这一章在干嘛?
正式进入电机专题篇第一章:拆开有刷电机看四大件(定子/转子/电刷/换向器),用左手定则讲透为什么会转,再认识驱动板上的 H 桥,最后跑通第一个基础驱动实验。
5.1 结构:四大件
直流有刷电机(BDC)由定子(产生固定磁场)、转子(通电绕组,在磁场中受力)、电刷(把外部电流引到转子)、换向器(随时改变绕组电流方向,持续转动的关键)组成:
原书图 5.1.1:直流有刷电机拆解图:定子、转子、电刷、换向器
优缺点速记:
优点——调速好、驱动简单、便宜;缺点——电刷磨损寿命短、换向火花有 EMI。需要大力矩时加减速齿轮组:功率一定,转速 ↓ 则扭矩 ↑(),这就是本书 JGB37-520E(30:1 减速比)的由来。
关键参数:额定电压/电流/转速/扭矩、减速比 N:1(转子原始转速与输出转速之比)。
原书图 5.1.2:直流有刷减速电机:尾部自带编码器
5.2 原理:左手定则与换向
本质是「通电导线在磁场中受力」。左手定则:磁场穿掌心(N→S),四指指电流,拇指即受力方向:
原书图 5.2.1:左手定则:磁场 B、电流 I、受力 F 三者方向关系
把电机简化成单匝线圈 E + 两片换向器 C/D + 两电刷 A/B:
原书图 5.2.2:直流有刷电机结构简图
- 第一步:电流经电刷 A → 换向器 C → 线圈左导线,左手定则判定左边受力向上;
- 第二步:电流流回右侧导线 → 换向器 D → 电刷 B,右边受力向下——线圈顺时针转起来;
- 第三步:转过 90° 后换向器与电刷接触关系互换,线圈内电流方向反转,但左右受力方向不变——继续顺时针转。
原书图 5.2.3:工作原理第一步:左右两侧受力方向相反,形成转矩
原书图 5.2.4:换向器位置改变后线圈内电流反向,受力方向不变
调速与换向:
调速 = 改输入电压大小(实际用 PWM 占空比);换向 = 改电流方向(实际用 H 桥)。实际转子有三匝以上线圈,受力更均匀,原理相同。
5.3 H 桥:让电机正反转的「电流四岔口」
想方便地换向,就用 H 桥:四个开关管围成 H 形,电机挂中间。Q1Q4 导通电流从左到右(正转);Q2Q3 导通电流从右到左(反转)。铁律:同一侧上下管绝不能同时导通,否则电源短路:
原书图 5.3.1:三极管搭建的简易 H 桥:Q1Q4 导通正转,Q2Q3 导通反转
驱动板上的完整 H 桥用 MOS 管 + 两片 IR2104 半桥驱动芯片 + 光耦隔离搭建。IR2104 的妙处:HO 和 LO 永远不会同时为高,硬件上就杜绝了同侧直通:
原书图 5.3.2:完整 H 桥驱动电路:光耦隔离 → 半桥驱动 → MOS 管 H 桥
原书图 5.3.3:控制逻辑实例:两路相反信号经光耦反相后驱动上下半桥
方向与速度控制组合拳:
方向——两路信号电平互换;速度——一路固定电平、另一路输出 PWM 调平均电压;两者兼得——高级定时器的 PWM 互补输出 正好满足「一路 PWM、一路固定电平」。
5.4 基础驱动实验
驱动板接口一览:编码器接口 CN2、控制/采集备用口 CN3、专用 24P 排线口 CN4(一根排线连开发板)、电机电源 M+/M-、驱动板电源(DC12~60V,分正负极):
原书图 5.3.4:ATK-PD6010D 驱动板接口分布
接线四步走:① 24P 排线连开发板(区分方向,不要硬怼)→ ② 按线序接电机(M+ 对 M+)→ ③ 接编码器(5V 供电)→ ④ 接 12V 电源。正负极千万别接反!
程序上用 TIM1 的 PA8(PWM_UH)+ PB13(互补 PWM_UL)输出,PF10 输出 SD 刹车信号;KEY0/KEY1 增减 PWM 比较值(正数正转、负数反转),KEY2 立即停止。串口可观察 PWM 参数变化,电机随占空比增减而变速——第一个电机实验完成!
1. 换向器的作用是什么?没有它会怎样?
换向器随转子旋转,周期性改变线圈内电流方向,使线圈两侧受力方向始终一致从而持续转动。没有它,线圈转过 90° 后受力会变成阻力矩,最终停在平衡位置。
2. H 桥为什么严禁同一侧上下管同时导通?
同侧上下管同时导通会把电源正负极直接短接(直通短路),瞬间大电流烧毁管子。完整驱动芯片(如 IR2104)从硬件逻辑上保证 HO/LO 不会同时为高。
3. 如何同时控制有刷电机的方向和速度?
一路信号输出 PWM(控速度),另一路固定电平(定方向);或用高级定时器互补输出:CH1 输出 PWM、CH1N 反相输出,电平互换即换向,占空比即速度。