4种直流电机控制电路详解，含图含公式，直观又细致，不懂都难！

私信“干货”二字，即可领取138G伺服与机器人专属及电控资料！

直流电机在家用电器、电子仪器设备、电子玩具、录相机及各种自动控制中都有广泛的应用。但对它的使用和控制，很多读者还不熟悉，而且其技术资料亦难于查找。直流电机控制电路集锦，将使读者“得来全不费功夫”!

在现代电子产品中，自动控制系统，电子仪器设备、家用电器、电子玩具等等方面，直流电机都得到了广泛的应用。大家熟悉的录音机、电唱机、录相机、电子计算机等，都不能缺少直流电机。所以直流电机的控制是一门很实用的技术。本文将详细介绍各种直流电机的控制技术。

直流电机，大体上可分为四类：

第一类为有几相绕组的步进电机。这些步进电机，外加适当的序列脉冲，可使主轴转动一个精密的角度(通常在1.8°--7.5°之间)。只要施加合适的脉冲序列，电机可以按照人们的预定的速度或方向进行连续的转动。

步进电机用微处理器或专用步进电机驱动集成电路，很容易实现控制。例如常用的SAAl027或SAAl024专用步进电机控制电路。

步进电机广泛用于需要角度转动精确计量的地方。例如：机器人手臂的运动，高级字轮的字符选择，计算机驱动器的磁头控制，打印机的字头控制等，都要用到步进电机。

第二类为永磁式换流器直流电机，它的设计很简单，但使用极为广泛。当外加额定直流电压时，转速几乎相等。这类电机用于录音机、录相机、唱机或激光唱机等固定转速的机器或设备中。也用于变速范围很宽的驱动装置，例如：小型电钻、模型火车、电子玩具等。在这些应用中，它借助于电子控制电路的作用，使电机功能大大加强。

第三类是所谓的伺服电机，伺服电机是自动装置中的执行元件，它的最大特点是可控。在有控制信号时，伺服电机就转动，且转速大小正比于控制电压的大小，除去控制信号电压后，伺服电机就立即停止转动。伺服电机应用甚广，几乎所有的自动控制系统中都需要用到。例如测速电机，它的输出正比于电机的速度；或者齿轮盒驱动电位器机构，它的输出正比于电位器移动的位置．当这类电机与适当的功率控制反馈环配合时，它的速度可以与外部振荡器频率精确锁定，或与外部位移控制旋钮进行锁定。

唱机或激光唱机的转盘常用伺服电机。天线转动系统，遥控模型飞机和舰船也都要用到伺服电机。

最后一类为两相低电压交流电机。这类电机通常是直流电源供给一个低频振荡器，然后再用低频低压的交流去驱动电机。这类电机偶尔也用在转盘驱动机构中。

电机工作原理

1. 步进电机的基本工作原理

步进电机有两种基本的形式：可变磁阻型和混和型。步进电机的基本工作原理，结合图1的结构示意图进行叙述。

图1是一种四相可变磁阻型的步进电机结构示意图。这种电机定子上有八个凸齿，每一个齿上有一个线圈。线圈绕组的连接方式，是对称齿上的两个线圈进行反相连接，如图中所示。八个齿构成四对，所以称为四相步进电机。

它的工作过程是这样的：当有一相绕组被激励时，磁通从正相齿，经过软铁芯的转子，并以最短的路径流向负相齿，而其他六个凸齿并无磁通。为使磁通路径最短，在磁场力的作用下，转子被强迫移动，使最近的一对齿与被激励的一相对准。在图1(a)中A相是被激励，转子上大箭头所指向的那个齿，与正向的A齿对准。从这个位置再对B相进行激励，如图1中的(b)，转子向反时针转过15°。若是D相被激励，如图1中的(c)，则转子为顺时针转过15°。下一步是C 相被激励。因为C相有两种可能性：A—B—C—D或A—D—C—B。一种为反时针转动；另一种为顺时针转动。但每步都使转子转动15°。电机步长(步距角)是步进电机的主要性能指标之一，不同的应用场合，对步长大小的要求不同。改变控制绕组数(相数)或极数(转子齿数)，可以改变步长的大小。它们之间的相互关系，可由下式计算：

Lθ＝360 P×N

式中：Lθ为步长；P为相数；N为转子齿数。在图1中，步长为15°，表示电机转一圈需要24步。

2. 混和步进电机的工作原理

在实际应用中，最流行的还是混和型的步进电机。但工作原理与图1所示的可变磁阻型同步电机相同。但结构上稍有不同。例如它的转子嵌有永磁铁。激励磁通平行于X轴。一般来说，这类电机具有四相绕组，有八个独立的引线终端，如图2a所示。或者接成两个三端形式，如图2b所示。每相用双极性晶体管驱动，并且连接的极性要正确。

图3所示的电路为四相混和型步进电机晶体管驱动电路的基本方式。它的驱动电压是固定的。表1列出了全部步进开关的逻辑时序。

值得注意的是，电机步进为1—2—3—4的顺序。在同一时间，有两相被激励。但是1相和2相，3相和4相绝对不能同时激励。

四相混和型步进电机，有一特点很有用处。它可以用半步方式驱动。就是说，在某一时间，步进角仅前进一半。用单个混合或用双向开关即可实现，这种逻辑时序由表2列出。

四相混和型步进电机，也能工作于比额定电压高的情况。这可以用串联电阻进行降压。因为1相和2相，3相和4相是不会同时工作的，所以每对仅一个降压电阻，串接在图3中的X和Y点之间。因此额定电压为6V的步进电机，就可以工作在12V的电源下。这时需串一个6W、6Ω的电阻。

两相电机驱动器

两相(交流)电机有时用作精密唱机的转盘。它是一种低电压型的同步机构。

图21为两相电机驱动器电路。这个电路能驱动8欧两相电机。每个绕组可达3瓦。频率在45Hz到65Hz。集成电路选用LM377双路3瓦音频功率放大器作驱动。电源用正负11V。

电路工作原理。集成电路的左半部分接成文氏桥振荡器，频率可调由RV1调节，频率可变范围45Hz—65Hz。振幅调节由RV2控制，灯泡LP1作稳定振幅用。IC1a的输出一路直接馈送电机的一相绕组。集成电路的另一半IC1b是作为85移相器用。C6、R6是85移相器。但是在60HZ时要乘以一个十倍的衰减因子，所以IC1b要乘以十倍的增益。电路稳定性经去耦网络C3—R4—R5，C4和C5保证。电机绕组与C8、C9所组成的谐振回路，调谐到中间频率值(55Hz)。

伺服电机系统

　

伺服电机是一种传统的电机。它是自动装置的执行元件。伺服电机的最大特点是可控。在有控制信号时，伺服电机就转动，且转速大小正比于控制电压的大小。去掉控制电压后，伺服电机就立即停止转动。伺服电机的应用甚广，几乎所有的自动控制系统都需要用到。在家电产品中，例如录相机、激光唱机等都是不可缺少的重要组成部分。

1．简单伺服电机的工作原理

图22示出了伺服电机的最简单的应用。电位器RV1由伺服电机带动。电机可选用电流不超过700mA，电压为12～24V的任一种伺服电机。图中RV1 和RV2是接成惠斯登(Wheatstone)电桥。集成电路LM378是双路4瓦功率放大器，也以桥接方式构成电机驱动差分放大器。

当RV2的任意变化，都将破坏电桥的平衡，使RV1—RV2之间产生一差分电压，并且加以放大后送至电机。电机将转动，拖动电位器RV1到新的位置，使电桥重新达到新的平衡。所以说，RV1是跟踪了RV2的运动。

图23是用方块图形式，画出了测速传感器伺服电机系统，能用作唱机转盘精密速度控制的原理图。电机用传统的皮带机构驱动转盘。转盘的边缘，用等间隔反射条文图形结构。用光电测速计进行监视和检测。光电测速计的输出信号正比于转盘的转速。把光电测速计输出信号的相位和频率，与标准振荡器的相位和频率进行比较，用它的误差信号控制电机驱动电路。因此，转盘的转速就精确地保持在额定转速上。额定转速的换档，可由操作开关控制。这些控制电路，已有厂家做成专用的集成电路。

2．数字比例伺服电机

伺服电机的最好类型之一，是用数字比例遥控系统。实际上这些装置是由三部份组成：采用集成电路、伺服电机、减速齿轮盒电位器机构。图24是这种系统的方块图。电路的驱动输入，是用周期为15ms而脉冲宽度为1～2ms的脉冲信号驱动。输入脉冲的宽度，控制伺服机械输出的位置。例如：1ms脉宽，位置在最左边；1.5ms在中是位置，2ms在最右边的位置。

每一个输入脉冲分三路同时传送。一路触发1.5ms脉宽的固定脉冲发生器。一路输入触发脉冲发生器，第三路送入脉宽比较电路。用齿轮盒输出至RV1，控制可变宽度的脉冲发生器。这三种脉冲同时送到脉宽比较器后，一路确定电机驱动电路的方向。另一路送给脉宽扩展器，以控制伺服电机的速度，使得RV1迅速驱动机械位置输出跟随输入脉宽的任何变化。

上述伺服电机型常用于多路遥控系统。图25示出了四路数字比例控制系统的波形图。

从图中可以看出是串行数据输入，经过译码器分出各路的控制信号。每一帧包含4ms的同步脉冲，紧接在后面的是四路可变宽度(1～2ms)顺序的“路”脉冲。译码器将四路脉冲变换为并行形式，就能用于控制伺服电机。

3．数字伺服电机电路

数字伺服电机控制单元，可以买到现成的集成电路。例如ZN409CE或NE544N型伺服电机放大器集成电路。图26和图27示出了这两种集成电路的典型应用。

图中元件值适用于输入脉冲宽度为1～2ms，帧脉冲宽度大约为18ms的情况。

图28是适用上述伺服电机型的通用测试电路。伺服电源电池通常为5V。输入脉冲经标准的伺服插座送到伺服电路。帧脉冲的宽度为13—28ms；用RV1调节控制。RV2调节控制脉冲宽度在1—2ms之间。用RV4微调中间值为1.5ms．输出电平由RV3进行调节。

两个集成电路为时基电路CMOS7555型，电源电压可以低到3V仍然工作。IC1为无稳多谐振荡器，产生帧时间脉冲，它的输出触发IC2。而IC2是一个单稳电路，产生输出测试脉冲。

步进电机的控制电路

四相步进电机可用几种专用的集成电路驱动器，SAAl027是其中常用的一种，它的特点是工作电压范围宽9.5V～18V；输出驱动电流大，可达500mA。它适合作四相全步步进电机的控制。图4是SAAl027的外形和引脚功能图。图5（下面↓）是它的内部原理方块图及基本应用。

实际上，集成电路有三路缓冲输入，每一个缓冲输入都控制一个二位(四状态)的同步可逆计数器。它的输出送到一个编码变换器。然后用四路输出，去控制输出级的四个晶体管。输出级以集电极开路方式工作。电机的绕组线圈串入集电极。为防止反向电动势损坏晶体管，在绕组的两端并联一反向二极管。

要特别注意的是：集成电路13脚和12脚是流过大电流的引脚。而14脚和5脚流过小电流。在使用时5脚和12脚都要接地。通常正12V直接接到13脚，然后经 R1—C1去耦电路接到14脚。正电压也必须经Rx送到4脚。Rx的作用是决定四个晶体管的最大输出驱动电流的容量。Rx的大小可由下式计算；

Rx＝(4E／I)－6

式中E为电源电压，I为所希望的电机最大相电流。当用12V时，Rx值取420Ω、180Ω或78Ω)时，最大输出电流分别为100mA、200mA、或350mA。

SAA1027集成电路有三个输入控制端：计数、方式和复位。复位端通常是高电平。计数器每次从低电平到高电平的跳变，将使集成电路改变状态。全部的工作状态已由表3列出。

在任何时候，每隔四步时序重复一次。但是复位端为低电平时，可以复位到起始状态。

当方式控制输入端为低电平时，在一个方向上(通常为顺时针转动)顺序重复。反之，方式控制端为高电平时，则在另一个方向上(反时针转动)顺序重复。

图6是SAAl027的驱动和试验电路。

这个电路用于混和型四相步进电机，额定电流可达300mA。电机可用SW3进行手工的单步试验，或者用SW2经555／7555无稳振荡器进行自动步进的试验。SW4可控制电机的方向。SW5用于复位控制试验。

用SW1和RV1电位器，可使无稳电路的工作速度能在很宽的范围内变化。置位1档时为低速控制，频率范围从5Hz—68Hz。SW2在2当和3档时，振荡频率分别为第1档的10倍和100倍。总的速度控制范围从6—8500转／分。

图6是一种基本电路。根据不同的使用场合，还有几种变化。

图7是一种步进电机与微处理器的接口电路。

计算机或微处理器的输出端口，通常终端驱动电压低于1V时，作为逻辑0状态；而高于3.5V时，作为逻辑1状态。这种逻辑称为正逻辑。不过图7中电路与上述相反。因此，步进电机输入端从高电平向低电平转换时，工作状态改变。复位端用高电平复位。方式输入端为低电平时，电机正转；而高电平时，电机反转。

图6电路设计最大输出电流为300mA。

如果希望把电流扩展5A，则采用图8中的两个电路。步进电机的每相都需要外加驱动电路，一个四相步进电机，需要增加四个这样的附加电路。图8(a))的电路用于驱动电路，一个四相步进电机，需要增加四个这样的附加电路。图8(a)的电路用于驱动四个完全独立的绕组。图8(b)的电路用于绕组具有公共点步进电机。D1和D2的作用是防止电机的反电动势损坏输出级晶体管。

无刷直流电机及其控制器

电机驱动市场的主要趋势

电机驱动及控制领域的最大趋势是采用无刷直流(BLDC)电机和驱动它们的控制器。 Allegro最新的高集成度电机驱动IC包括有正弦波驱动器和基于矢量的算法，并提供最高级别的定制，而无需复杂的软件编程和资源分配。可编程无传感器BLDC电机驱动器包括简单的GUI来编程所有电机控制功能，包括无传感器启动，闭环电流/速度控制的常数，故障动作和诊断报告等。

Allegro MicroSystems LLC策略市场经理 Dan Jacques

电机驱动/控制芯片的选择策略

在考虑将设计转为BLDC时，我们建议必须认真考虑这样做的原因。通过升级整合，BLDC电机和驱动系统的成本已经可以大幅度降低。无论是带传感器还是没有传感器的BLDC电机驱动器，主要考虑的因素是可靠性、可闻噪声和整体效率。由于其优化的结构设计，BLDC电机可靠性更高，但在考虑无传感器BLDC电机驱动器时，起动时的可靠性至关重要。对启动参数进行良好的控制和衡量能够确保无传感器启动的可靠性，Allegro的电机驱动器IC具有高可编程性，因而可以驱动范围广泛的电机。如果首要目标是降低系统成本，则一般要通过无传感器系统来实现，这样一来可以节省霍尔传感器、电线和连接器的成本。此外，诸如集成有闭环速度控制功能的电机甚至可以减少甚至去除对系统微处理器的需求，从而能够进一步降低系统成本。BLDC电机效率的改进也可以通过降低电机的振动，以及为电机速度提供理想的相位提前来实现。Allegro电机驱动器的算法通过以正弦波驱动电流驱动电机绕组，降低了噪音和振动，从而能够提高效率，而Allegro公司具有专利的自动导程角调整可确保电机驱动效率在任何电机转速下自动最佳优化。

Allegro的解决方案及优势

Allegro公司一直在不断扩展在商业、工业和汽车市场的BLDC产品组合。 A5931是一款EEPROM可编程无传感器BLDC电机驱动器，具有正弦波调制功能，能实现最低的可闻噪声。 集成式的三相桥使驱动器具有100mΩ的低RDSon。A5931还包括有集成式闭环速度控制功能、过流保护以及Allegro公司专有的相位提前算法。Allegro的解决方案不仅为BLDC电机驱动提供硬件，而且还提供易于使用的GUI，允许工程师在读取诊断时实时更改参数，这使工程师不再需要掌握对微控制器的编程和正弦波控制算法的开发。Allegro的集成式电机驱动器能够以单芯片解决方案实现所有换向、故障保护、高电流驱动和速度控制等功能。 A5931采用LP和QFN封装，可提供汽车级的器件和一般的商业用途产品。

相关问答

直流电机控制器工作原理?

直流电机的控制方式主要有两种:一种是电枢电压控制,即在定子磁场不变的情况下,通过控制施加在电枢绕组两端的电压信号来控制电动机的转速和输出转矩;另一种是...

直流电机控制板中的en，rev，sp2，sv是什么意思?

Speedvoltage:电机速度,以电压方式表述。SV端口的接受范围为DCOV~+5V,对应电机转速为0~额定转速。也可使用外部数字信号调速:即SV用于模拟量输入或者PWM输入端...

电动轿车有刷直流电机控制器如何接线?

电动轿车有刷直流电机控制器的接线方式可能会因不同的品牌和型号而有所不同,因此在进行接线之前,最好先阅读控制器的说明书或咨询专业人士。以下是一般情况下...

串励直流电机控制器工作原理?

将电动机的电刷与直流电源接通后,电流由正电刷流人,负电刷流出。此时线圈中的电流方向是a-b,按左手定则可确定导线ab受到向右的电磁力F,于是整个线圈受到逆...

直流电机控制器的价格大概是多少?

[回答]我们想要知道价格,可以先在网上搜索一下,大概的价格区间,这样我们在咨询的时候,心里也有个底,之前就是联系凯利的,他们家的价格跟网上的差不多了多...

直流无刷电机pwm控制器价格

[回答]常见的BLDC直流无刷电机由于采用非正弦分布的定子绕组,它的反电动势为梯形,产生的电流也是梯形的,因此会出现转矩脉动,这种转矩脉动会导致低转速时...

直流控制器和交流控制器的区别?

直流控制器和交流控制器的主要区别在于它们用于控制的电源类型不同。直流控制器是专门针对直流电源而设计的控制器,其核心部件通常包括了直流稳压电源、输出...

杭州直流电机15吨的控制器是什么牌子?

1杭州直流电机15吨的控制器的牌子是XXX牌。2XXX牌的控制器在市场上具有较高的知名度和口碑,被广泛应用于直流电机控制领域。它具有稳定可靠的性能,能够有效...

直流无刷电机控制器怎么接线?

无刷电机的线圈引线有3根,霍耳引线有5根,这8根引线必须和控制器相应引线一一对应,否则电机不能正常转动。一般讲来,60°和120°相角的无刷电机,需要由与之...

直流电机uvw代表什么?

电机的U、V、W的代表三个不同的接线端,就是在这三个接线端上通入380伏的三相交流电。在电路中UVW表示三相交流的三根相线,与ABC意思相近,属于除主线以外的主线...