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  • 深入詳解直流電機控制技術

            直流電機的類型
     

            在現代電子產品中,自動控制系統,電子儀器設備、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。本文將詳細介紹各種直流電機的控制技術。
     

            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,外加適當的序列脈沖,可使主軸轉動一個精密的角度(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定的速度或方向進行連續的轉動。
     

            步進電機用微處理器或專用步進電機驅動集成電路,很容易實現控制。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,它的設計很簡單,但使用極為廣泛。當外加額定直流電壓時,轉速幾乎相等。這類電機用于錄音機、錄相機、唱機或激光唱機等固定轉速的機器或設備中。也用于變速范圍很寬的驅動裝置,例如:小型電鉆、模型火車、電子玩具等。在這些應用中,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,伺服電機就轉動,且轉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動。伺服電機應用甚廣,幾乎所有的自動控制系統中都需要用到。例如測速電機,它的輸出正比于電機的速度;或者齒輪盒驅動電位器機構,它的輸出正比于電位器移動的位置.當這類電機與適當的功率控制反饋環配合時,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盤常用伺服電機。天線轉動系統,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動電機。這類電機偶爾也用在轉盤驅動機構中。
     

            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,結合圖1的結構示意圖進行敘述。
     


            圖1是一種四相可變磁阻型的步進電機結構示意圖。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。八個齒構成四對,所以稱為四相步進電機。
     

            它的工作過程是這樣的:當有一相繞組被激勵時,磁通從正相齒,經過軟鐵芯的轉子,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,轉子被強迫移動,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齒,與正向的A齒對準。從這個位置再對B相進行激勵,如圖1中的(b),轉子向反時針轉過15°。若是D相被激勵,如圖1中的(c),則轉子為順時針轉過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。一種為反時針轉動;另一種為順時針轉動。但每步都使轉子轉動15°。電機步長(步距角)是步進電機的主要性能指標之一,不同的應用場合,對步長大小的要求不同。改變控制繞組數(相數)或極數(轉子齒數),可以改變步長的大小。它們之間的相互關系,可由下式計算:
     

            Lθ=360 P×N
     

            式中:Lθ為步長;P為相數;N為轉子齒數。在圖1中,步長為15°,表示電機轉一圈需要24步。
     

            2. 混和步進電機的工作原理
     

            在實際應用中,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。或者接成兩個三端形式,如圖2b所示。每相用雙極性晶體管驅動,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動電路的基本方式。它的驅動電壓是固定的。表1列出了全部步進開關的邏輯時序。
     


            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即可實現,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。
     

            兩相電機驅動器
     

            兩相(交流)電機有時用作精密唱機的轉盤。它是一種低電壓型的同步機構。
     

            圖21為兩相電機驅動器電路。這個電路能驅動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。電路穩定性經去耦網絡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)。
     


            伺服電機系統
     

            伺服電機是一種傳統的電機。它是自動裝置的執行元件。伺服電機的最大特點是可控。在有控制信號時,伺服電機就轉動,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。伺服電機的應用甚廣,幾乎所有的自動控制系統都需要用到。在家電產品中,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,也以橋接方式構成電機驅動差分放大器。
     

            當RV2的任意變化,都將破壞電橋的平衡,使RV1—RV2之間產生一差分電壓,并且加以放大后送至電機。電機將轉動,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,能用作唱機轉盤精密速度控制的原理圖。電機用傳統的皮帶機構驅動轉盤。轉盤的邊緣,用等間隔反射條文圖形結構。用光電測速計進行監視和檢測。光電測速計的輸出信號正比于轉盤的轉速。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行比較,用它的誤差信號控制電機驅動電路。因此,轉盤的轉速就精確地保持在額定轉速上。額定轉速的換檔,可由操作開關控制。這些控制電路,已有廠家做成專用的集成電路。
     

            2.數字比例伺服電機

     


            伺服電機的最好類型之一,是用數字比例遙控系統。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。圖24是這種系統的方塊圖。電路的驅動輸入,是用周期為15ms而脈沖寬度為1~2ms的脈沖信號驅動。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1.5ms脈寬的固定脈沖發生器。一路輸入觸發脈沖發生器,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生器。這三種脈沖同時送到脈寬比較器后,一路確定電機驅動電路的方向。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。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.數字伺服電機電路
     

            數字伺服電機控制單元,可以買到現成的集成電路。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進行調節。
     

            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為無穩多諧振蕩器,產生幀時間脈沖,它的輸出觸發IC2。而IC2是一個單穩電路,產生輸出測試脈沖。
     

            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↓)是它的內部原理方塊圖及基本應用。
     

     


            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)的同步可逆計數器。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 R1—C1去耦電路接到14腳。正電壓也必須經Rx送到4腳。Rx的作用是決定四個晶體管的最大輸出驅動電流的容量。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、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。全部的工作狀態已由表3列出。
     


            在任何時候,每隔四步時序重復一次。但是復位端為低電平時,可以復位到起始狀態。
     

            當方式控制輸入端為低電平時,在一個方向上(通常為順時針轉動)順序重復。反之,方式控制端為高電平時,則在另一個方向上(反時針轉動)順序重復。
     

            圖6是SAAl027的驅動和試驗電路。

     


            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555/7555無穩振蕩器進行自動步進的試驗。SW4可控制電機的方向。SW5用于復位控制試驗。
     

            用SW1和RV1電位器,可使無穩電路的工作速度能在很寬的范圍內變化。置位1檔時為低速控制,頻率范圍從5Hz—68Hz。SW2在2當和3檔時,振蕩頻率分別為第1檔的10倍和100倍。總的速度控制范圍從6—8500轉/分。
     

            圖6是一種基本電路。根據不同的使用場合,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,通常終端驅動電壓低于1V時,作為邏輯0狀態;而高于3.5V時,作為邏輯1狀態。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換時,工作狀態改變。復位端用高電平復位。方式輸入端為低電平時,電機正轉;而高電平時,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中的兩個電路。步進電機的每相都需要外加驅動電路,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。
     

     

     

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