直流电机及其驱动原理电机驱动系列解决方案 AN V1.00 Date: 2014/02/25 应用笔记类别关键词摘要内容直流电机本文档介绍直流电机及其驱动的基本原理广州周立功单片机科技有限公司

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1 AN V1.00 Date: 2014/02/25 应用笔记类别关键词摘要内容直流电机本文档介绍直流电机及其驱动的基本原理

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3 目录 1. 直流电机的工作原理直流电机的单向驱动单向非隔离驱动电路单向隔离驱动电路单向驱动程序直流电机的双向驱动双向非隔离驱动电路双向隔离驱动电路双向驱动程序免责声明

2(a) 是电机正转的情形, 电源极性为上正下负, 电流首先从转子线圈的顶端流进, 然后从转子线圈的底端流出, 形成环形电流, 根据右手法则, 线圈产生从右往左的磁力线, 相当于产生了一对左北 (N) 右南 (S) 的等效转子磁铁, 转子磁铁在定子磁铁的吸引下, 拖动转子逆时针转动相同的原理, 图 1.

4 1. 直流电机的工作原理直流电机具有启动快制动及时可在大范围内平滑调速控制电路相对简单等特点直流电机主要由定子转子换向器和电刷四部分组成, 详见图 1.1 常见的直流电机定子为一对南北极的磁铁, 转子为线圈绕组, 换向器是固定在转子上的两个金属半环, 电刷由弹簧片制作, 压紧在换向器上, 转子转动时直流电源通过电刷和换向器向转子线圈供电直流电机的基本工作原理详见图 1.2 图 1.2(a) 是电机正转的情形, 电源极性为上正下负, 电流首先从转子线圈的顶端流进, 然后从转子线圈的底端流出, 形成环形电流, 根据右手法则, 线圈产生从右往左的磁力线, 相当于产生了一对左北 (N) 右南 (S) 的等效转子磁铁, 转子磁铁在定子磁铁的吸引下, 拖动转子逆时针转动相同的原理, 图 1.2(b) 是电机反转的情形, 电源极性为下正上负, 电流首先从转子线圈的底端流进, 然后从转子线圈的顶端流出, 根据右手法则线圈产生从左往右图 1.1 有刷直流电机的结构图的磁力线, 相当于产生了一对右北 (N) 左南 (S) 的等效转子磁铁, 转子磁铁在定子磁铁的吸引下, 拖动转子顺时针转动根据上面的分析可知, 只要改变电源的供电方向, 即可改变直流电机的转动方向, 下面将要介绍的双向的驱动电路就是按照此原理设计的另外, 在拖动的负载不变的情况下, 直流电机的转速和电源电压成正比, 那么只要在驱动电路中改变电压的大小, 即可改变电机的转速图 1.2 直流电机工作原理 1

5 2. 直流电机的单向驱动 2.1 单向非隔离驱动电路如图 2.1 所示为典型的直流电机单向驱动电路单片机 U1 的 P1.3 脚输出控制电压, 当 P1.3 输出低电平时, 与非门 U2A 输出 5V,NPN 三级管 Q1 导通, 电机 M1 得到上正下负的电压, 电机开始转动 ; 当 P1.3 输出高电平时,U2A 输出 0V, Q1 截止, 电机开始停转 ; R1 是上拉电阻, 确保在 U1 的 P1.3 脚断开时电机停转在这里使用 U2A 的目的是增大对三极管的驱动电流, 因为电机的供电方向固定, 所以电机图 2.1 直流电机单向驱动电路图的转动方向也是固定的, 要改变转动方向, 需要交换电机的接线端的方向图 2.1 中的 C1 要求直接并接在电机的接线柱两端, 用于抑制电刷产生的干扰信号 C2 用于稳定电机回路的电压 D1 是续流二级管, 当 Q1 由导通变为截止的瞬间, 由于电机是感性负载, 电流继续从上而下地保持一小段时间, 并在 D1 上形成回路, 详见图 2.2 如果不安装 D1,Q1 截止后, 电机电流无法继续流动, 电机两端会产生高压, 从而有可能烧坏驱动电路 2.2 单向隔离驱动电路图 2.3 是在图 2.1 的基础上改进而来的单方向隔离驱动电路, 图 2.2 续流二极管的作用与图 2.1 不同的地方在于 : 在以三极管为核心的电机驱动电路和以单片机为核心的控制电路之间, 使用了电源隔离模块 U3 和数字光耦 U4 完全隔离开这里的隔离是指 : 驱动电路和控制电路之间没有任何电气接触, 两个电路之间的电阻值为无穷大, 驱动电路产生的静电浪涌群脉冲和高频辐射等干扰可以最大限度地和控制电路隔离开, 保证单片机可靠地运行在可靠性要求较高的应用场合, 如工业自动化医疗航天等领域, 通常要使用隔离驱动电路图 2.3 直流电机单向隔离驱动电路图图 2.3 使用电源隔离模块 U3, 将单片机使用的 5V 电源隔离出另外一路 5V 电源 ISO_5V, 2

6 供驱动电路使用 U3 选用广州致远电子有限公司生产的 ZY0505IBS-2W, 输入和输出电压均为 5V, 输出最大功率为 2W U3 的基本工作原理详见图 2.4, 首先 5V 输入电压经过 DC 变 AC 电路, 变换成交流电 AC1, 接着隔离变压器把 AC1 变压成交流电 AC2, 然后 AC2 经整流二极管变回直流电, 最后经三端稳压器稳压输出 5V 直流电压由于输入和输出之间完全靠隔离变压器耦合, 它们之间没有任何电气接触, 如果用万用表测量任意一个输入引脚和一个输出引脚, 它们之间的阻值为无穷大, 所以称之为电源隔离模块三极管 Q1 的控制信号和单片机之间通过数字光耦 U4 隔离开, 当 U4 内部的发光二极管被点亮时,U4 的接收端导通,ISO_5V 电源经过 R3 和 U4 向 Q1 的基极提供电流,Q1 导通, 当 U4 内部的发光二极管被关闭图 2.4 电源隔离模块工作原理时,U4 的接收端截止,Q1 的基极电流为零,Q1 截止, 其中 R4 的作用是在 Q1 截止时, 保证 Q1 的基极和发射极之间的电压为零由于 U4 的发光二极管需要 5mA 以上, 接收端才能可靠导通, 所以图 2.3 使用两路与非门 U2A 和 U2B 并接起来驱动 U4, 每门最大驱动电流为 4mA, 光耦的实际电流为 7mA 左右 R1 是下拉电阻, 确保在 U1 的 P1.3 脚断开时电机停转 2.3 单向驱动程序如程序清单 2.1 所示为直流电机的单方向驱动程序, 程序清单 2.1(1) 和 (2) 分别根据图 2.1 和图 2.3 定义了非隔离电路和隔离电路的开关电机宏定义, 在编译时根据电路选择编译主函数 main 进入死循环 for 之后, 首先调用宏定义打开电机, 接着延时 3 秒左右, 然后调用宏定义关闭电机, 最后延时 1 秒左右, 这样电机将转动 3 秒, 停转 1 秒, 转动 3 秒. 一直循环下去程序清单 2.1 直流电机单向驱动程序 #include <8051.h> /******************************************************************************************* 非隔离驱动 (1) *******************************************************************************************/ #define MOTOR_ON() P1_3 = 0 // 打开电机宏定义 #define MOTOR_OFF() P1_3 = 1 // 关闭电机宏定义 /******************************************************************************************* 隔离驱动 (2) *******************************************************************************************/ /* #define MOTOR_ON() P1_3 = 1 */ // 打开电机宏定义 /* #define MOTOR_OFF() P1_3 = 0 */ // 关闭电机宏定义 void main (void) { unsigned long i; for (; ;) { // for 循环 3

7 MOTOR_ON(); fo (i = 0; i < 60000; i++) { // 开电机 // 延时 3 秒 MOTOR_OFF(); for (i = 0; i < 20000; i++) { // 关电机 // 延时 1 秒 4

8 3. 直流电机的双向驱动 3.1 双向非隔离驱动电路如图 2.1 所示方案只能控制直流电机往单一的方向转动, 如果需要电机往两个方向都能转动, 一般使用 H 桥驱动电路, 详见图 3.1 图 3.1 直流电机双向驱动电路图 H 桥驱动电路使用四个三极管搭建, 上面两个 Q1 和 Q3 是 PNP 型, 下面两个 Q2 和 Q4 是 NPN 型图 3.2 电机正转如图 3.2 所示为控制电机正转时的情况, 黑色的部分表示有电流流过, 灰色部分表示没有电流流过如图 3.2(a) 所示, 当 Q1 和 Q4 导通,Q2 和 Q3 截止时, 电机的左端通过 Q1 接到 5V 电源, 右端通过 Q4 接到电源地, 电机得到左正右负的电压, 电流从左往右流, 电机正转如图 3.2(b) 所示为电机正转时突然关闭 Q1 和 Q4 的情况, 因为电机的内部有一定的等效电感, 在关闭 Q1 和 Q4 的瞬间, 为了维持原来的电流方向, 等效电感产生高于电源 5V 的电压, 让电流继续从左往右流, 经过 D3 向电源反向充电, 电流通过 D2 流回到电机, 当感生电压低于 5V 后, 停止反向充电, 电机开始停转如图 3.3 所示为控制电机反转时的情况, 黑色的部分表示有电流流过, 灰色部分表示没 5

9 有电流流过图 3.3 电机反转如图 3.3(a) 所示, 当 Q3 和 Q2 导通,Q1 和 Q4 截止时, 电机的右端通过 Q3 接到 5V 电源, 左端通过 Q2 接到电源地, 电机得到右正左负的电压, 电流从右往左流, 电机反转图 3.3(b) 是电机反转时突然关闭 Q3 和 Q2 的情况, 因为电机的内部有一定的等效电感, 在关闭 Q3 和 Q2 的瞬间, 为了维持原来的电流方向, 等效电感产生高于电源 5V 的电压, 让电流继续从右往左流, 经过 D1 向电源反向充电, 电流通过 D4 流回到电机, 当感生电压低于 5V 后, 停止反向充电, 电机开始停转在图 3.1 中, 由于单片机的驱动电流有限, 与非门 U2 一方面用于驱动三极管, 另一方面用于防止三极管短路如图 3.4 所示, 如果没有 U2, 当程序误操作时, 使得 R5 的输入电压为 0V,R6 为 5V,Q1 和 Q2 将会同时导通, 将 5V 电源短路烧毁图 3.4 H 桥短路电路如图 3.5 所示显示了 U2 短路保护的原理, 因为 Q2 是 NPN 型的三极管, 如果 Q2 导通,U2B 必须输出高电平 5V, 单片机的 P1.4 引脚必须输入低电平 0V, 又因为 P1.4 是 U2A 的其中一路输入, 根据与非门的工作原理, 无论 P1.3 输入任何电平,U2A 必然输出高电平 5V, Q1 是 PNP 的三极管,Q1 必然截止这样就保证了 Q1 和 Q2 不会同时导通 Q3 和 Q4 的关系也相同, 这里不再另行分析如表 3.1 所示为电机停转正转和反转的控制时序, 下面将按照此时序编程图 3.5 H 桥短路保护表 3.1 H 桥控制时序序号 P1.3,P1.4,P1.5,P1.6 三极管导通情况电机工作情况 1 0, 1, 1, 0 全部截止停转 2 1, 1, 0, 0 Q1 和 Q4 导通,Q2 和 Q3 截止正转 3 0, 0, 1, 1 Q1 和 Q4 截止,Q2 和 Q3 导通反转 6

10 3.2 双向隔离驱动电路图 3.6 直流电机双向隔离驱动电路图图 3.6 是在图 3.1 的基础上改进而来的双方向隔离驱动电路, 与图 3.1 不同的地方在于 : 以 H 桥为核心的电机驱动电路和以单片机为核心的控制电路之间, 使用电源隔离模块 U3 和数字光耦 U4 U5 完全隔离开光耦 U4 和 U5 一方面用于隔离单片机 U1 的控制引脚, 另一方面用于驱动 H 桥以 U4 为例说明, 如图 3.7 所示, 当 U4 内部的发光二极管被点亮时, 接收端导通, 隔离电源 ISO_5V 产生的电流首先经过 Q1 的 e 极和 b 极, 在上面产生 0.7V 左右的图 3.7 光耦 H 桥驱动的原理压降, 然后流过 U4 的接收端, 在上面产生 0.2V 左右的压降, 最后经 R10 流进 Q4, 在 Q4 的 b 极和 e 极之间产生 0.6V 左右的压降, 如图 3.7 所示的公式, 电流大约为 1mA, 因为这个电流分别流过 Q1 和 Q4 的 b 极, 它们可以同时导通, 电机得到左正右负的电压, 电机正转同理让 U5 导通,Q3 和 Q2 导通, 电机得到右正左负的电压, 电机反转从上面的分析可知, 当光耦 U4 或 U5 内部的发光二极管被点亮时,H 桥中对应的三极管导通, 如图 3.8 所示, 又因为 U4 的发光二极管端的正极接 U5 的负极,U4 的负极接 U5 的正极, 同一时间只能有图 3.8 光耦防止短路一个光耦导通, 所以 H 桥不会短路表 3.2 是根据图 3.6 设定的电机停转和正 / 反转的控制时序, 下面的驱动程序将按照此时序控制电机 7

11 表 3.2 隔离 H 桥控制时序 P1.3,P1.4 光耦工作情况三极管导通情况电机工作情况 1, 1 U4 和 U5 都截止全部截止停转 0, 1 U4 导通,U5 截止 Q1 和 Q4 导通,Q2 和 Q3 截止正转 1, 0 U4 截止,U5 导通 Q1 和 Q4 截止,Q2 和 Q3 导通反转 3.3 双向驱动程序如程序清单 3.1 所示为直流电机的双向驱动程序, 程序清单 3.1(1) 和 (2) 是分别根据表 3.1 和表 3.2, 定义了非隔离电路和隔离电路的电机停转正转和反转的宏定义, 在编译时根据电路选择编译主函数 main 进入死循环 for 之后, 首先调用电机正转的宏定义, 让电机正转 3 秒左右, 接着调用关电机的宏定义, 让电机停转 1 秒左右, 然后调用电机反转的宏定义, 让电机反转 3 秒左右, 最后再调用关电机的宏定义, 让电机再停转 1 秒左右这样电机将正转 3 秒, 停 1 秒, 反转 3 秒, 停 1 秒一直循环下去程序清单 3.1 直流电机双向驱动程序 Include <8051.h> /******************************************************************************************* 非隔离驱动 (1) *******************************************************************************************/ #define MOTOR_OFF() P1_3 = 0; P1_4 = 1; P1_5 = 1; P1_6 = 0 // 电机停转宏定义 #define MOTOR_FORWARD() P1_3 = 1; P1_4 = 1; P1_5 = 0; P1_6 = 0 // 电机正转宏定义 #define MOTOR_BACKWARD() P1_3 = 0; P1_4 = 0; P1_5 = 1; P1_6 = 1 // 电机反转宏定义 /******************************************************************************************* 隔离驱动 (2) *******************************************************************************************/ /* #define MOTOR_OFF() P1_3 = 1; P1_4 = 1*/ // 电机停转宏定义 /* #define MOTOR_FORWARD() P1_3= 0; P1_4 = 1 */ // 电机正转宏定义 /* #define MOTOR_BACKWARD() P1_3 = 1; P1_4 = 0 */ // 电机反转宏定义 void main (void) { unsigned long i; for (;;){ MOTOR_FORWARD(); for (i = 0; i < 60000; i++) { // for 循环 // 电机正转 // 延时 3 秒 MOTOR_OFF(); for(i = 0; i < 20000; i++) { // 电机关闭 // 延时 1 秒 8

12 MOTOR_BACKWARD(); for (i = 0; i < 60000; i++) { // 电机反转 // 延时 3 秒 MOTOR_OFF(); for (i = 0; i < 20000; i++) { // 电机关闭 // 延时 1 秒 9

13 4. 免责声明随附提供的软件或文档资料旨在提供给您 ( 本公司的客户 ) 使用, 仅限于且只能在本公司制造或销售的产品上使用该软件或文档资料为本公司和 / 或其供应商所有, 并受适用的版权法保护版权所有如有违反, 将面临相关适用法律的刑事制裁, 并承担违背此许可的条款和条件的民事责任本公司保留在不通知读者的情况下, 修改文档或软件相关内容的权利, 对于使用中所出现的任何效果, 本公司不承担任何责任该软件或文档资料按现状提供不提供保证, 无论是明示的暗示的还是法定的保证这些保证包括 ( 但不限于 ) 对出于某一特定目的应用此文档的适销性和适用性默示的保证在任何情况下, 公司不会对任何原因造成的特别的偶然的或间接的损害负责 10

14 销售与服务网络地址 : 广州市天河北路 689 号光大银行大厦 12 楼 F4 邮编 : 传真 :(020) 网址 : 电话 :(020) 广州专卖店地址 : 广州市天河区新赛格电子城室电话 :(020) 传真 :(020) 南京周立功地址 : 南京市珠江路 280 号珠江大厦 1501 室电话 :(025) 传真 :(025) 北京周立功地址 : 北京市海淀区知春路 108 号豪景大厦 A 座 19 层电话 :(010) 传真 :(010) 重庆周立功地址 : 重庆市九龙坡区石桥铺科园一路二号大西洋国际大厦 ( 赛格电子市场 )2705 室电话 :(023) 传真 :(023) 杭州周立功地址 : 杭州市天目山路 217 号江南电子大厦 502 室电话 :(0571) 传真 :(0571) 成都周立功地址 : 成都市一环路南二段 1 号数码科技大厦 403 室电话 :(028) 传真 :(028) 深圳周立功地址 : 深圳市福田区深南中路 2072 号电子大厦 12 楼 1203 电话 :(0755) (5 线 ) 传真 :(0755) 武汉周立功地址 : 武汉市洪山区广埠屯珞瑜路 158 号室 ( 华中电脑数码市场 ) 电话 :(027) 传真 :(027) 上海周立功地址 : 上海市北京东路 668 号科技京城东座 12E 室电话 :(021) 传真 :(021) 西安办事处地址 : 西安市长安北路 54 号太平洋大厦 1201 室电话 :(029) 传真 :(029) 厦门办事处 sales.xiamen@zlgmcu.com 沈阳办事处 sales.shenyang@zlgmcu.com 11

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