直流有刷电机控制原理及工程问题记录

1. 概述

  直流电机是我们生活中最为常见的一种电机，同时也是产品开发过程中应用非常广泛的一种电机，其中直流电机又分为直流有刷电机和直流无刷电机（当然按照其他标准可以有别的划分）。直流有刷电机虽然使用寿命上不如直流无刷电机，但是由于其控制简单，成本低，原理也比较简单，依旧被大规模使用。
  当然，尽管大家都说直流有刷电机简单，但是其实往往很多人对于直流有刷电机的控制也仅仅只停留在表面，对于其内部的一些控制原理并没有弄的太明白，仅仅达到了可以简单控制使用的程度，但是当遇到一些复杂情况，或者想要对其控制更为深入，或想要使得设计的产品更加稳定时，就有点捉襟见肘了。
  本篇博文将从电磁学原理的角度开始概述直流电机如何转动，并梳理一些实际项目应用场景中遇到的问题以及解决方案，同时对解决方案的原理进行描述，主要目的是一方面用来做个人知识的梳理记录，另一方面开源共创的思想，帮忙有需要的童鞋

2. 基础知识 之 电磁感应

了解直流电机原理之前，首先我们要弄懂的是几个高中学过的电磁感应知识，分别是：

1. 左手定则
2. 右手定则
3. 右手螺旋定则（安培定则）
4. 楞次定律

首先就是左手定则和右手定则，记住一点，判断力采用左手定则，判断电流和磁场采用右手定则！

说明：以下电磁学概念均引自百度百科

• 左手定则：
  • 判断通电导线处于磁场中时，所受安培力 F (或运动)的方向、磁感应强度B的方向以及通电导体棒的电流I三者方向之间的关系的定律
  • 判断安培力：导线在磁场中力的方向。根据左手定则：伸开左手，使拇指与其他四指垂直且在一个平面内，让磁感线从手心流入，四指指向电流方向，大拇指指向的就是安培力方向（即导体受力方向）。
  • 判断洛伦磁力：将左手掌摊平，让磁感线穿过手掌心，四指表示电流方向，则和四指垂直的大拇指所指方向即为洛伦兹力的方向。注意，运动电荷是正的，大拇指的指向即为洛伦兹力的方向。反之，如果运动电荷是负的，仍用四指表示电荷运动方向，那么大拇指的指向的反方向为洛伦兹力方向。
  • 注意：
    • 安培力是导体内定向移动的电荷所受洛伦兹力的合力。
    • 当电流方向与磁场平行时，电荷的定向移动方向也与磁场方向平行，所受洛伦兹力为零，其合力安培力也为零。
    • 洛伦兹力不做功是因为力的方向与粒子的运动方向垂直，根据功的公式W=FScosθ，θ=90°时，W=0。安培力与导线中的电流方向垂直，与导线的运动方向并不一定垂直，一般情况是在同一直线上的，因此安培力做功不为0。
      
• 右手定则：
  • 伸开右手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一平面内；让磁感线垂直于手心进入，并使拇指指向导线运动方向，这时四指所指的方向就是感应电流的方向。
  • 注意：要求是运动的导线，不运动就没有这一说了
    
• 右手螺旋定则(安培定则)：
  • 通电直导线中的安培定则（安培定则一）：用右手握住通电直导线，让大拇指指向直导线中电流方向，那么四指指向就是通电导线周围磁场的方向；
  • 通电螺线管中的安培定则（安培定则二）：用右手握住通电螺线管，让四指指向电流的方向，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。
    
• 楞次定律:
  • 感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化
    

3. 电机运行原理

首先我们来看一张直流有刷电机拆解图，下图就是小时候玩的四驱车马达拆截图：

从上图我们可以看到直流有刷电机壳内壁有一对磁极，这对磁极分别是N极和S极，构成一对磁场，也即直流有刷电机的定子部分；转子为右边缠绕着漆包线的铜线，底部有一对电刷，用来做换向；其概念图如下：

1. 电源通过电刷到达换相片，之后进入绕组线圈，带电线圈在磁场中受到安培力的作用使其转动，由于换向片的作用，使得靠近N极的线圈电流方向始终一致（在电源不改变的情况下），因此线圈收到的力的方向始终一致，电机往一个方向转动
2. 如上图所示，电流方向A->B->C->D，根据左手定则，AB导线受到垂直向上的安培力，CD导线收到垂直向下的安培力
3. 当线圈转过一圈的时候，CD线圈到达AB线圈位置，由于换向片的作用，电流方向变化为D->C->B->A（此处无图），CD线圈位于左侧，根据左手定则，安培力依旧向上，AB线圈位于右侧，安培力继续向下
4. 线圈位于直流电机的转子上，通电线圈在磁场中的安培力带动转子转动，电机也就转到了起来，以上便是直流电机转动的原理

4. 反电动势

4.1 反电动势的产生及作用

首先，反电动势是什么？在了解反电动势之前，先说下电动势。

电动势是一个标量，但是存在方向，电动势描述了电源中非静电力做功能力的大小，电动势的方向为由电源的负极指向电源的正极。

电动势的方向与电路中电流的方向相反，我们则称之为反电动势，反电动势是指由反抗电流发生改变的趋势而产生电动势

4.2 反电势的物理意义

那么在直流电机中反电势是如何产生的呢？

如上图所示，当ABCD线圈在磁场中转动的时候会切割磁感线，产生感应电动势 E_反 ，根据右手定则，我们可以判断出线圈产生的感应电动势的方向为 D->C 和 B->A，感应电动势的方向与原电路中电流的方向相反，则 E = E_反 + I * R，又由于电池内阻忽略不计，因此 R 近似等于线圈内阻 。

E = E_反 + I * R

左右两端同乘以 I 得到：

E * I = E_反 * I + I ² * R
也即： P_输入功率 = P_输出功率 + P_发热功率
P_输入功率 = E * I
P_输出功率 = E_反 * I
P_发热功率 = I ² * R

因此 E_反 的物理意义为：反映电机将电能转化为机械能的能力大小

5. 工程问题原理及解决措施

5.1 电机启动瞬间电流为什么特别大？

• 原理：
  • 由于反电动势 E_反 = BLV，电机刚启动的瞬间，V近似等于0，因此 E_反 ≈ 0，又 E = E_反 + I * R，则 E = I * R，由于电机内阻 R 一般比较小，因此电机启动瞬间 I 非常大，当启动之后，随着电机速度逐渐增大， E_反 也逐渐增大，I随之减小，直至电机启动完成，达到稳定速度， E_反 稳定不变之后，I也不再发生变化。
  • 因此在实际使用过程中需要特别注意防止出现长时间堵住，以及注意超负荷启动导致启动堵住，这时V=0， E_反 = 0, 电机电流非常大，输入功率全部转化为发热功率，极容易出现烧毁电机的情况！
• 解决措施：
  • 缓启，也即控制电机缓慢启动，实际项目中电机一般支持调速控制，启动的时候不要一次性将PWM调到100，慢慢调到100，降低 E，对应的 I 也就降低了
  • 增加可变电阻，启动的时候设置电阻为比较大的值，启动之后设置电阻为比较小的值（比较传统，不建议）
  • 预启动，想法子先让电机转起来， E_反 = BLV，转起来了，反电动势就不等于0了，越过了启动的尖峰（这属于民间方法了，不推荐）

5.2 电机负载增大后电流为什么增大？

• 原理：
  • 负载增大以后，电机转速将下降，同时输入功率将增大。
  • 转速下降 V↓，则 E_反 = BLV ↓；E = E_反 + I * R，E为电池电压不变，则 I 增大；
  • 输入功率增大，P_输入功率 = E * I，E为电池电压不变，P_输入功率 增大，则 I 增大。

5.3 常见电路中，为什么要在电机旁边并联一个反向二极管？

• 实际使用直流有刷电机的电路中，常常看到电路上会在电机旁边并联一个反向二极管，那么这个二极管有什么作用呢？为什么一定要反着放呢？
• 原理：

  • 当控制直流电机停止转动的时候，会切断电机电流回路，而直流电机可近似看为是一个较大的电感，当电流被瞬间切断的时候，根据楞次定律，在电流突变的一瞬间，将产生一个非常大的感应电动势，电流方向为由电机的正极到负极，阻碍电流的减小，而由于回路切断，一瞬间产生的感应电流无法释放，将冲击电子器件，极易造成电子元器件的损坏，因此往往在使用过程中，将会在直流电机两端并联一个反向二极管，给电机停机时产生的感应电动势形成一个泄放回路。注意此二极管的选型需要根据实际的电机功率，运行电流进行选择！

  • 注意，尤其是电压驱动型电路中，常见的就是MOS控制电路中，由于此类驱动关断速度很快，所以感应电动势更大，如果没有泄放，更容易击穿！

  • 直流电机驱动电路一般由四个MOS管组成一个H桥电路，完成对直流电机的正反转控制如下图，虽然现在很多MOS都由漏极二极管，在H桥电路中，无论电机正反转均可通过此漏极二极管形成回路进行泄放，但是需要注意的是此二极管功率并不是很大，如果无法满足产品所选择的电机要求，建议增加二极管进行泄放
    

  • H桥电路，增加二极管后电路简图
    

附：直流电机H桥电路

此电路采用两个板桥驱动芯片，分别驱动两路MOS实现H桥电路，大学期间的一个电路，能用，但是保护不到位，由于本电路控制的电机功率不大，因此未额外增加二极管，但是建议大家有能力的都加上，保证稳定性，毕竟如果能做好就要尽可能做到最好！