直流電機控制器驅動IC的設計原理和電路示例
您可以在周圍的許多電子設備中找到直流電機，包括電動牙刷，洗衣機，打印機和汽車。電機控制器可確保這些電器中使用的電機的高效和安全運行。在本文中，您將了解該電子設備的工作原理和應用。我們將告訴您用于最流行的電動機類型之一，有刷直流電動機的控制單元的設計細微差別。
介紹
直流（DC）電機是最古老的電機類型，已在各種電子設備和設備中得到廣泛使用。直流電機具有不同的布置和操作特點。
所有直流電機的共同特征和基本條件是產生可變磁場，使其不間斷運行。在交流（AC）電機中，磁場會自行改變極性。
直流電機具有一些顯著的優點，其中之一就是其控制系統的簡單性。在這里，我們將告訴您直流電機控制器的工作原理以及如何使用它。此外，我們將分享我們的個人經驗，并向您簡要介紹在構建自己的控制器時可以遇到的設計和挑戰。
什么是直流電機控制器？
電機控制器的預期用途是管理電機的性能。無論電機類型如何，該電子設備都可以實現以下功能：
- 啟動/停止電機
- 改變旋轉方向
- 控制速度和扭矩
- 提供過載保護
- 防止電氣故障
直流電機控制器的具體情況取決于電機類型（有刷、無刷、步進）和使用此電機的設備的功能。例如，與有刷電機的工業直流電機控制器相比，用于無刷直流（BLDC）電機的電動汽車直流電機控制器具有不同的設計和工作原理。
任何直流電機的兩個核心部件是定子和電樞或 轉子。 還可以有執行關鍵功能的其他組件。因此，有刷直流電機包括以下單元：
帶繞組或永磁體的定子;
電樞或帶繞組的轉子;
換向器，或帶有電刷的集電極，將電樞與直流電源連接。
流經電樞的電流產生使其旋轉的電磁場。當電樞旋轉時，定子和轉子周圍產生的磁場的相似極點相互排斥并提供單向運動。
一旦相反的極點相遇，換向器就會切換提供給電樞的電流。這會產生磁場的反極性，并且電樞保持旋轉。
有刷直流電機工作原理
有刷直流電機的控制器通過調節注入電機的電流和電壓來管理電機的速度和扭矩。BDC電機控制器的主要設計和工作原理可能因類型而異。
直流電機控制器的類型
有不同類型的直流電機控制器及其分類原理。下面的信息圖顯示了這種多樣性。
直流電機控制器的原理分類
直流電機類型
首先，控制器根據直流電機的類型而有所不同。例如，與有刷直流電機不同，無刷直流（BLDC）電機具有無刷電子換向器。它有一個帶永磁體的轉子和一個帶繞組的定子。
無刷直流電機控制器使用傳感器來指定轉子的位置。它在晶體管的幫助下切換繞組中的電流。步進電機屬于無刷直流電機組，但其顯著特點是分級或步進旋轉。每走一步后，轉子以一定角度停止。它允許由該電機供電的設備以高精度移動和固定位置。步進電機控制器以脈沖形式提供電流，使定子的極點通電并使轉子移動。
其他分類是幾乎任何電動機控制器的典型分類。讓我們通過有刷直流電機控制器的示例簡要介紹一下它們。
功率調節類型
BDC電機控制器通過改變提供給電機的功率來調節速度和扭矩。這可以通過線性或開關穩壓器來實現。它可以是控制器的一部分，也可以是單獨的系統。
線性穩壓器的基本思想是提供穩定的輸出電壓。它保持其幅度恒定，無論電源提供的輸入電壓如何。開關穩壓器使用脈寬調制（PWM）方法。
PWM直流電機控制器可以以脈沖為單位提供電壓，從而改變其占空比（脈沖與脈沖周期的比率）。因此，您可以通過調整各種占空比來調節電機的速度。開關穩壓器具有更高的效率和更低的功率損耗，PWM廣泛用于直流電機的速度控制器設計中。
電機功率
電機功率依賴于電源提供的電流。因此，低功耗BDC電機需要一個低電流控制器，反之亦然。高電流直流電機控制器通常使用開關穩壓器。
電機工作電壓
根據電機運行所需的電壓，您可以選擇低壓或高壓控制器。開關穩壓器適用于具有寬工作電壓范圍的控制器。線性穩壓器更適合低壓直流電機控制器，因為過高的輸入電壓可能導致功率損耗甚至熱過載。
控制信號類型
控制器分為數字和模擬版本。數字直流電機控制器與其模擬變體之間的主要區別在于，前者包括基于微控制器（MCU）的硬件和固件。
控制類型
一些直流電機控制器類型可以接收來自電機的反饋，檢測錯誤并糾正它們，使值與設定值一致。它們被稱為閉環或反饋控制器。
或者，即使發生故障，開環或非反饋控制器也不會影響情況，因為它不會檢測到故障。您可以在不需要自動控制的簡單系統中找到此類控制器。
開環和閉環系統是控制理論的基本概念。根據電子設備的要求或復雜性，您可以實施帶或不帶反饋的控制系統。例如，步進電機可以使用開環控制器運行。伺服直流電機控制器是一種閉環系統，用于高性能應用中的精確定位。
閉環和開環控制系統
上圖顯示了閉環和開環控制系統的示例。在第一種情況下，機器人的電機控制器接收反饋并根據景觀條件調節速度。在非反饋系統中，電機控制器不會得到反饋。因此，機器人的速度隨著它達到平臺而降低。
直流電機和控制器的應用領域
直流電機可能根據其特性在不同的設備和系統中使用。因此，步進電機和伺服電機為需要精確定位的機器提供動力，例如：
- 機器人
- 打印機
- 相機
- 數控機床
除了閉環控制外，帶有變速直流電機控制器的先進直流伺服電機在復雜的工業應用中也表現出高性能和可靠性。
刷子是易磨損的部件，沒有刷子，使BLDC電機更加耐用。除此之外，電子換向器不會產生火花并降低電磁干擾（EMI）。因此，這些電機因其可靠性而廣泛應用于電動汽車，供暖和通風系統。有刷直流電機已經使用了大約兩百年。雖然較新的技術已經部分取代了它們，但它們在不同的行業和應用中仍然很受歡迎。
BDC電機可能具有非常簡單的設計，并且易于控制（其中一些甚至可能不需要控制器）。這是一種經濟高效的解決方案，可以完美地適應由鋰離子電池供電的低壓設備，包括機器人和消費電子產品。
在構建自主機器人割草機時，我們安裝了一個可逆直流電機控制器，帶有PWM開關穩壓器，用于客戶選擇的有刷直流電機。這個想法是開發一種低功耗和預算友好的系統。
機器人可以很容易地向任何方向移動，避開障礙物，停下來，然后立即再次移動。我們通過使用脈寬調制直流電機控制器來實現這一點，該控制器可調節電機的速度和旋轉方向。
機器人割草機的印刷電路板（PCB）原型
BDC電機及其控制器的可訪問性和簡單實現使其成為許多項目的合適解決方案。在本文中，我們想分享一下我們在有刷直流電機控制器的設計和實現方面的經驗。您還將了解如果您決定自己構建它，則可以遇到的挑戰。
BDC電機控制器電路設計
傳統的BDC電機控制器電路是H橋。這是一個電子電路，具有四個開/關開關，可依次提供正負電壓。通過以對角線模式關閉高邊和低邊開關，電機沿一個方向旋轉。一旦這些開關打開并且相反的開關關閉，旋轉方向就會改變。
如果您需要單向旋轉的電機，可以使用更簡單的電路構建BDC電機控制器，只需一個開/關開關。選擇晶體管開關，確保它滿足電機所需的參數，例如最大電流。否則，晶體管將燒壞。
符合系統要求是為直流電機控制器原理圖選擇組件時應遵循的基本原則。這與MCU、控制晶體管所需的柵極驅動IC以及其他組件有關。
您可以使用集成電路（IC）或分立元件。從開發人員的角度來看，直流電機控制器IC是一種更簡單，更方便的解決方案。使用分立電路，您將花費時間和精力來組裝和焊接組件。然而，集成電路的設計非常昂貴，只有在大規模生產的情況下才能獲得保留。
集成式H橋驅動IC是具有內置功率晶體管的電路。盡管其設計簡單可靠，但柵極驅動IC適用于低電壓和低功耗應用。此外，此類柵極驅動IC不可互換。如果它們停產，您必須重新設計原理圖和印刷電路板。
H橋直流電機控制器電路
BDC電機控制器電路設計取決于信號類型、功率調節、控制系統等功能。您可以根據技術規格和預算限制在各種選項中進行選擇。
機器人的BDC電機控制器
在設計高電流直流電機控制器原理圖時，我們使用了一種IGBT，它結合了功率MOSFET和雙極開關的特性。它提供高水平的電流，非常適合復雜的電力電子系統。
您可以為您的項目選擇的另一種選擇是由堅硬且極其耐用的半導體材料制成的GaN晶體管。它可以抵抗高溫，并在非常高的頻率和電壓范圍內工作。氮化鎵用于高功率電子、工業和航空航天應用。但是，它們的生產成本仍然很高，因此也會提高電路設計的價格。
因此，我們設計了一種具有多種工作模式的可編程直流電機控制器。它可以在模擬和數字信號的幫助下進行控制。此外，它還可以使用閉環系統，并從安裝在轉子上的數字正交編碼器讀取數據。
拆卸編碼器
編碼器將電機的轉速和方向轉換為控制器識別的數字信號。當發生更改時，控制器會根據需要調整控制操作。
為了提供電機的安全運行，我們的開發人員實施了過流、過壓和過熱保護系統。為了實現這一點，我們在直流電機控制器設計中添加了相應的傳感器。
制造BDC電機控制器的挑戰
構建BDC電機控制器可能非常簡單，但仍然涉及一些挑戰。這些可能與電路設計和固件開發有關。讓我們來看看可能需要您特別注意的事情。
如前所述，開關在H橋電路中對角線打開和關閉，但這些操作不能同時進行?？倳幸粋€時刻，所有的晶體管都是打開的。它可能導致電壓和功率損失，如果相反的上下開關處于導通位置，甚至會導致短路。
為避免這種情況，您可以引入死區時間。這是H橋電路的所有開關都關閉的短時間。使用死區時間，您可以確保上部開關僅在下部開關關閉后才會打開。
半H橋電路和具有死區時間的PWM信號
PWM頻率（每秒脈沖周期數）是一個重要的參數，您應該以適當的方式進行調整。頻率越低，功率損耗越高，反之亦然。但是，如果PWM頻率過高，MCU在生成所需值的PWM信號時可能會出現問題。此外，非常高的頻率可能導致柵極驅動IC和晶體管開關的故障，因為它們可能與之不兼容。
編寫固件時，請記住設置正確的PWM頻率，以確保電機控制器的平穩運行。
當您處理有刷直流電機時，您可能會遇到過度電磁干擾的問題。由于換向器的不斷開關而產生，它會影響相鄰的電子元件。為了減少它，您可以實現不同的濾波器來保護導線免受EMI的影響。
為我們的機器人項目設計BDC電機控制器時，我們必須應對一些挑戰。
客戶的基本要求包括寬工作電壓和電流范圍。當時，還沒有合適的現成集成柵極驅動IC或GaN半導體。此外，對于IGBT來說，這個范圍太低了。因此，我們必須在分立功率MOSFET中尋找解決方案。
我們的團隊考慮了幾種電路選擇，并選擇了帶有外部MOSFET的標準柵極驅動IC。通過實施這種分立元件解決方案，我們簡化了原理圖設計并降低了開發成本。因此，工程師實現了BDC電機控制器在6至24伏和高達25安培的范圍內穩定運行。
一旦我們使用分立電路，BDC電機控制器的主要功能就由MCU負責。我們的工程師實施了生成具有所需占空比和死區時間的PWM信號的算法。
在實現反饋控制系統時，我們遇到了微控制器無法處理編碼器信號輸出的問題。因此，我們必須添加一個可以讀取高頻信號的CPLD。如果您計劃構建帶反饋的有刷直流電機控制器，請確保您的MCU可以提供這個機會。
結論
有刷直流電機是最常見的電動機類型之一。它廣泛用于消費電子，機器人，低功耗工業和汽車應用。BDC電機及其控制系統結構簡單，易于實施。
隨著現在一些可行的替代方案的出現，BDC電機很難在大功率電子設備中保持競爭力。此外，它的控制器具有刷子，您必須隨著時間的推移更換這些易損部件。但是，通過適當的使用和維護，它可以提供高效和持久的性能。
如果您需要用于BDC電機的控制器，則可以使用完全滿足您要求的現成設備?；蛘?，您可以使用量身定制的電路設計和自定義固件構建自己的解決方案。電子和半導體制造商提供豐富的硬件和軟件組件選擇，您可以在項目中使用。
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