有刷直流電機被廣泛用于從玩具到按鈕調節式汽車坐椅的應用中。有刷直流（BrushedDC，BDC）電機價格便宜、易于驅動并且易于制造成各種尺寸和形狀。本應用筆記將討論BDC電機的工作原理、驅動BDC電機的方法以及將驅動電路與PIC唀片機接口的方法。

有刷直流電機工作原理詳解

圖1給出了一個簡單BDC電機的結構。所有BDC電機的基本組件都是一樣的：定子、電刷和換向器。后面將更詳細地介紹每個組件。

圖一簡單的雙磁極有刷直流電機

定子

定子會在轉子周圍產生固定的磁場。這一磁場可由永磁體或電磁繞組產生。BDC電機的類型由定子的結構或電磁繞組連接到電源的方式劃分（欲知BDC電機的不同類型請參見步進電機的類型）。

轉子

轉子（也稱為電樞）由一個或多個繞組構成。當這些繞組受到激勵時，會產生一個磁場。轉子磁場的磁極將與定子磁場的相反磁極相吸引，從而使定子旋轉。在電機旋轉過程中，會按不同的順序持續激勵繞組，因此轉子產生的磁極絕不會與定子產生的磁極重疊。轉子繞組中磁場的這種轉換被稱為換向。

電刷和換向器

與其他電機類型（即，無刷直流電機和交流感應電機）不同，BDC電機不需要控制器來切換電極繞組中電流的方向，而是通過機械的方式完成BDC電機繞組的換向。在BDC電機的轉軸上安裝有一個分片式銅套，稱為換向器。隨著電機的旋轉，碳刷會沿著換向器滑動，與換向器的不同分片接觸。這些分片與不同的轉子繞組連接，因此，當通過電機的電刷上電時，就會在電機內部產生動態的磁場。注意電刷和換向器由于兩者之間存在相對滑動，因而是BDC電機中最容易損耗的部分，這一點很重要。

步進電機的類型

如前所述，BDC電機的各種類型用定子中固定磁場的產生方式來區別。本節將討論BDC電機的不同類型，以及每種類型的優缺點。

永磁體

永磁體有刷直流（PermanentMagnetBrushedDC，PMDC）電機是世界上最常見的BDC電機。這類電機使用永磁體產生定子磁場。PMDC電機通常用在包括分馬力電動機在內的應用中，這是因為永磁體比繞組定子具有更高的成本效益。PMDC電機的缺點是永磁體的磁性會隨著時間的推移逐漸衰退。某些PMDC電機的永磁體上還繞有繞組，以防止磁性丟失的情況發生。PMDC電機的性能曲線（電壓與速度關系曲線）的線性非常好。電流與轉矩成線性關系。由于定子磁場是恒定的，所以這類電機對電壓變化的響應非常快。

并激

并激有刷直流（Shunt-woundBrushedDC，SHWDC）電機的勵磁線圈與電樞并聯。勵磁線圈中的電流與電樞中的電流相互獨立。因此，這類電機具有卓越的速度控制能力。SHWDC電機通常用在需要五個或五個以上馬力的應用中。在SHWDC電機中，不會出現磁性丟失的問題，因此它們通常比PMDC電機更加可靠。

串激

串激有刷直流（Series-woundBrushedDC，SWDC）電機的勵磁線圈與電樞串聯。由于定子和電樞中的電流均隨負載的增加而增加，因此這類電機是大轉矩應用的理想之選。SWDC電機的缺點是它不能像PMDC和SHWDC電機那樣對速度進行精確控制。

復激

復激（CompoundWound，CWDC）電機是并激和串激電機的結合體。如圖5所示，CWDC電機可產生串激和并激兩種磁場。CWDC電機綜合了SWDC和SHWDC電機的性能，它具有比SHWDC電機更大的轉矩，又能提供比SWDC電機更佳的速度控制。

基本驅動電路

驅動電路用在使用了某類控制器并且要求速度控制的應用中。驅動電路的目的是為控制器提供改變BDC電機中繞組電流的方法。本節中討論的驅動電路允許控制器對BDC電機的供電電壓進行脈寬調制。就功耗來說，這樣的速度控制方法在改變BDC電機的速度方面比起傳統的模擬控制方法效率要高很多。傳統的模擬控制要求與電機繞組串聯一個額外的變阻器，這樣會降低效率。驅動BDC電機的方法多種多樣。有些應用場合僅要求電機往一個方向運轉。圖6和圖7給出了向一個方向驅動BDC電機的電路。前者采用低端驅動，后者采用高端驅動。使用低端驅動的優點是可以不必使用FET驅動器。FET驅動器的用途是：

1、將驅動MOSFET的TTL信號轉換為供電電壓的電平。

2、提供足以驅動MOSFET的電流（1）

3、提供半橋應用中的電平轉換。

注1：對于絕大多數PIC唀片機應用，第二點通常不適用，這是因為PIC單片機的I/O引腳可提供20mA的拉電流。

注意，在每個電路中，電機的兩端都跨接有一個二極管，目的是防止反電磁通量（BackElectromagneticFlux，BEMF）電壓損壞MOSFET。BEMF是在電機轉動過程中產生的。當MOSFET關斷時，電機的繞組仍然處于通電狀態，會產生反向電流。D1必須具有合適的額定值，以能夠消耗這一電流。

圖6和圖7中的電阻R1和R2對于每個電路的工作很重要。R1用于保護單片機免遭電流突增的破壞，R2用于確保在輸入引腳處于三態時，Q1關斷。

BDC電機的雙向控制需要一個稱為H橋的電路。H橋的得名緣于其原理圖的外觀，它能夠使電機繞組中的電流沿兩個方向運動。要理解這一點，H橋必須被分為兩個部分，或兩個半橋。如圖8所示，Q1和Q2構成一個半橋，而Q3和Q4構成另一個半橋。每個半橋都能夠控制BDC電機一端的導通與關斷，使其電勢為供應電壓或地電位。例如，當Q1導通，Q2關斷時，電機的左端將處于供電電壓的電勢。導通Q4，保持Q3關斷將使電機的相反端接地。標注有箭頭的IFWD顯示了該配置下電流的流向。

注意，每個MOSFET的兩端都跨接有一個二極管（D1-D4）。這些二極管保護MOSFET免遭MOSFET關斷時由BEMF產生的電流尖峰的破壞。只有在MOSFET內部的二極管不足以消耗BEMF電流時，才需要這些二極管。電容（C1-C4）是可選的。這些電容的值通常不大于10pF，它們用于減少由于換向器起拱產生的RF輻射。

表1給出了H橋電路的不同驅動模式。在前向和后向模式中，橋的一端處于地電勢，另一端處于VSUPPLY。在圖8中，IFWD和IRVS箭頭分別描繪了前向和后向運行模式的電路路徑。在慣性滑行（Coast）模式中，電機繞組的接線端保持懸空，電機靠慣性滑行直至停轉。剎車（Brake）模式用于快速停止BDC電機。在剎車模式下，電機的接線端接地。當電機旋轉時，它充當一個發電機。將電機的引線短路相當于電機帶有無窮大負載，可使電機快速停轉。IBRK箭頭描繪了這一點

設計H橋電路時，必須要考慮到一個非常重要的事項。當電路的輸入不可預測（比如單片機啟動過程中）時，必須將所有的MOSFET偏置到關斷狀態。這將確保H橋每個半橋上的MOSFET絕不會同時導通。同時導通同一個半橋上的MOSFET將導致電源短路，最終導致損壞MOSFET，致使電路無法工作。每個MOSFET驅動器輸入端上的下拉電阻將實現該功能（配置圖請見圖8）。

速度控制

BDC電機的速度與施加給電機的電壓成正比。當使用數控技術時，脈寬調制（PWM）信號被用來產生平均電壓。電機的繞組充當一個低通濾波器，因此具有足夠頻率的PWM信號將會在電機繞組中產生一個穩定的電流。平均電壓、供電電壓和占空比的關系由以下公式給出：

公式1：VAVERAGE=D×VSUPPLY

速度和占空比之間成正比關系。例如，如果額定BDC電機在12V時以轉速15000RPM旋轉，則當給電機施加占空比為50%的信號時，則電機將（理想情況下）以7500RPM的轉速旋轉。PWM信號的頻率是考慮的重點。頻率太低會導致電機轉速過低，噪音較大，并且對占空比變化的響應過慢。

頻率太高，則會因開關設備的開關損耗而降低系統的效率。經驗之談是在4kHz至20kHz范圍內，調制輸入信號的頻率。這個范圍足夠高，電機的噪音能夠得到衰減，并且此時MOSFET（或BJT）中的開關損耗也可以忽略。一般來說，針對給定的電機用實驗的辦法找到滿意的PWM頻率是一個好辦法。如何使用PIC單片機來產生控制BDC電機速度的PWM信號？一個方法是通過編寫專門的匯編或C代碼來交替翻轉輸出引腳的電平（1）。另一個方法是選擇帶有硬件PWM模塊的PIC單片機。Microchip提供的具有該功能的模塊為CCP和ECCP模塊。許多PIC單片機都具有CCP和ECCP模塊。請參見產品選型指南了解具有這些功能模塊的器件。

注1：Microchip的應用筆記AN847給出了使用固件對I/O引腳進行脈寬調制的匯編代碼例程。

CCP模塊（捕捉比較和PWM（CaptureCompare和PWM）的英文縮寫）能夠在一個I/O引腳上輸出分辨率為10位的PWM信號。10位分辨率意味著模塊可以在0%至100%的范圍內實現210（即1024）個可能的占空比值。使用該模塊的優點是它能在I/O引腳上自主產生PWM信號，這樣解放了處理器，使之有時間完成其他任務。CCP模塊僅要求開發者對模塊的參數進行配置。配置模塊包括設置頻率和占空比寄存器。ECCP模塊（增強型捕捉比較和PWM（EnhancedCaptureCompare和PWM）的英文縮寫）不僅能提供CCP模塊的所有功能，還可以驅動全橋或半橋電路。ECCP模塊還具有自動關斷功能和可編程死區延時。

注：Microchip的應用筆記AN893給出了配置ECCP模塊來驅動BDC電機的詳細說明。該應用筆記中還包含有固件和驅動電路示例。

反饋機制

雖然BDC電機的速度一般與占空比成正比，但不存在完全理想的電機。發熱、換向器磨損以及負載均會影響電機的速度。在需要精確控制速度的系統中引入某種反饋機智是個好注意。速度控制可以兩種方式實現。第一種方式是使用某種類型的速度傳感器。第二種方式是使用電機產生的BEMF電壓。

傳感器反饋

有多種傳感器可用于速度反饋。最常見的是光學編碼器和霍爾效應傳感器。光學編碼器由多個組件組成。在電機非驅動端的軸上安裝一個槽輪。一個紅外LED在輪的一側提供光源，一個光電晶體管在輪的另一側對光線進行檢測（見圖9）。通過輪中槽隙的光線會使光電晶體管導通。轉軸轉動時，光電晶體管會隨著光線通過輪槽與否導通和關斷。晶體管通斷的頻率表征電機的速度。在電機發生移位的應用中，還將使用光學編碼器來反饋電機位置。

霍爾效應傳感器也被用來提供速度反饋。與光學編碼器類似，霍爾效應傳感器需要電機上連有一個旋轉元件，并且還需要一個靜止元件。旋轉元件是一個外緣安裝有一個或多個磁體的轉輪。靜止的傳感器檢測經過的磁體，并產生TTL脈沖。圖10顯示了霍爾效應傳感器的基本組成部分。

反電磁通量（BEMF）

提供BDC電機的快速反饋的另一種形式是BEMF電壓測量。BEMF電壓和速度成正比。圖11顯示了在雙向驅動電路中測量BEMF電壓的位置。一個分壓器用于使BEMF電壓下降到0-5V范圍內，這樣才能被模數轉換器讀取。BEMF電壓是在PWM脈沖之間，當電機的一端懸空而另一端接地時測量的。在這種情況下，電機充當發電機，并且產生與速度成正比的BEMF電壓。

由于效率和材料不同，所有BDC電機的行為會略有不同。實驗是確定給定電機速度下BEMF電壓的最好方法。電機轉軸上的反射帶有助于數字轉速計測量電機的轉速（單位為RPM）。在讀取數字轉速計時測量BEMF電壓將獲取電機速度和BEMF電壓的關系。

注：Microchip的應用筆記AN893提供了使用PIC16F684讀取BEMF電壓的固件和電路示例。

結論

有刷直流電機的使用和控制都非常簡便，因此它的設計周期較短。PIC單片機，特別是具有CCP或ECCP模塊的單片機是驅動BDC電機的理想之選。