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直流电机

  基本概念

  电机：俗称“马达”，依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。包括：电动机和发电机。

电动机在电路中是用字母M表示，它的主要作用是产生驱动转矩；作为用电器或各种机械的动力源，发电机在电路中用字母G表示，它的主要作用是利用机械能转化为电能。

电机控制：对电机的启动、加速、运转、减速及停止进行的控制。

直流电机分类

  1.直流有刷电机

  直流有刷电机(BrushedDC，简称BDC)，由于其结构简单，操控方便，成本低廉，具有良好的偏动和调速性能等优势，被广泛应用于各种动力器件中，小到玩具，按钮调节式汽车座椅，大到印刷机械等生产机械中都能看到它的身影。

直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组，产生电枢电流，电枢电流产生的磁场与主磁场相互作用产生电磁转矩，使电机旋转带动负载。

  优点：价格低、控制方便

  缺点：由于电刷和换向器的存在，有刷电机的结构复杂，可靠性差，故障多，维护工作量大，寿命短，换向火花易产生电磁干扰。

  2.无刷直流电机

  无刷直流电机【BLDCM】是在有刷直流电机的基础上发展来的，但它的驱动电流是不折不扣的交流。一般地，无刷电机的驱动电流有两种，一种是梯形波(方波)，另一种是正弦一般的，把方波驱动的叫做直流无刷电机(BLDC)；把正弦波驱动的叫做永磁同步电机(PMSM)，这个实际上就是伺服电机。

  直流无刷电机与伺服电机有类似的优缺点。BLDC电机比PMSM电机造价便宜一些，驱动控制方法简单一些。

  3.直流减速电机

  直流减速电机，即齿轮减速电机，是在普通直流电机的基础上，加上配套齿轮减速箱。齿轮减速箱的作用是，提供较低的转速，较大的力矩。同时，齿轮箱不同的减速比可以提供不同的转速和力矩。这大大提高了，直流电机在自动化行业中的使用率。减速电机是指减速机和电机(马达)的集成体。

  直流电机两条原理：

  1.直流电机的转速和电压成正比；

  2.直流电机的扭矩和电流成正比。

2.H桥驱动电路

直流电机驱动机理

  直流电机旋转：给电机两根线供电电机就可以旋转，给正电压电机正转，给相反电压电机反转；电压越大，电机转得越快，电压越小，转速也变小。

  一般我们利用STM32单片机可以方便的调整电机速度，但STM32的IO接口电压和电流一般都是非常有限的，电压是3.3V，电流是8mA，所以为方便控制需要在微控制器和电机直接添加驱动电路板，该电机驱动板有两种输入线：电源输入线和控制信号输入线。

  电源输入线一般要求是可以提供电机额定电源的大电流电源，一般来说电机所需要的电压和额定电流是多少，那么就要给电机驱动板提供多大的电压和电流，它是给电机提供动力的来源。

  控制信号线与微控制器的信号线连接，是实现调速的方法，一般是PWM的可调方波信号。

  电机驱动板还有一个输出线，有两个接口，它与直流电机的引脚直接连接。注意，这里的电机驱动板输出线是应该一系列电路之后才输出的，也就是通过输入信号调制后的输出线。电机控制都是必须有驱动器的。

  H桥驱动电路

  下面以MOS管搭建的H桥电路解释电机正反转控制。要使电机运转，必须使对角线上的一对MOS管导通。

  如下图，当Q1管和Q4管导通时(此时必须保Q2和Q3关断)，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。

  另一对MOS管2相Q3导通的时候(此时必须保证Q1和Q4关断)，电流从右至左流过电机，从而驱动电机沿逆时针方向转动。

  驱动电机时，保证H桥两个同侧的MOS管不会同时导通非常重要，如果MOS管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从电源正极穿过两个MOS管直接回到负极，此时电路中除了MOS管外没有其它任何负载，因此电路上的电流就达到最大值，烧坏MOS管和电源。Q3和Q4同时导通是同样的道理。

  简单的开关只能控制电机正反转，引入PWM控制可以实现方向和速度调节。调节占空比实现控速，占空比越大平均电压(电流)越大，速度越快PWM频率一般在10KHz~20KHz之间。频率太低会导致电机转速过低，噪声较大。频率太高，会因为MOS管的开关损耗而降低系统的效率。

  电流衰减模式(decay mode)

  所谓衰减模式，可简单理解为如何使电机停下：如果控制电机一直向一个方向旋转不会产生问题。但是如果这是想让电机停下，那么问题就来了。由于电机是感性负载，电流不能突变。在断开电机两端所加的电压时，电机产生的反向电动势很有可能损坏FET。因此想让电机停下，除了断开供电，还要形成一个续流的回路，释放掉电机上的能量。

  以左侧正向旋转的图为例：

  1.首先电机正向旋转，电流流向如①线所示；

  2.如果此时采取滑动/快衰减模式：四个MOSFET关断，电机上的电流会通过Q2和Q3的寄生二极管继续流动，如②线所示。可发现，此时电流的流向是与电源电压相反的，因此电流衰减很快，当电流衰减为0时，由于FET是关断的，电源电压不会加在电机上，电机会逐渐停下。

  3.如果采取制动/慢衰减模式：Q2、Q4导通，Q1、Q3关断。电机上的电流通过Q2和Q4继续流动，如③线所示，电机上的能量会逐渐消耗在电机本身和Q2、Q3上，这样的电流衰减相对较慢。

  特别注意：快慢衰减指的是电流，而不是电机转动的速度。

  在快衰减模式(fast decay)下，由于电流迅速下降，那么电感电机上储存的能量就会释放很慢(简单理解E=I^2R),电机会逐渐停止，因此该模式又叫滑动；

  在慢衰减模式(slow decay)下，电机的两端类似于短接，电流很大且衰减慢，储存的能量被瞬间释放，此时电机会瞬间停止，因此该模式又叫制动。