有刷直流电机的工作原理

有刷直流电机的工作原理图如图2-1所示。在有刷直流电机的固定部分有磁铁，这里称作主磁极;固定部分还有电刷。转动部分有环形铁芯和绕在环形铁芯上的绕组。

图2-1所示的两极有刷直流电机的固定部分(定子)上装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分(转子)上装设电枢铁芯。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁芯上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通 。

①有刷盘式绕组电机。有刷盘式绕组电机以稀土材料粘结在一缸体上，漆包铜线绕成的盘式绕组置于缸体之内，构成转子。电机相位靠机械式换相器调整。机械式换相器是靠固定的炭制电刷与转动的铜制换相面摩擦来调整电压相位的。这种电机在使用中电刷一直在磨损，电机的寿命很难超过2000h。同时，由于电机的转速较高，必须采取两级齿轮减速，这就带来了两个问题，一是噪声较大，二是效率损失大，经减速后的电机额定效率往往只能达到68%～72%。而电动自行车所用的蓄电池的容量是有限的，一般就是36V/12Ah的容量，如电机效率不高，将使电耗增加，影响续行里程。

②有刷印制绕组电机。有刷印制绕组电机以印制铜箔板作为绕组，电机重量减轻了。由于这种电机全部是在自动生产线上生产的，工艺有可靠保证，从而使电机的寿命提高到3000h，噪声大幅度下降，效率提高到72%～76%。但这种电机有“嗡嗡”的高频噪声，靠齿轮减速后效率仍不理想，有刷换相器的使用使电机寿命无法再提高。

③有刷压制绕组电机。这种电机通过将绕制好的铜线压制成一种新型绕组，其效率可提高到74%～78%。这种电机仍然被较多电动自行车厂家采用，但其存在的效率、噪声、寿命缺陷仍然是必须改进的问题。

轮毂式有齿轮传动的有刷直流电机，由盘形电枢有刷电机和齿轮减速兼传动系统两部分构成。盘形电枢是高速转动的转子。轮毅式有齿轮传动的有刷直流电机的构造如图2-2所示。电机的转矩通过轴传递给第一级齿轮，经齿轮减速带动轮毂外壳转动 。

有刷有齿轮毂电机的盘形电枢是薄片形，体积很小，重量特轻，安装方便。绕组编制好之后，用树脂加玻璃纤维放进模内热压成型，在运行中由于电刷和换向器摩擦，又有齿轮啮合减速，所以有刷电机的运行声音比无刷电机声音要大。

为了适应轮毂结构，将有刷电机设计成电枢放在外边作为转子，磁钢放在电机之内作为定子，多块磁钢配多个绕组，设计转速为180r/min左右的低速电机。图2-3(a)所示为电机外转子中尚未经过压力整形的电枢绕组，，在绕组以内是呈平面环状整齐排列的换向片。图2-3(b)所示的是放在外转子内的间隔排列着10块磁钢的定子，在中间的毂板上开有两个孔，电刷的刷握就设在孔的背侧，电刷带着导线被弹簧从刷握中弹出。

有刷电机的定子轴端套有一个螺母，其作用是防止在加工中损伤轴上的螺纹。把电刷整理好装入刷握中，然后将这一端送进图2-3(a)所示的孔中，电刷就可以接触换向器平面，借助弹簧的弹力对换向器压紧，而磁钢正好进入外转子绕组中，只留一个很小的环形气隙。这个环形气隙的直径越大，电机产生的转矩也越大。

由于有刷电机在设计中的改进，无须齿轮减速，可实现低噪声、低成本。很多低价位的电动自行车广泛采用了这种电机。但这种电机扭矩小，载重负荷小，爬坡能力不佳，使用时耗电较多，仍然采用机械式的电刷换相器，电机寿命问题尚未得到解决，因此中高档电动自行车均未采用这种电机。

图1给出了一个简单BDC电机的结构。所有BDC 电机的基本组件都是一样的：定子、电刷和换向器。后面将更详细地介绍每个组件.

有刷直流电机定子

定子会在转子周围产生固定的磁场。这一磁场可由永磁体或电磁绕组产生。BDC电机的类型由定子的结构或电磁绕组连接到电源的方式划分 （欲知BDC电机的不同类型请参见步进电机的类型）。

有刷直流电机转子

转子（也称为电枢）由一个或多个绕组构成。当这些绕组受到激励时，会产生一个磁场。转子磁场的磁极将与定子磁场的相反磁极相吸引，从而使定子旋转。在电机旋转过程中，会按不同的顺序持续激励绕组，因此转子产生的磁极绝不会与定子产生的磁极重叠。转子绕组中磁场的这种转换被称为换向 。

有刷直流电机电刷和换向器

与其他电机类型 （即，无刷直流电机和交流感应电机）不同，BDC电机不需要控制器来切换电极绕组中电流的方向，而是通过机械的方式完成BDC电机绕组的换向。在BDC电机的转轴上安装有一个分片式铜套，称为换向器。随着电机的旋转，碳刷会沿着换向器滑动，与换向器的不同分片接触。这些分片与不同的转子绕组连接，因此，当通过电机的电刷上电时，就会在电机内部产生动态的磁场。注意电刷和换向器由于两者之间存在相对滑动，因而是BDC电机中最容易损耗的部分，这一点很重要。

有刷直流电机永磁体

永磁体有刷直流 （Permanent Magnet Brushed DC ，PMDC）电机是世界上最常见的BDC电机。这类电机使用永磁体产生定子磁场。PMDC电机通常用在包括分马力电动机在内的应用中，这是因为永磁体比绕组定子具有更高的成本效益。PMDC电机的缺点是永磁体的磁性会随着时间的推移逐渐衰退。 某些PMDC电机的永磁体上还绕有绕组，以防止磁性丢失的情况发生。PMDC电机的性能曲线 （电压与速度关系曲线）的线性非常好。电流与转矩成线性关系。由于定子磁场是恒定的，所以这类电机对电压变化的响应非常快。

有刷直流电机并激

并激有刷直流（Shunt-wound Brushed DC，SHWDC）电机的励磁线圈与电枢并联 。励磁线圈中的电流与电枢中的电流相互独立。因此，这类电机具有卓越的速度控制能力。SHWDC电机通常用在需要五个或五个以上马力的应用中。在SHWDC电机中，不会出现磁性丢失的问题，因此它们通常比PMDC电机更加可靠。

有刷直流电机串激

串激有刷直流 （Series-wound Brushed DC，SWDC）电机的励磁线圈与电枢串联。由于定子和电枢中的电流均随负载的增加而增加，因此这类电机是大转矩应用的理想之选。SWDC电机的缺点是它不能像PMDC和SHWDC电机那样对速度进行精确控制。

有刷直流电机复激

复激 （Compound Wound，CWDC）电机是并激和串激电机的结合体。CWDC电机可产生串激和并激两种磁场。CWDC电机综合了SWDC和SHWDC电机的性能，它具有比SHWDC电机更大的转矩，又能提供比SWDC电机更佳的速度控制 。

有刷直流电机基本驱动电路

驱动电路用在使用了某类控制器并且要求速度控制的应用中。驱动电路的目的是为控制器提供改变BDC电机中绕组电流的方法。驱动电路允许控制器对BDC电机的供电电压进行脉宽调制。就功耗来说，这样的速度控制方法在改变BDC电机的速度方面比起传统的模拟控制方法效率要高很多。传统的模拟控制要求与电机绕组串联一个额外的变阻器，这样会降低效率。驱动BDC电机的方法多种多样。 有些应用场合仅要求电机往一个方向运转。前者采用低端驱动，后者采用高端驱动。 使用低端驱动的优点是可以不必使用FET驱动器。FET驱动器的用途是：

1. 将驱动MOSFET的TTL信号转换为供电电压的电平。

2. 提供足以驱动MOSFET的电流(1)

3. 提供半桥应用中的电平转换。

对于绝大多数PIC®单片机应用，第二点通常不适用，这是因为PIC单片机的I/O引脚可提供20 mA的拉电流。

注意，在每个电路中，电机的两端都跨接有一个二极管，目的是防止反电磁通量（Back ElectromagneticFlux，BEMF）电压损坏MOSFET。BEMF是在电机转动过程中产生的。 当MOSFET关断时，电机的绕组仍然处于通电状态，会产生反向电流。D1必须具有合适的额定值，以能够消耗这一电流。

BDC电机的双向控制需要一个称为H桥的电路。H桥的得名缘于其原理图的外观，它能够使电机绕组中的电流沿两个方向运动。要理解这一点，H桥必须被分为两个部分，或两个半桥。 Q1和Q2构成一个半桥，而Q3和Q4构成另一个半桥。每个半桥都能够控制BDC电机一端的导通与关断，使其电势为供应电压或地电位。例如，当Q1导通，Q2关断时，电机的左端将处于供电电压的电势。导通Q4，保持Q3关断将使电机的相反端接地。标注有箭头的IFWD显示了该配置下电流的流向。

注意，每个MOSFET的两端都跨接有一个二极管（D1-D4）。这些二极管保护MOSFET免遭MOSFET关断时由BEMF产生的电流尖峰的破坏。只有在MOSFET内部的二极管不足以消耗BEMF电流时，才需要这些二极管。电容 （C1-C4）是可选的。 这些电容的值通常不大于10pF，它们用于减少由于换向器起拱产生的RF辐射。

在前向和后向模式中，桥的一端处于地电势，另一端处于VSUPPLY。IFWD和IRVS箭头分别描绘了前向和后向运行模式的电路路径。在惯性滑行 （Coast）模式中，电机绕组的接线端保持悬空，电机靠惯性滑行直至停转。 刹车（Brake）模式用于快速停止BDC电机。 在刹车模式下，电机的接线端接地。当电机旋转时，它充当一个发电机。将电机的引线短路相当于电机带有无穷大负载，可使电机快速停转。IBRK箭头描绘了这一点，设计H桥电路时，必须要考虑到一个非常重要的事项。当电路的输入不可预测 （比如单片机启动过程中）时，必须将所有的MOSFET偏置到关断状态。 这将确保H桥每个半桥上的MOSFET绝不会同时导通。 同时导通同一个半桥上的MOSFET将导致电源短路，最终导致损坏MOSFET，致使电路无法工作。每个MOSFET驱动器输入端上的下拉电阻将实现该功能 。

有刷直流电机速度控制

BDC电机的速度与施加给电机的电压成正比。当使用数控技术时，脉宽调制 （PWM）信号被用来产生平均电压。电机的绕组充当一个低通滤波器，因此具有足够频率的PWM信号将会在电机绕组中产生一个稳定的电流。平均电压、供电电压和占空比的关系由以下公式给出：

公式1：VAVERAGE= D ×VSUPPLY

速度和占空比之间成正比关系。例如，如果额定BDC电机在12V时以转速15000 RPM旋转，则当给电机施加占空比为50%的信号时，则电机将 （理想情况下）以7500 RPM的转速旋转。PWM信号的频率是考虑的重点。频率太低会导致电机转速过低，噪音较大，并且对占空比变化的响应过慢。

频率太高，则会因开关设备的开关损耗而降低系统的效率。经验之谈是在4 kHz至20 kHz范围内，调制输入信号的频率。这个范围足够高，电机的噪音能够得到衰减，并且此时MOSFET（或BJT）中的开关损耗也可以忽略。一般来说，针对给定的电机用实验的办法找到满意的PWM频率是一个好办法。如何使用PIC单片机来产生控制BDC电机速度的PWM信号？一个方法是通过编写专门的汇编或C代码来交替翻转输出引脚的电平(1)。另一个方法是选择带有硬件PWM模块的PIC单片机。Microchip提供的具有该功能的模块为CCP和ECCP模块。许多PIC单片机都具有CCP和ECCP模块。请参见产品选型指南了解具有这些功能模块的器件。

注 1：Microchip的应用笔记AN847给出了使用固件对I/O 引脚进行脉宽调制的汇编代码例程。

CCP模块 （捕捉比较和PWM（Capture Compare和PWM）的英文缩写）能够在一个I/O引脚上输出分辨率为10位的PWM信号。10位分辨率意味着模块可以在0%至100%的范围内实现2¹⁰（即1024）个可能的占空比值。使用该模块的优点是它能在I/O 引脚上自主产生PWM信号，这样解放了处理器，使之有时间完成其他任务。CCP模块仅要求开发者对模块的参数进行配置。 配置模块包括设置频率和占空比寄存器。ECCP模块 （增强型捕捉比较和PWM（EnhancedCapture Compare和PWM）的英文缩写）不仅能提供CCP模块的所有功能，还可以驱动全桥或半桥电路。ECCP模块还具有自动关断功能和可编程死区延时。

注： Microchip的应用笔记AN893给出了配置ECCP模块来驱动BDC电机的详细说明。该应用笔记中还包含有固件和驱动电路示例。

有刷直流电机反馈机制

虽然BDC电机的速度一般与占空比成正比，但不存在完全理想的电机。发热、换向器磨损以及负载均会影响电机的速度。 在需要精确控制速度的系统中引入某种反馈机智是个好注意。速度控制可以两种方式实现。第一种方式是使用某种类型的速度传感器。第二种方式是使用电机产生的BEMF电压 。

有刷直流电机传感器反馈

有多种传感器可用于速度反馈。最常见的是光学编码器和霍尔效应传感器。 光学编码器由多个组件组成。在电机非驱动端的轴上安装一个槽轮。一个红外LED在轮的一侧提供光源，一个光电晶体管在轮的另一侧对光线进行检测。 通过轮中槽隙的光线会使光电晶体管导通。转轴转动时，光电晶体管会随着光线通过轮槽与否导通和关断。晶体管通断的频率表征电机的速度。在电机发生移位的应用中，还将使用光学编码器来反馈电机位置。

霍尔效应传感器也被用来提供速度反馈。与光学编码器类似，霍尔效应传感器需要电机上连有一个旋转元件，并且还需要一个静止元件。旋转元件是一个外缘安装有一个或多个磁体的转轮。静止的传感器检测经过的磁体，并产生TTL脉冲。

有刷直流电机反电磁通量 （BEMF）

提供BDC电机的快速反馈的另一种形式是BEMF电压测量。BEMF电压和速度成正比。 图11显示了在双向驱动电路中测量BEMF电压的位置。一个分压器用于使BEMF电压下降到0-5V范围内，这样才能被模数转换器读取。BEMF电压是在PWM脉冲之间，当电机的一端悬空而另一端接地时测量的。在这种情况下，电机充当发电机，并且产生与速度成正比的BEMF电压。

由于效率和材料不同，所有BDC电机的行为会略有不同。实验是确定给定电机速度下BEMF电压的最好方法。 电机转轴上的反射带有助于数字转速计测量电机的转速（单位为RPM）。在读取数字转速计时测量BEMF电压将获取电机速度和BEMF电压的关系。

注： Microchip的应用笔记AN893提供了使用PIC16F684读取BEMF电压的固件和电路示例。

与同步电机不同，由于直流电机的定子和转子、即主磁极和电枢流经的都是直流电流，因此主磁极励磁绕组既可与电枢绕组并联、也可与电枢绕组串联、也可单独由其它直流电源供电。根据主磁极励磁电流的获得方式不同，称之为不同的励磁方式。

有刷直流电机的使用和控制都非常简便，因此它的设计周期较短。PIC单片机，特别是具有CCP或ECCP模块的单片机是驱动BDC电机的理想之选 。

直流有刷电机的基本构造的组件包括定子、转子、电刷和换向器。定子和转子磁场相互作用驱动电机旋转。有刷直流电机的类型根据电机定子或外壳中磁场的产生方式来划分。根据有刷直流电机的类型，定子磁场可以由永磁铁或定子中的绕组产生。对于后一种情况，定子绕组与转子绕组可以是并行、串行、或混合方式连接。这三种有刷直流电机分别称为并激电动机、串激电动机和复激电动机。