PMDC电机的构成和驱动要素

你也许想象不到，先进的“机遇号”火星探测车与你日常使用的电动牙刷，使用的是同一套电机系统——PMDC电机。

PMDC电机（Permanent Magnet Brushed DC）即永磁有刷直流电机，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，优点是对电压变化的响应非常快，缺点是永磁体的磁性会随着时间的推移逐渐衰退。

PMDC电机以低噪音、高效率、小体积、节能、高效率等特点，被人们应用于各个领域，小到家用电器，大到各类无人汽车和电子传动设备，都能看点该电机的身影。了解和认识PMDC 电机的构成与驱动要素，有助于我们在设计产品时选择合适的解决方案。

PMDC电机的构成

现如今，这种毫不起眼的PMDC电机依然是小型移动机器人、汽车系统和玩具设计师的最爱，它主要包含以下三个组成部件：

▲带有两个永磁体的外壳：这两个永磁体共同构成定子；

▲转子或电枢：二者至少由两个绕在铁芯上的铜线圈（绕组）组成，铁芯在定子内旋转。

▲换向器和电刷：负责将电源连接到旋转的线圈。换向器被分割成数个相互隔离的区段，这样每个线圈产生的电磁场就会随着轴的旋转不断反转极性。

PMDC电机具有结构简单和工作特征线呈线性的优点，与此同时，老化和逐渐丧失转矩也是其存在的主要问题。这通常是由于在低速重载工况下，转子绕组过热并导致定子磁场强度降低所致，电刷和换向器磨损则是导致老化故障的另一个原因。

正是这个老化的弱点，促使人们开发了无刷直流电机，但无刷直流电机存在价格昂贵且需要复杂控制器的问题，这使得PMDC电机依然受到工程师们的欢迎。

驱动 PMDC 电机的要素

01

开关控制

最简单的电路是由一个开关和一个直流电源组成：如果您只想实现开关控制，而无需方向控制，这种电路即可满足您的需求。而作为实用型项目，可能需要用到一个电子开关（MOSFET 或双极晶体管器件）。

如图2（a）所示，该开关通过微控制器的GPIO引脚控制。图中的简单单晶体管电路适用于失速电流小于1A的低压“业余”电机。同时，二极管可保护晶体管，以免被电感负载关闭时产生的反向高电压损坏；电容器则有助于减少电机换向器动作所产生的射频干扰 （RFI）。

02

转向控制

如果需要控制转向，可以使用 H 桥电路来实现（图2b）。这是一种极其常用的电路，并具有多种单芯片封装款式。开关元件（图中的元件S）可为单极或双极晶体管，但通常为复合晶体管对或MOSFET。

二极管和电容器则起到与上述相同的保护功能。如果查看该H桥电路的真值表，您会发现在输入控制信号A、B、C和D的16种可能排列中，只使用了其中4种。其余则不能使用，特别是那些会导致开关A、B或C、D同时打开的排列，否则会造成电源轨道的短路。

03

转速控制

大多数应用情况还需要能够改变电机转速，特别是要使用某种反馈控制系统时。从图1中的左图可以看出，PMDC电机的转速与外加电压成线性关系。

使用数字模拟转换器（DAC）在驱动晶体管的线性区域内操纵晶体管，进而直接改变电压的方式可以控制转速，但会造成大量功率的浪费。

而一种更为讲究的方法则是使用数字脉宽调制（PWM）信号驱动开关，理由是：

▲脉冲序列的标记空间比与平均电压成正比；

▲驱动器仍然在开/关之间切换，最大限度地减少了功耗；

▲大多数现代MCU都带有PWM信号发生器。

04

PWM 频率

人们经常会问：我应该使用多大的 PWM 频率？对于小型业余电机来说，如果频率远高于 250Hz，就会很难获得合理的速度控制范围。这可能是由于高频信号的脉冲过窄，其长度不足以驱动转子。

05

H桥电路

H桥电路也是驱动PMDC电机的重要因素之一。非常有用很多芯片制造商都提供各种形式的H桥电路。举例来说，L293D就是一款上市多年的H桥电路，设计师最常使用该芯片，作为微控制器与小型直流电机之间的接口器件。

该芯片实际上包含四个半桥——后者是位于“H”每侧的晶体管开关对。也就是说，一个芯片可以连接为两个独立的H或全桥，以控制两个电机（图4）。

综上所述，PMDC电机在要求高效率、高起动转矩和线性转速/转矩的应用中，提供了一种相对简单可靠的直流驱动解决方案。随着铁氧体和稀土磁体材料以及电子控制技术的发展，PMDC电机正在成为一种具有成本竞争力的产品。

责任编辑：haq