额定功率和尺寸。大型电动机的应用包括电梯、轧钢厂和电动火车。小型电动机的应用包括机器人、汽车和电动工具。电动机分为两类：直流（DC）电动机和交流（AC）电动机。交流和直流电动机的功能是相同的，即把电能转化为机械能。

了解交流和直流电动机

交流和直流电动机的基本区别在于电源：交流电动机使用交流电源，而直流电动机使用直流电源（如电池）。交流和直流电动机都包含一个静止部分（定子）和一个旋转部分（转子或电枢）。电动机的工作原理基于定子产生的磁场与流经转子的电流之间的相互作用，以产生转速和转矩。

什么是直流电动机？

直流电动机是一种将直流（DC）电能转化为机械能的机器。简单来说，它使用来自电池或其他直流电源的电能来产生旋转。

直流电动机是一种机电执行器，用于产生连续运动并控制旋转速度。直流电动机适用于需要速度控制和伺服控制或定位的应用。直流电动机有多种类型，它们都基于相同的工作原理。

一个简单的直流电动机如下图所示。

如前所述，任何电动机都由两个部分组成，即定子和转子。根据配置和结构，直流电动机分为三种类型：有刷电机、无刷电机和伺服电机。

直流电动机工作原理

机电能量转换装置在输入端接收电能，并在输出端产生机械能。用于此任务的三种主要电机是：直流电动机、感应电动机（异步电动机）和同步电动机。感应电动机和同步电动机是交流电动机。在所有电动机中，当与线圈相连的磁通量发生变化时，电能被转化为机械能。

当电能施加到垂直于磁场方向放置的导体上时，流经导体的电流与磁场之间的相互作用会产生一个力。这个力推动导体沿着垂直于电流和磁场的方向运动，因此这个力是机械性质的。

如果已知磁场密度 $B$、导体长度 $L$ 和流经导体的电流 $I$，则可以计算出作用在导体上的力。

作用在导体上的力由下式给出：

$F = B \times I \times L \quad (\text{牛顿})$

可以使用弗莱明左手定则确定导体的运动方向。

弗莱明左手定则适用于所有电动机。

弗莱明左手定则的图示如下。

当通电导体置于磁场中时，作用在导体上的力垂直于磁场和电流的方向。

根据弗莱明左手定则，左手拇指表示力的方向，食指表示磁场的方向，中指表示电流的方向。

直流电动机包含两组线圈，称为电枢绕组和励磁绕组。励磁绕组用于产生磁场。也可以使用一组永磁体来实现这一目的。如果使用励磁绕组，则为电磁铁。励磁绕组是电动机的固定部分，即定子。电枢绕组是电动机的转子部分。转子位于定子内部。转子或电枢通过机械换向器连接到外部电路。

通常，使用铁磁材料制造定子和转子，它们之间由气隙隔开。定子内的线圈绕组由多个线圈的串联或并联连接组成。铜绕组通常用于电枢和励磁绕组。

直流电动机的工作原理如下所述。

假设一个线圈置于磁场中，磁通密度为 $B$ 特斯拉。当线圈通过连接到直流电源供电时，电流 $I$ 流经线圈的长度。线圈中的电流与磁场相互作用，根据洛伦兹力公式，在线圈上产生一个力。这个力与磁场的强度和导体中的电流成正比。

直流电动机使用了相同的原理，它包含多个绕在电枢上的线圈，所有线圈都受到相同的力。这个力的结果是电枢的旋转。导体在磁场中的旋转会产生转矩。根据法拉第电磁感应定律，导体在磁场中的不同位置与导体相连的磁通量不同，这会在线圈中感应出一个电动势。这个电动势被称为反电动势。这个电动势的方向与供电电压相反，它负责导体中电流的流动。因此，流经电枢的总电流与供电电压和反电动势之间的差值成正比。

直流电动机的电气等效电路如下图所示。

直流电动机的电气等效电路分为两个电路：励磁电路和电枢电路。励磁电路负责产生磁场，并由单独的直流电压 $V_f$ 供电。励磁绕组的电阻和电感分别用 $R_f$ 和 $L_f$ 表示。由于电压的作用，在绕组中产生电流 $I_f$，从而建立必要的磁场。

在电枢中，电压 $V_T$ 施加在电动机的端子上，电流 $I_a$ 在电枢电路中流动。电枢绕组的电阻为 $R_a$，电枢中感应的总电压为 $E_b$。

根据基尔霍夫电压定律，对两个电路分别应用：

$V_f = I_f \times R_f$ $V_T = I_a \times R_a + E_b$

电动机中产生的转矩为：

$T = K \times I_a \times \Phi$

其中 $K$ 是取决于线圈几何形状的常数，$\Phi$ 是磁通量。

电动机的电功率为：

$P_{\text{电}} = E_b \times I_a$

转换为机械形式的功率为：

$P_{\text{机械}} = T \times \omega_n$

其中 $\omega$ 是角速度。这是传递给感应电枢电压的总功率，且有：

$E_b \times I_a = T \times \omega_n$

直流电动机的类型

直流电动机主要根据转子的供电方式分为两类：有刷直流电动机和无刷直流电动机。顾名思义，有刷直流电动机的转子通过换向器上的电刷供电，而无刷直流电动机则不需要电刷，因为它使用永磁体转子。

有刷直流电动机

这种电动机通过转子内的换向器和电刷通电产生磁场，因此被称为有刷电动机。电刷由碳制成。这些电动机可以是单独励磁或自励磁的。

电动机的定子部分由以圆形方式连接的线圈组成，形成所需的交替的南北极。这种线圈设置可以与转子线圈绕组串联或并联，形成串励直流电动机和并励直流电动机。直流电动机的电枢或转子部分包含换向器，它本质上是一个连接到铜段的电流导体，这些铜段在电气上是相互隔离的。随着电枢的旋转，可以通过电刷将外部电源连接到换向器。

有刷直流电动机类型

根据电枢绕组和励磁绕组的电气连接方式，直流电动机被分类。不同的连接方式产生了不同类型的电动机。直流电动机根据磁场的产生方式分为三类：他励电动机、自励电动机和永磁电动机。对于永磁型电动机，使用强磁体产生所需的磁场。对于他励和自励电动机，在定子结构中部署了电磁铁。

自励型直流电动机又分为三类：并励、串励和复励。

复励型电动机进一步分为累积复励和差复励，每种复励型又分为长并联和短并联类型。

他励电动机

顾名思义，他励直流电动机为电枢绕组和励磁绕组分别使用独立的电源。这意味着电枢绕组和励磁绕组在电气上是相互独立的。

电枢电流和励磁电流互不干扰，因为它们的电源不同。但是，总输入功率是个别功率的总和。如果 $V_f$ 和 $I_f$ 是对应于磁场电路的电压和电流，$V_t$ 和 $I_a$ 是对应于电枢电路的电压和电流，那么总输入功率由 $V_f \times I_f + V_t \times I_a$ 给出。

自励电动机

在自励直流电动机中，励磁绕组和电枢绕组不是连接到单独的电源，而是连接到同一个电源。这种连接方式可以以两种形式实现：并联（或并励）和串联（或串励）。因此，自励电动机进一步分为并励直流电动机和串励直流电动机。

并励直流电动机 在并励直流电动机中，励磁绕组和电枢绕组并联连接到同一电源，因此励磁绕组暴露于整个端电压。尽管电源相同，但励磁电流和电枢电流是不同的。并励直流电动机的速度是恒定的，不会因输出端的机械负载而变化。

并励直流电动机的结构如下图所示。

并励直流电动机的电气等效电路如下图所示。

如果 $E_b$ 是电动机的反电动势，则有

$V_t = E_b + I_a \times R_a$

如果电枢常数为 $K_a$，其旋转速度为 $\omega$，则有

$E_b = K_a \times \omega \times \Phi$

其中 $\Phi$ 是磁通量。

因此，

$V_t = K_a \times \omega \times \Phi + I_a \times R_a$

总电流为 $I_t = I_f + I_a$

因此，总功率为 $P = V_t \times I_t$

串励直流电动机 在串励直流电动机中，励磁绕组和电枢绕组与电源串联连接。因此，励磁绕组和电枢绕组中的电流相同。

串励直流电动机也被称为通用电动机，因为它可以使用交流电压电源或直流电压电源工作。

无论电压源的极性如何，串励直流电动机总是朝同一方向旋转。这是因为如果我们改变极性，电枢绕组的极性和磁场的方向会同时反转。串励直流电动机的速度会随机械负载而变化。

串励直流电动机的结构如下图所示。

串励直流电动机的电气等效电路如下图所示。

复励直流电动机 复励直流电动机结合了串励绕组和并励绕组。串励绕组与电动机的电枢串联连接，而并励绕组并联连接。

由于有两个产生磁场的励磁电路，复励直流电动机可以根据磁通量的方向进一步分为两种类型：累积复励直流电动机和差复励直流电动机。

如果并励绕组的磁通量协助串励绕组的磁通量，即两者方向相同，则为累积复励直流电动机。在这种情况下，总磁通量是个体磁通量的总和。

$\Phi_{\text{TOTAL}} = \Phi_{\text{SERIES}} + \Phi_{\text{SHUNT}}$

累积复励直流电动机的结构如下图所示。

累积复励直流电动机的电气等效电路如下图所示。

在差复励直流电动机中，串励绕组和并励绕组产生的磁通量方向相反，总磁通量是它们的差值。

$\Phi_{\text{TOTAL}} = \Phi_{\text{SERIES}} - \Phi_{\text{SHUNT}}$

在这种情况下，净磁通量小于原始磁通量，因此差复励直流电动机在实际应用中并不常见。

根据并励绕组的并联方式，累积复励和差复励直流电动机可以进一步分为长并联和短并联设备。

在长并联电动机中，励磁绕组与电枢和串励绕组并联。

如果励磁绕组仅与电枢并联，则为短并联。

永磁直流电动机

在永磁直流电动机中，使用强磁体产生磁场。因此，永磁直流电动机仅包含电枢绕组。

永磁有刷直流电动机如下图所示。

永磁有刷直流电动机比绕组式直流电动机更小且更便宜。通常使用稀土磁体（如钐钴或钕铁硼）作为永磁直流电动机中的磁体，因为它们是非常强大的磁体，具有高磁场。

永磁直流电动机的速度/转矩特性比绕组式直流电动机更线性。

有刷直流电动机的缺点是在重负载条件下，换向器和电刷之间会产生火花。这会产生大量热量并缩短电动机的使用寿命。

无刷直流电动机

无刷直流电动机通常由永磁体转子和绕组式定子组成。这种设计通过在转子中使用永磁体，消除了转子部分对电刷的需求。因此，与有刷直流电动机相比，这种类型的电动机不包含任何电刷，因此不会因电刷的磨损而产生磨损，且产生的热量较少。

由于电动机中没有电刷，因此需要其他方法来检测转子的角位置。霍尔效应传感器用于产生反馈信号，这些信号用于控制半导体开关器件。无刷直流电动机比有刷直流电动机更昂贵，且比有刷电动机更高效。

直流伺服电动机

小型直流电动机将以高速旋转，但其转矩不足以移动任何负载。直流伺服电动机由四个部分组成：普通直流电动机、用于速度控制的齿轮箱、控制电路和位置传感单元。齿轮箱将高速输入转换为更慢但更实用的速度。位置传感单元通常是一个电位器。控制电路是一个误差检测放大器。

在直流伺服电动机中，轴的位置反馈到控制电路，因此它们用于闭环应用。

电位器连接到轴上。它允许控制电路监测电动机的位置。控制电路将此位置与参考输入信号进行比较。控制电路的输出反馈到电动机。如果当前位置与参考位置之间存在任何不匹配，则误差检测放大器的输出端会生成一个误差信号。根据此信号，轴旋转并移动到所需位置并停止。

大多数直流伺服电动机可以在任一方向上旋转 180°。直流伺服电动机用于遥控设备、机器人技术，甚至大型工业应用。

驱动直流电动机

直流电动机可以通过晶体管、开关或继电器来开启或关闭。最简单的电机控制形式是线性控制，它使用双极型晶体管作为开关。驱动电路的目的是控制绕组中的电流。通过改变晶体管基极电流的量，可以控制电动机的速度。如果晶体管处于活动状态，则电动机以半速旋转，因为只有电源电压的一半到达电动机。当所有电源电压都到达电动机时，电动机以最大速度旋转。这发生在晶体管处于饱和状态时。

以下电路用于单向驱动电动机。

在上述电路中，电阻 $R_b$ 和 $R_1$ 非常重要。电阻 $R_b$ 用于保护控制电路免受电流尖峰的影响。电阻 $R_1$ 确保当输入引脚处于三态时，晶体管被关闭。

通过调制电源电压可以控制电动机的速度，因为速度与电源的平均值成正比。

脉冲的导通时间百分比称为占空比。上述脉冲的占空比为 $\beta = \frac{a}{a + b}$。

通过改变占空比，即通过改变脉冲的宽度，可以改变电动机的旋转速度。这被称为脉冲宽度调制（PWM）技术。也可以通过改变脉冲的频率来改变速度，而不改变脉冲的宽度。这被称为脉冲频率调制（PFM）。

改变直流电动机的方向

上述驱动电路的缺点是它是单向的，即电动机总是朝一个方向旋转。为了改变电动机的旋转方向，必须反转电源的极性。为此，可以使用不同的开关。

第一种连接方式是使用双刀双掷（DPDT）开关。

连接方式如下图所示。

当开关处于位置 A 时，电动机朝正方向旋转。当电动机的端子连接到位置 B 的开关时，方向反转。

第二种连接方式是使用四个单刀单掷（SPST）开关。

连接方式如下图所示。

通过组合不同的开关，可以实现不同的功能。

组合及其相应操作如下。

A + D —— 正方向

B + C —— 反方向

A + B —— 停止并制动

C + D —— 停止并制动

全部关闭 —— 停止

H 桥电机驱动

为了更好地实现直流电动机的双向控制，需要一种称为 H 桥的电路。由于其在原理图中相对于电机在中心条上的位置，该电路被称为 H 桥。该电路可用于使电流在电动机绕组中双向流动。

H 桥直流电动机驱动电路如下图所示。

控制信号 CNTRL 1、CNTRL 2、CNTRL 3 和 CNTRL 4 分别用于切换晶体管 Q1、Q2、Q3 和 Q4 的开启和关闭。

操作过程不言自明。必须考虑的一个重要问题是，当输入信号不确定时，所有场效应晶体管（FET）都必须处于关闭状态，以防止H桥每一侧的晶体管同时导通。因此，每个晶体管都使用了下拉电阻。

H桥的另一种实现电路如下图所示。

L293D 电机驱动集成电路（IC）

L293D电机驱动集成电路（IC）基于H桥的概念工作，允许电机向两个方向旋转。L293D IC是一个16引脚的设备，具有两组输入和输出引脚，因此可以使用单个IC控制两个直流电机。

L293D IC的引脚图如下所示。

引脚2、7和引脚10、15是控制信号，用于控制电机的旋转方向。

对于电机1：

• 引脚2 = 逻辑1且引脚7 = 逻辑0 —— 正向旋转
• 引脚2 = 逻辑0且引脚7 = 逻辑1 —— 反向旋转

对于其他组合，电机不会旋转。

同样，对于电机2：

• 引脚10 = 逻辑1且引脚15 = 逻辑0 —— 正向旋转
• 引脚10 = 逻辑0且引脚15 = 逻辑1 —— 反向旋转

使用L293D电机驱动IC控制两个电机的电路如下图所示。

电源电压VCC1用于内部操作，即激活信号或启用/禁用功能。用于驱动电机的电源是VCC2。通常情况下，VCC1 = 5V，VCC2 = 9V或12V。