第六讲电机的使用

主讲人：韩竺秦2013年10月9日电工电子实习

——电机控制新语新知

——汽车车身里面的电动机举例：你了解的汽车中有多少中电动机或者马达新语新知

——汽车车身里面的电动机多向可调电控座椅该座椅共设置了滑动电动机、前垂直电动机、倾斜电动机、后垂直电动机和腰垫电动机，分别对座椅的前后滑动、前部上下移动、靠背前后倾斜、后部上下移动及腰垫前后移动等十个方向进行调节。新语新知

——汽车车身里面的电动机鸥翼门、剪刀式车门帕加尼Huayra兰博基尼新语新知

——汽车车身里面的电动机电动后视镜新语新知

——汽车车身里面的电动机汽车的电动后视镜一般由镜片、驱动电动机、控制电路及操纵开关等部分组成。在每个后视镜镜片的背后都有两个可逆电动机，可操纵其上下左右运动。通常垂直方向的倾斜运动由一个永磁电动机控制，水平方向的倾斜运动由另一个永磁电动机控制。新语新知

——汽车车身里面的电动机起动电机，雨刮电机、玻璃升降器电机、怠速电机、电动大灯高低调节电机、空汽油泵里面也有电机，空调的鼓风机也是电机带动叶轮、散热网风扇电机工作原理电机是把电能转换成机械能的设备。电机之所以会转动，是由于一种洛伦兹力作用的结果。洛伦兹力产生的机理是：当一段有电流通过的导体处于磁场中时，导体就会受到力（洛伦兹力）的作用，其方向与电流方向和磁场方向均保持垂直。常用电机电机类别五花八门，这里只就常用到的直流电机、步进电机及舵机进行一下简要介绍。旨在让大家了解它们的区别以及各自的用途，并且能熟练地使用这三种电机。电机是使机械能与电能相互转换的机械，直流电机把直流电能变为机械能。作为机电执行元部件，直流电机内部有一个闭合的主磁路。主磁通在主磁路中流动，同时与两个电路交联，其中一个电路是用以产生磁通的，称为激磁电路，另外一个是用来传递功率，称为功率回路或者电枢回路。现行的直流电动机都是旋转电枢式，也就是说激磁绕组及其所包围的铁芯组成的磁极为定子，带换向单元的电枢绕组和电枢铁芯结合构成直流电动机的转子。直流电机有以下几方面的优点：

(1)调速范围广，且易于平滑调节；

(2)过载、起动、制动转矩大；

(3)易于控制，可靠性高；

(4)调速时的能量损耗较小。U+–NS电刷换向片直流电源电刷换向器线圈II电流方向：上半边向里，下半边向外，如图所示。一、工作原理电动机交流电动机直流电动机笼式绕线式异步机同步机（他励、并励、串励、复励）主要介绍直流电动机的工作原理。电机直流电机比赛中常用到的直流电机一般有两根引线，不分正负极。共有两种不同的供电方式，对应了电机的正转和反转。给直流电机持续供电，电机就保持工作状态。断电即停止转动。步进电机 （1）通俗来讲，所谓步进电机，就是电机运转时是严格按一步一步转动的，每一步对应一个确定的转动角度。如1.8°，表示步进电机每转一步对应1.8°。 （2）从控制的角度来看，步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。舵机舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些角度需要不断变化并能够保持的控制系统。其工作原理就是，控制端输入的不同控制信号对应着输出端不同的角度。

直流电机参数

额定输入电压—电机正常的输入电压空载转速—电机的最高转速。输出功率—电机的最大输出功率。电机的转矩—电机的输出转矩等于电流乘以转矩系数。转矩系数—电机在一定电流所产生的输出转矩（N.m/A）电机参数堵转转矩—电机无法转动时所对应的转矩，电机所能输出的最大转矩。空载电流—指电机在空载状态的输入电流。（三）L298驱动模块小功率大功率EN1EN2IN1IN2IN3IN4A1A2B1B211101010101101100110001010XXXX10101010XX注意！使能端的开关作用。电机调速L298N调速； L298N工作时使能端应拉高。若作调速用途，单片机的I/O口对使能端输入PWM波。通过改变PWM波的占空比来调节输出有效电压的大小。进而达到控制电机转速的目的。占空比可调的PWM波直流电机优点（1）调速范围广，易于平滑调速。（2）过载、起动、制动转矩较大。（3）易于控制，可靠性高。（4）调速时能量损耗小。直流电机注意！直流电机的供电电压尽量不要超过标称电压！不对直流电机供电时，直流电机没有保持力矩！直流电机由工作状态到停止状态，由于转子的惯性会有一个时间差！程序实例（一）程序功能；利用软件控制直流电机实现正转时的逐渐加速和反转时的逐渐加速。可借助于led灯直观展示。步进电机介绍步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。在非超载的情况下，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机的分类分类一：永磁式（PM）—转子有绕组，转矩和体积较小，步距角一般为7.5°或15°。反应式（VR）—转子无绕组，可实现大转矩输出，步距角一般为1.5°，但噪声和震动较大。混合式（HB）—混合了永磁式和反应式的优点，步距角一般为1.8°，应用最为广泛。步进电机的分类分类二：单极性步进电机双极性步进电机混合式步进电机单极性步进电机通常也称为四相步进电机，有四组绕组；双极性步进电机通常也称为两相步进电机，有两组绕组。对单极性步进电机而言，其线圈两端的电压方向是不变的，故称为单极性；而双极性步进电机是通过不断改变其绕组两端的电压方向来实现转动的，故称双极性。识别步进电机的类别一个双极性步进电机有四根引线，每个绕组两根。一个单极性步进电机则可能有五根、六根或者八根。如果是五根，那么有一根引线是四个绕组公用的公共引线，其余四根分别单独属于四个绕组。而如果是六根（最常见），则是每两个绕组公用一根引线。而具有八根引线的步进电机称为通用步进电机，既可以用作单极性步进电机，也可以用作双极性步进电机。注意，购买步进电机时，一定要向供应商索取电机附带的引线示意图。实物及内部原理双极性步进电机实物双极性（两相四线）步进电机内部动态工作原理图

双极性步进电机控制XYX-Y-1100011000111001XYX-Y-1000010000100001

双拍单拍

双极性步进电机控制XYX-Y-10001100010001100010001100011001半拍控制半拍控制硬件驱动电路注意；使能端一直拉高！步进电机的优点一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积误差。电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组有激磁时）。优秀的起停和反转响应。使用步进电机注意事项（1）电机旋转的角度正比于脉冲数。（2）步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。（3）如果要使电机达到高速转动，为了防止步进电机丢步，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的频率（电机转速从低速升到高速）。（4）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。绕组转动时会产生反向电动势，且随转速的增大而增加，进而影响相电流。程序实例（二）程序功能；利用软件控制步进电机实现正转和反转。可借助于led灯直观展示。舵机介绍舵机英文称Servo，也称伺服机。其特点是结构简单、易安装调试、控制简单、大扭力、成本较低等。舵机的性能主要取决于最大力矩和工作速度（一般是以秒/60°为单位）。舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些角度需要不断变化并能够保持的控制系统。图片舵机引脚标准的舵机有三条引线，分别是电源线Vcc、地线GND和控制信号线。舵机工作原理舵机主要是由外壳、电路板、核心电机、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。

原理框图信号调制芯片控制信号基准电路偏压2偏压1电压差电机驱动芯片电机转动电位器齿轮机构舵机的控制控制舵机时，需要根据相应舵机的功率，选择足够功率的电源为舵机供电，控制端无需大电流，直接使用单片机I/O口就可以了。采用单片机驱动舵机时，一般是采用PPM（脉冲比例调制）来告诉舵机应该转到那里。也就是说脉冲的宽度是舵机控制器需要的编码信息。它经常被理解为PWM，PWM的占空比可以是从0到100%，而PPM只是利用20mS周期时间中0.5～2.5mS之间的部分来对信息编码。定时器。。PPM注意：脉冲宽度控制的是舵机的绝对角度，而不是相对角度。另外，脉冲一定要持续提供，维持舵机角度。演示驱动自行思考；一个L298N驱动模块可以同时控制几路舵机？程序实例（三）程序功能；利用软件产生一个20ms周期的PPM波，通过单片机I/O口控制舵机转角。电机驱动模块L298的典型应用电动小车的组成 一个电动小车整体的运行性能，首先取决于它的电源模块和电机驱动模块。电机驱动模块主要功能：驱动小车轮子转动，使小车行进。 电源模块：顾名思义，就是为整个系统提供动力支持的部分。电机部分电动小车的驱动系统一般由控制器、功率变换器及电动机三个主要部分组成。电动小车的驱动不但要求电机驱动系统具有高转矩重量比、宽调速范围、高可靠性，而且电机的转矩-转速特性受电源功率的影响，这就要求驱动具有尽可能宽的高效率区。我们所使用的电机一般为直流电机，主要用到永磁直流电机、伺服电机及步进电机三种。直流电机的控制很简单，性能出众，直流电源也容易实现。

这种直流电机的驱动及控制需要电机驱动芯片进行驱动。常用的电机驱动芯片有L297/298，MC33886，ML4428等。下面我们主要对L298进行详细的讲解。L298驱动芯片L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。其实物及引脚图如下所示：实物图管脚图L298内部的原理图L298的逻辑功能

IN1IN2ENA电机状态110停止011逆时针101顺时针XX0停止000停止电机驱动模块连接图L298有两路电源分别为逻辑电源和动力电源，上图中6V为逻辑电源，12V为动力电源。J4接入逻辑电源，J6接入动力电源，J1与J2分别为单片机控制两个电机的输入端，J3与J5分别与两个电极的正负极相连。ENA与ENB直接接入6V逻辑电源也就是说两个电机时刻都工作在使能状态，控制电机的运行状态只有通过J1与J2两个接口。由于我们使用的电机是线圈式的，在从运行状态突然转换到停止状态和从顺时针状态突然转换到逆时针状态时会形成很大的反向电流，在电路中加入二极管的作用就是在产生反向电流的时候进行泄流，保护芯片的安全。PCB图电机驱动例程/*****************************************实现电机的方向控制******************************************/

#include<reg51.h>

#define uchar unsignedchar

#define uint unsignedint/***************************************端口定义****************************************/

sbitIN1=P1^0;//P10与电机驱动IN1相连

sbitIN2=P1^1; //P11与电机驱动IN2相连

sbitIN3=P1^2; //P12与电机驱动IN3相连

sbitIN4=P1^3; //P13与电机驱动IN4相连/****************************各个子函数定义****************************/voidTurn_left(void){

IN1=0;IN2=0;IN3=0;IN4=1;}voidTurn_right(void){IN1=1;IN2=0;IN3=0;IN4=0;}

voidGo(void){IN1=1;IN2=0;IN3=1;IN4=0;}

voidBack(void){IN1=0;IN2=1;IN3=0;IN4=1;}/*********************************************************主函数**********************************************************/main(){while(1){ Go(); Delay(20); Back(); Delay(20); Turn_left(); Delay(20);