直流电机（direct current machine）是指能将直流电能转换成机械能（直流电念头）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的扭转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电念头运行时是直流电念头，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。
直流电机由定子和转子两部门构成，其间有必然的气隙。其组织的首要特点是具有一个带换向器的电枢。直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件构成。个中主磁极是发生直流电机气隙磁场的首要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心组成。直流电机的转子则由电枢、换向器（又称整流子）和转轴等部件组成。个中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部门构成。电枢铁心由硅钢片叠成，在其外圆处平均分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。换向器是一种机械整流部件。由换向片叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。各换向片间互相绝缘。换向器质量对运行靠得住性有很大影响。
直流电机的根基组成与直流电机驱动电路的设计图解
直流电机的根基组成
直流电机由定子和转子两部门构成，其间有必然的气隙。
直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件构成。个中主磁极是发生直流电机气隙磁场的首要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心组成。
直流电机的转子则由电枢、换向器（又称整流子）和转轴等部件组成。个中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部门构成。电枢铁心由硅钢片叠成，在其外圆处平均分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。
换向器是一种机械整流部件。由换向片叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。各换向片间互相绝缘。换向器质量对运行靠得住性有很大影响。
直流电机的根基组成与直流电机驱动电路的设计图解
直流电机的构成构造
直流电机的构造应由定子和转子两大部门构成。直流电机运行时静止不动的部门称为定子，定子的首要感化是发生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装配等构成。运行时迁移的部门称为转子，其首要感化是发生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以平日又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和电扇等构成。
定子
（1）主磁极
主磁极的感化是发生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部门构成铁心一样用0.5mm～1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部门，上面套励磁绕组的部门称为极身，下面扩宽的部门称为极靴，极靴宽于极身，既能够调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上，
（2）换向极
换向极的感化是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间或者发生的换向火花，一样装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组构成。换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。
（3）机座
电机定子的外壳称为机座。机座的感化有两个：
一是用来固定主磁极、换向极和端盖，并起整个电机的撑持和固定感化；
二是机座自己也是磁路的一部门，借以组成磁极之间磁的通路，磁通经由的部门称为磁轭。为包管机座具有充沛的机械强度和精巧的导磁机能，一样为铸钢件或由钢板焊接而成。
（4）电刷装配
电刷装配是用来引入或引出直流电压和直流电流的。电刷装配由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等构成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有精巧的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，互相之间必需绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置能够调整，调好今后加以固定。
转子
（1）电枢铁心
电枢铁心是主磁路的首要部门，同时用以嵌放电枢绕组。一样电枢铁心采用由0.5mm厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成，以降低电机运行时电枢铁心中发生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。
（2）电枢绕组
电枢绕组的感化是发生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的要害部件，所以叫电枢。它是由很多线圈（以下称元件）按必然纪律保持而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，分歧线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必需妥帖绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定。线圈伸出槽外的端接部门用热固性无纬玻璃带进行绑扎。
（3）换向器
在直流电念头中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的偏向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应发生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由很多换向片构成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘。
（4）转轴
转轴起转子扭转的撑持感化，需有必然的机械强度和刚度，一样用圆钢加工而成。
一、 直流电机驱动电路的设计方针
在直流电机驱动电路的设计中，首要考虑一下几点：
1. 功能：电机是单向照样双向迁移?需不需要调速?对于单向的电机驱动，只要用一个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机即可，当电机需要双向迁移时，能够使用由4个功率元件构成的H桥电路或许使用一个双刀双掷的继电器。若是不需要调速，只要使用继电器即可;但若是需要调速，能够使用三极管，场效应管等开关元件实现PWM(脉冲宽度调制)调速。
2. 机能：对于PWM调速的电机驱动电路，首要有以下机能指标。
1)输出电流和电压局限，它决意着电路能驱动多大功率的电机。
2)效率，高的效率不光意味着节约电源，也会削减驱动电路的发烧。要提高电路的效率，能够从包管功率器件的开关工作状况和防止共态导通(H桥或推挽电路或者显现的一个问题，即两个功率器件同时导通使电源短路)下手。
3)对掌握输入端的影响。功率电路对其输入端应有精巧的旌旗隔离，防止有高电压大电流进入主控电路，这能够用高的输入阻抗或许光电耦合器实现隔离。
4)对电源的影响。共态导通能够引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染;大的电流或者导致地线电位浮动。
5)靠得住性。电机驱动电路应该尽或者做到，无论加上何种掌握旌旗，何种无源负载，电路都是平安的。
二、三极管-电阻作栅极驱动
1.输入与电平转换部门：
输入旌旗线由DATA引入，1脚是地线，其余是旌旗线。注重1脚对地保持了一个2K欧的电阻。当驱动板与单片机离别供电时，这个电阻能够供应旌旗电流回流的通路。当驱动板与单片机共用一组电源时，这个电阻能够防止大电流沿着连线流入单片机主板的地线造成干扰。或许说，相当于把驱动板的地线与单片机的地线离隔，实现“一点接地”。
高速运放KF347(也能够用TL084)的感化是对照器，把输入逻辑旌旗同来自指示灯和一个二极管的2.7V基准电压对照，转换成接近功率电源电压幅度的方波旌旗。KF347的输入电压局限不克接近负电源电压，不然会失足。是以在运放输入端增加了防止电压局限溢出的二极管。输入端的两个电阻一个用来限流，一个用来在输入悬空时把输入端拉到低电平。
不克用LM339或其他任何开路输出的对照器取代运放，因为开路输出的高电平状况输出阻抗在1千欧以上，压降较大，后背一级的三极管将无法截止。
2.栅极驱动部门：
后背三极管和电阻，稳压管构成的电路进一步放大旌旗，驱动场效应管的栅极并行使场效应管自己的栅极电容(大约1000pF)进行延时，防止H桥上下两臂的场效应管同时导通(“共态导通”)造成电源短路。
当运放输出端为低电平(约为1V至2V,不克完全达到零)时，下面的三极管截止，场效应管导通。上面的三极管导通，场效应管截止,输出为高电平。当运放输出端为高电平(约为VCC-(1V至2V),不克完全达到VCC)时，下面的三极管导通，场效应管截止。上面的三极管截止，场效应管导通,输出为低电平。
上面的剖析是静态的，下面商议开关转换的动态过程：三极管导通电阻远小于2千欧，是以三极管由截止转换到导通时场效应管栅极电容上的电荷能够敏捷释放，场效应管敏捷截止。然则三极管由导通转换到截止时场效应管栅极经由2千欧电阻充电却需要必然的时间。响应的，场效应管由导通转换到截止的速度要比由截止转换到导通的速度快。假如两个三极管的开关动作是同时发生的，这个电路能够让上下两臂的场效应管先断后通，消弭共态导通现象。
实际上，运放输出电压转变需要必然的时间，这段时间内运放输出电压处于正负电源电压之间的中央值。这时两个三极管同时导通，场效应管就同时截止了。所以实际的电路比这种幻想情形还要平安一些。
场效应管栅极的12V稳压二极管用于防止场效应管栅极过压击穿。一样的场效应管栅极的耐压是18V或20V，直接加上24V电压将会击穿，是以这个稳压二极管不克用通俗的二极管取代，然则能够用2千欧的电阻取代，同样能获得12V的分压。
3.场效应管输出部门：
大功率场效应管内部在源极和漏极之间反向并联有二极管，接成H桥使用时，相当于输出端已经并联了消弭电压尖峰用的四个二极管，是以这里就没有外接二极管。输出端并联一个小电容(out1和out2之间)对降低电机发生的尖峰电压有必然的优点，然则在使用PWM时有发生尖峰电流的副感化，是以容量不宜过大。在使用小功率电机时这个电容能够略去。若是加这个电容的话，必然要用高耐压的，通俗的瓷片电容或者会显现击穿短路的故障。
输出端并联的由电阻和发光二极管,电容构成的电路指示电机的迁移偏向.
4.机能指标：
电源电压15~30 V,最大持续输出电流5A/每个电机，短时间(10秒)能够达到10A,PWM频率最高能够用到30KHz(一样用1到10KHz)。电路板包含4个逻辑上自力的，输出端两两接成H桥的功率放大单元，能够直接用单片机掌握。实现电机的双向迁移和调速。
5.布线：
大电流线路要尽量的短粗，而且尽量避免经由过孔，必然要经由过孔的话要把过孔做大一些(>1mm)而且在焊盘上做一圈小的过孔，在焊接时用焊锡填满，不然或者会烧断。此外，若是使用了稳压管，场效应管源极对电源和地的导线要尽或者的短粗，不然在大电流时，这段导线上的压降或者会经由正偏的稳压管和导通的三极管将其销毁。在一起头的设计中，NMOS管的源极于地之间曾经接入一个0.15欧的电阻用来检测电流，这个电阻就成了络续销毁板子的祸首祸首。当然若是把稳压管换成电阻就不存在这个问题了。
三、低压驱动电路的简略栅极驱动
一样功率场效应管的最高栅源电压为20V摆布，所以在24V应用中要包管栅源电压不克跨越20V，增加了电路的复杂水平。但在12V或更低电压的应用中，电路就能够大大简化。
上图就是一个12V驱动桥的一边，上面电路的三极管部门被两个二极管和两个电阻取代。（注重，跟上图逻辑是反的）因为场效应管栅极电容的存在，经由R3，R4向栅极电容充电使场效应管延缓导通;而经由二极管直接将栅极电容放电使场效应管立刻截止，从而避免了共态导通。
这个电路要求在IN端输入的是边缘陡峭的方波脉冲，是以掌握旌旗从单片机或许其他开路输出的设备接入后，要经由施密特触发器（好比555）或许推挽输出的高速对照器才能接到IN端。若是输入边缘过缓，二极管延时电路也就失去了感化。
R3，R4的拔取与IN旌旗边缘升降速度有关，旌旗边缘越陡峭，R3，R4能够选的越小，开关速度也就能够做的越快。Robocon竞赛使用的升压电路（道理相似）中，IN前用的是555。
四、边缘延时驱动电路
在前级逻辑电路里，有意地对掌握PMOS的下降沿和掌握NMOS的上升沿进行延时，再整形成方波，也能够避免场效应管的共态导通。此外，如许做能够使后级的栅极驱动电路简化，能够是低阻推挽驱动栅极，不必考虑栅极电容，能够较好的适应分歧的场效应管。
下图是两种边缘的延时电路：
下图是对应的NMOS，PMOS栅极驱动电路：
这个栅极驱动电路由两级三极管构成：前级供应驱动场效应管栅极所需的准确电压，后级是一级射极追随器，降低输出阻抗，消弭栅极电容的影响。为了包管不共态导通，输入的边缘要对照陡，上述先延时再整形的电路就能够做到。
五、另外几种驱动电路
1. 继电器+半导体功率器件的设法
继电器有着电流大，工作不乱的长处，能够大大简化驱动电路的设计。在需要实现调速的电机驱动电路中，也能够充裕行使继电器。有一个方案就是行使继电器来掌握电流偏向来改变电机转向，而用单个的特大电流场效应管（好比IRF3205，一样只有N型特大电流的管子）来实现PWM调速，如下右图所示。如许是实现稀奇大电流驱动的一个方式。换向的继电器要使用双刀双掷型的，接线如下左图，线圈接线如下中图：
2.几种驱动芯片
1) L298
2) A3952
3) A3940
4) L6203
六、PWM调速的实现
1．使用准时器的算法
//butcher增补一下吧
//算法道理
//编程实现要点
//优瑕玷
2．使用轮回移位的算法
发生PWM旌旗能够由准时器来完成,然则因为51内部只供应了两个准时器,是以若是要向三个或更多的直流电机输出分歧占空比的旌旗要频频设置准时器,实现较为复杂,我们采用一种对照简洁的方式不光能够实现对更多的直流电机供应分歧的占空比输入旌旗，并且只占用一个准时器资源。这种方式能够简洁表述如下:
在内存的某段空间内存放各个直流电机所需的输入旌旗占空比信息，若是占空比为1则留存0FFH(11111111B)；占空比为0.5则留存0F0H(11110000B)或任何2进制数中包罗4个0和4个1。即占空比＝1的个数/8
具体拔取什么样的二进制数要看输出频率的要求。若要对此直流电机输出PWM旌旗，只要每个时间片移位一次掏出个中固定的一位（能够用位寻址或进位标记C实现）送到电机端口上即可。此外，移位算法是一种对以前究竟依靠的算法，所以最好按期搜检或重置被移位的数，防止移错导致一向错下去。
这种算法的长处是自力历程，能够实现对多个电机的掌握，瑕玷是占用资源较大，PWM频率较低。
3.模拟电路PWM的实现
上图为一个使用游戏手柄或许航模摇杆上的线性电位器（或线性霍尔元件）掌握两个底盘驱动电机的PWM生成电路。J1是手柄的插座，123和456离别是x，y两个偏向的电位器。U1B供应半电源电压，U1A是电压追随。x，y分量经由合成成为掌握摆布轮两个电机转速的电压旌旗。在使用中，让L=(x+1)y/(x+1.4)，R=(x-1)y/(x-0.6)，经由试验有不错的结果（数字只是单元单子，不是电压值）。经由U1C和U1D构成的施密特振荡器把电压转换为响应的PWM旌旗，用来掌握功率驱动电路。以U1D为例，R1，R2构成有回差的施密特电路，上下门限受输入电压影响，C1和R3构成延时回路，如斯形成振荡的脉宽受输入电压掌握。Q1，Q2是三极管，构成反相器，供应差分的掌握旌旗。具体振荡过程拜见数字电路教材上对555振荡器的剖析。
七、步进电机驱动
1.小功率4相步进电机的驱动
下面是一种驱动电路框图:
达林顿管阵列ULN2803离别从锁存器掏出第0,2,4,6位和1,3,5,7位去驱动两个步进电机.四相步进电机的通电顺序能够有几种:A,B,C,D(4相4拍);AB,BC,CD,DA(4相双4拍);A,AB,B,BC,C,CD,D,DA(4相8拍).为了兼顾不乱性,转矩和功耗,一样采用4相8拍体式.所有这些体式都能够经由轮回移位实现(也要有按期监控),为了使4相8拍轻易实现,锁存器与驱动部门采用了交叉保持.
步进电机工作在四相八拍模式（即正转的输入旌旗为1000→1100→0100→0110→0010→0011→0001→1001→1000），对应每个步进电机要有四个旌旗输入端，理论上向端口输出旌旗能够掌握两个步进电机的工作。寄放器轮回移位奇偶位离别作两个步进电机的驱动端的做法，其思惟如下：
LOOP: MOV A,#1110000B ;在A寄放器中置入11100000
RR A ;右移位
AJMPLOOP ;轮回右移位
如许在寄放器A中存储的值会有如下轮回11100000→01110000→00111000→00011100→00001110→00000111→10000011→11000001→11100000,其奇数位有如下轮回1000→1100→0100→0110→0010→0011→0001→1001→1000,其偶数位有如下轮回
1100→0100→0110→0010→0011→0001→1001→1000→1100.将A输出到P0端口，则奇数位和偶数位恰是我们所需要的步进电机输入旌旗。
而事实上每个电机的动作是分歧的,为此我们在RAM中为每个电机拓荒一个byte的状况字节用以轮回移位.在每一个电机周期里,凭据需要对每个电机的byte进行移位,并用ANL指令将两个电机的状况合成到一个字节里输出此时的A同时能够掌握两个电机了
步进电机的速度由驱动脉冲的频率决意,移位的周期分歧,电机的速度也就分歧了.前面提到的电机周期,应该取各类或者的周期的最大公约数.换句话说,一旦电机周期取定,每个电机移位的周期应该是它的倍数.在法式中,对每个电机的响应时刻设定响应的分频比值,同时用一个变量进行加一计数:每到一个电机周期若计数变量<分频比值,则计数变量加1;若相等,则移位,计数变量清零.如许就实现了分频调速,能够让多个电机同时以分歧的速度运转.
此外,也能够采用传统的查表体式进行驱动,法式稍长,但也对照不乱，这种方式非常适合三相步进电机。
2.步进电机的智能驱动方案
步进电机有能够正确掌握的长处，然则功耗大，效率低，力矩小。若是选用大功率步进电机，为了降低功耗，能够接纳PWM恒流掌握的方式。根基思路是，用带反馈的高频PWM凭据输出功率的要求对每相恒流驱动，总体电流顺序又相符迁移顺序。需要力矩小的时候应实时减小电流，以降低功耗。该方案实现的电路，能够采用自力的单片机或CPLD加场效应管驱动电路以及电流采样反馈电路。
