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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