淺談直流有刷電機驅動及調速技術

劉毅東，楊旭，劉海軍

（成都市技師學院/成都工貿職業技術學院，四川 成都 611743）

0 引言

隨著電子技術的發展以及消費電子產品的普及，直流有刷電機的應用范圍越來越廣。針對新能源汽車以及相關設備的智能化發展，直流有刷電機的驅動及其調速技術成為了研究重點。在充分了解電機的主要組成和工作原理基礎上，結合實際應用需求，對其驅動與調速硬件進行合理設計，才能充分發揮直流有刷電機的獨特優勢。

1 概述

典型的直流有刷電機由固定部分和轉動部分組成。固定部分包括主磁極和電刷。轉動部分包括換向片以及環形鐵芯上圍繞的繞組線圈。運行過程中，其定子上的勵磁繞組有直流電流If通過，即產生一個恒定的勵磁磁場。將直流電源加至電刷兩端，將線圈接入并產生電流i，即在勵磁磁場B 中形成了一個載流導體，產生電磁力，從而為轉子線圈的轉動提供驅動力[1]。借助于電刷和換向器的作用，轉子以一定的轉速連續旋轉。

2 技術分析

2.1 驅動原理

基于直流有刷電機的基本工作原理，可將該電機的驅動裝置視作一個控制電路的開關，所有具備開關特征的電子元件都可用以此種電機的驅動[2]。在直流無刷電機驅動中，最典型的驅動電路為H 橋電路，圖1 為H 橋電機驅動電路示意圖：

圖1 H橋電機驅動電路示意圖

圖1 中，將A、D 控制開關導通，B、C 關閉，電流從電機左側流向右側，驅動電機正轉；將B、C 控制開關導通，A、D 關閉，電流可從電機右側流向左側，驅動電機反轉。

2.2 電子元件

就目前而言，應用在其中的主要驅動電子元件有以下三種。

1）繼電器。優點是設計簡單、價格低廉；缺點是體積大、響應頻率低、不利于調速、電流診斷不易。

2）三極管。優點是設計簡單、可調速；缺點是驅動功率低。

3）場效應管。優點是體積小、功能安全、開關頻率高、調速容易、可進行電流診斷；缺點是驅動功率一般、價格較高。

2.3 驅動方案

一個完整的電機驅動模塊中，其主要的組成部分包括單片機（MCU）、橋驅（Bridge Driver）、電機、電源管理電路和信號接口電路等。由于電動汽車對于直流無刷電機中的驅動電路具有較大需求，而芯片行業也提出了單片機、橋驅和Mosfet 等多種分立器件的集成方案[3]。

按照集成程度的不同，此類電機的驅動方案可分為三種。低度集成：單片機、橋驅和Mosfet 完全分立；中度集成：將橋驅和Mosfet集成至一個芯片中；高度集成：將單片機和橋驅集成至一個芯片。

根據實際應用需求，對上述驅動方案進行對比發現，如將橋驅和Mosfet 集成在同一芯片中，因芯片空間小，Mosfet 散熱不利，所以其電流驅動能力較差。從安全角度來看，橋驅和Mosfet 集成方案具有最快的響應速度和最高的電流檢測精度；從空間方面來看，完全分立形式的獨立方案將占用最大空間；從擴展性方面來看，單片機和橋驅集成方案對可驅動電機數量起到一定的限制作用，后續擴展中，需要更換單片機，對軟件開發產生較大的不利影響，因此其可擴展性能較低。

經對比分析可知，三個方案各自的優缺點均明顯存在?；诖?，在實際的驅動方案開發設計中，應根據實際需求來選擇合理的驅動方案，并根據具體的方案進行集成芯片的合理選擇。表1 為直流有刷電機三種主要驅動方案條件下的集成芯片選擇建議。

表1 直流有刷電機三種主要驅動方案條件下的集成芯片選擇建議

通過上述芯片的合理選擇與應用，便可滿足不同驅動方案下的直流有刷電機實際驅動需求，實現電機的良好驅動。

3 調速技術

直流有刷電機的調速技術以其基本工作原理為依據，對其轉速做出科學計算。結合實際的調速控制需求，選擇合理的調速方法以確保調速效果。以下是對此類電機調速技術進行的具體分析。

3.1 電機轉速

電機的轉速可通過下式進行計算：

式中，n為電機轉速；U為電樞端電壓；R為電樞電路中的總電阻；K為電機結構的相關常數； 為每極磁通量。

3.2 調速方法

1）恒轉矩調速法。對電樞電壓U進行調節，通過電樞電壓的改變來改變電機轉速。此種方法具有較快的動態響應速度，在大范圍無級平滑調速系統中適用。

2）恒功率調速法。通過電機主磁通量 的改變來調整電機轉速，電機處于正常工作狀態時，其磁路已接近飽和，所以在調速中，只能通過磁通量減弱的方式對額定轉速條件下的電機進行變速。此種方法雖然能夠達到無級平滑調速效果，但其動態響應速度較慢，調速范圍較小。

3）有級調速法。改變電樞電路中的電阻R，通過電樞外串電阻的方式對直流有刷電機進行調速，此種方法只能實現有級調速，其平滑性較差，機械特性較軟，且效率較低[4]。

通過對比分析可知，電機主磁通量改變的調速方案不具備足夠大的調速范圍；電樞電路中電阻改變的調速方案具有更多缺點，上述兩種方法在目前的直流有刷電機調速應用較少?；诖?，在對此類電機進行調速控制時，主要將電樞電壓調節用作其自動調速系統的控制方案。在該方案條件下，最常用的方法是采用寬脈調制法（PWM）改變電樞電壓，以此進行電機調速控制。即將恒定電壓和電流調速制成具有一定頻率且寬度可變形式的脈沖電壓序列，其中的頻率以及占空比是重要控制參數。經實踐應用發現，通過該方案對負載相同的直流有刷電機進行調速控制時，占空比越大，電機轉速越大。

4 設計案例

基于上述研究，對一種應用在新能源汽車的直流有刷電機驅動和調速控制硬件方案進行設計。在該硬件系統中，處理器為R5F2134CYKEP 型單片機，主要包括Mosfet H 橋電路、全橋預驅芯片、MLX90316 型傳感器芯片和NCV4263 型電源管理芯片等。其中，R5F2134CYKEP 型單片機為瑞薩電子公司新型芯片，該芯片功率低，抗干擾能力強，內部由PWM 模塊集成，產生的PWM 方波可充分滿足該硬件系統的實際控制需求。在正常工作狀態下，該單片機的電壓為5 V。

新能源汽車中的整車電瓶電壓為12 V，在具體設計中，需要應用降壓芯片以滿足R5F2134CYKEP 型單片機的實際供電需求。在該系統的電路設計中，主要將LDO 型集成芯片作為核心，對其電源管理電路進行設計，整車選擇VBAT 電瓶，其電壓輸出值為12 V，降壓處理選擇VCC 型芯片。通過降壓芯片對LDO電瓶進行降壓處理后，可將電壓輸出值控制在5 V。在直流有刷電機的預驅動電路中，核心組成部分是全橋預驅芯片，該芯片可以為三路全橋PWM 調速驅動提供支持[5]。整體電機的驅動電路由四個Mosfet 搭建，因其電路形狀與字母H 相似，也稱H 橋驅動電路。

在該硬件系統的具體應用中，借助于單片機，可實現PWM 信號生成；借助于預驅電路，可對PWM 信號進行放大處理，為Mosfet 開關的通斷提供驅動，從而驅動直流有刷電機的旋轉，有效控制其旋轉速度。通過這樣的方式，可為直流有刷電機提供良好的驅動與調速控制，滿足實際應用需求，促進新能源汽車及相關設備與智能控制技術的協同發展。

5 結語

綜上，直流無刷電機驅動技術和調速技術的應用將直接關系到電機本身的應用效果及其使用性能，從而對新能源汽車的電動化與智能化應用和發展起到關鍵作用?；诖?，在對此類電機進行設計和應用的過程中，相關單位、研究者和技術人員應結合此類電機的實際情況與應用需求，為其選擇有針對性的驅動方案以及調速控制方案。