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追求外观小巧的电机控制设计

• 　　在今日空间有限的环境里，设计人员必须为其应用寻找功能丰富、体积精巧而整体效能强大的解决方案，例如微处理器、数字讯号处理器 (DSP) 和模块都是设计人员选择这类组件时可以考虑的对象。小巧精简的微控制器也是设计人员的理想选择，因为它既能为小型电机控制等应用提供许多优点，又能节省宝贵的电路板面积。本文将针对电机控制应用和其特定需求进行深入讨论。

  　　电机控制基本原理
  　　许多应用都会用到功率低于300 W的小型电机，例如汽车、打印机、复印机、纸张处理机、工厂自动化、太空和军事载具、测试设备和机械人。整体而言，电机的产量约和其功率大小成反比，这表示小型电机的产量远超过大型电机。应用最广泛的小型电机包括电感生产厂家直流电机、无刷直流电机和步进电机。

  　　步进电机大电流电感、直流电机和无刷直流电机的主要区别在于它们的驱动方式。步进电机是以步阶方式分段移电感器电路动，直流电机和无刷直流电机通常则采用连续移动的模拟控制方式。由于步进电机采用步阶移动，所以特别适合绝对寻址应用，目前市场上常见的步进电机已能提供每一步1.8°或0.9°的精确移动能力。步进电机采用直接控制方式，它的主要命令和控制变量都是步阶位置 (step position)；相形之下，直流电机则是以电机电压做为控制变量，以位置或速度做为命令变量。直流电机需要反馈控制系统，它会以间接方式控制电机位置，步进电机系统多半则是以「开环」方式进行操作。

  　　步进电机
  　　步进电机可以根据电机结构、驱动架构和步进方式来分类。步进电机的结构有好几种，包括可变磁阻 (variable reluctance)、永磁和混合式永磁 (hybrid permanent magnet)，永磁步进电机的成本很低，多半用于价格低廉的消费性产品。混合式步进电机的价格略高，是工业移动控制应用最常见的电机。可变磁阻电机通常有3或5个相位，需要采用不同的驱动电路架构。

  　　单极性 (unipolar) 和双极性 (bipolar) 是步进电机最常采用的两种驱动架构。单极性驱动电路使用四颗晶体管来驱动步进电机的两组相位，电机结构则如图1所示包含两组带有中间抽头的线圈，整个电机共有六条线与外界连接。这类电机有时又称为四相电机，但这种称呼容易令人混淆又不正确，因为它其实只有两个相位，精确的说法应是双相位六线式步进电机。六线式步进电机虽又称为单极性步进电机，实际上却能同时使用单极性或双极性驱动电路。

  

  图1：单极性步进电机驱动电路

  　　双极性步进电机的驱动电路则如图2所示，它会使用八颗晶体管来驱动两组相位。双极性驱动电路可以同时驱动四线式或六线式步进电机，虽然四线式电机只能使用双极性驱动电功率电感路，它却能大幅降低量产型应用的成本。双极性步进电机驱动电路的晶体管数目是单极性驱动电路的两倍，其中四颗下端晶体管通常是由微控制器直接驱动，上端晶体管则需要成本较高的上端驱动电路。双极性驱动电路的晶体管只需承受电机电压，所以它不像单极性驱动电路一样需要箝位电路。

  

  　　图2：双极性步进电机驱动电路

  　　直流和无刷直流电机
  　　直流电机是最常见和成本最低的小型电机，并且广泛用于各种应用。无刷直流电机宣称能提供更高可靠性以及更低噪声和成本，然而到目前为止，它却只能在磁盘或计算机风扇等少数量产应用中取代传统直流电机。在某些应用里，无刷直流电机有多项优点胜过传统电刷电机，例如它以电子组件和传感器取代电刷，不但延长电机寿命和减少维护成本，而且也没有电刷产生的噪音。直流电机的特性使它成为调速系统最容易使用的电机。直流电机的硬件电路架构如图3所示。

  　　选择正确的电机控制组件
  　　为电机控制等特定应用选择组件时，必须先了解这些组件的功能特色，然后在应用中充份发挥它们的各项优点。步进、直流和无刷直流电机通常是由提供有限控制功能的专用组件来控制，这些组件大都只有简单的微处理器界面，系统效能因此受到很大限制。

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