入门首选：有刷直流电机应用宝典
品慧电子讯有刷直流电机的划分是根据电机定子或者外壳中磁场的产生方式。定子磁场由定子中的绕组或永磁铁产生。绕组见不同的连接方式产生不同的电动机。本文中深入探讨了有刷直流电机的应用及其相应的控制方案，是工程师入门必知的应用实例。
有刷直流（BDC）电机的工作原理
图1示出的是BDC电机的基本构造。图中画出的组件包括定子、转子、电刷和换向器。定子和转子磁场相互作用驱动电机旋转。有刷直流电机的类型根据电机定子或外壳中磁场的产生方式来划分。根据有刷直流电机的类型，定子磁场可以由永磁铁或定子中的绕组产生。对于后一种情况，定子绕组与转子绕组可以是并行、串行、或混合方式连接。这三种有刷直流电机分别称为并激电动机、串激电动机和复激电动机。
定子产生静止磁场。这一静止磁场围绕在电枢（或称转子）的周围。外加电源激发出电枢磁场。BDC电机轴上还有两个圆弧形的铜片，称为换向片。电机转动时，碳质的电刷在换向器上滑动。这样就可以产生一个与定子的静止磁场相吸引的旋转磁场。电枢和定子绕组中的电流由电池或其它直流电源供给（永磁BDC电机没有定子绕组）。电池（或直流电源）提供恒定的直流电压。电压幅度决定了电机的转速，因此是电池或直流电源是一个线性激励源。改变BDC电机速度的最有效方式是采用脉宽调制（PWM）技术。PWM技术是以固定的频率开关恒压源。改变PWM信号的脉冲宽度可以调节电机的速度。脉冲高低电平间的比例称为PWM信号的占空比。直流电池电平的幅度等于PWM信号的平均幅度。
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单片机/电机控制实例
单片机设计中带有内建的外设，因此只需要最少量的外部元器件就可以容易地实现BDC电机的速度和方向控制。选用的单片机带有内建的外设，只需要最少量的外部元器件就可以容易地实现BDC电机的速度和方向控制。这款单片机的两大特点对于BDC电机控制非常有用。首先，片上内建有增强捕获/比较/PWM（ECCP）模块，当配置为全桥模式时，可以提供直接驱动H桥电路所需要的PWM信号。H桥电路可以为电机提供双向电流驱动。第二个非常适合电机控制器的特点是可以产生频率高达31.2 kHz的8位PWM信号。对于电机控制应用来说，这一点很重要，因为低于20 kHz的频率会导致电机产生人听觉范围内的噪声。不需要增加任何外部时钟源，可以提供高于听觉频率的8位分辨率。为了获得高出听觉频率范围的频率，此前的单片机需要在运行时降低PWM的分辨率。与其它具备ECCP的单片机相比，它体积小且成本效率高。利用片上ECCP模块做为PWM硬件发生器，而不是采用过去的软件解决方案，宝贵的单片机处理器资源可以用于完成其它任务。
图2中的低成本BDC电机控制系统在全桥PWM模式下使用ECCP。用户可容易地配置PWM占空比，并实时改变单片机内部振荡器。此外，利用单片机片上的一个10位ADC来测量反向电动势（EMF），PIC16F684可以容易地跟踪电机的转速（RPM）。
本应用中的硬件有三个主要部分。一个电源级、一个通信模块（RS-232）和一个RPM及电流测量级。电源级包括提供BDC电机双向控制的全H桥。PIC16F684通过RC2、RC3、RC4和RC5引脚连接到H桥。从RA5引脚通过一个RS-232端口可以将有关PWM占空比、单片机振荡器速率、电机RPM和电流值等指令和信息发送给计算机。虽然实际生产出来的设备很可能并没有这样一个通信接口，但在开发阶段这样一个通信接口非常有用。在实际产品中，RA5可以被赋予不同的用途，如点亮状态指示LED或者读取电位计输入。
通过测量电机的反向EMF电压，不需额外传感器即可以获得电机转速（RPM）。电机转速与反向EMF电压直接成正比。BDC电机是一种感性负载。电机上感生的电压等于电机电感乘以dI/dt 。将对应FET关断（OFF）即可以测量反向EMF电压。这会产生一个反方向流过电机的电流。PIC16F684中的ADC模块可以测量出EMF电压。
通过测量MOSFETs、QB 和 QD, 以及地之间电流检测电阻上的高端电压可以获得电流值。选择适当的电阻值时需要考虑最大电流和功耗。PWM信号驱动BDC电机。H桥电路仅在PWM信号处于高电平时才吸收电流。采用一个采样和平均算法在多个PWM周期测量结果的基础上算出电流值和电机转速。
此类应用中使用的片上外设除ECCP模块外，还有一个内部10位模数转换器（ADC）。ECCP有捕获模式（可捕获定时器寄存器的16位值）、几个比较器和4个PWM。在无传感器的BDC电机控制应用中，4个PWM通道是一个重要优势。如图2所示，配合外部桥和4个FET驱动器件，单片机的PWM模块可以容易地实现双向电机控制。
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