- 直流有刷电机介绍
? 直流有刷电机（Brushed DC motor）具有结构简单、易于控制、成本低等特点，在一些功能简单的应用场合，或者说在能够满足必要的性能、低成本和足够的可靠性的前提下，直流有刷电机往往是一个很好的选择。例如便宜的电子玩具、各种风扇和汽车的电动座椅等。基本的直流有刷电机在电源和电机之间只需要两根电缆，这样就可以节省配线和连接器所需的空间，并降低电缆和连接器的成本。此外，还可以使用 MOSFET/IGBT 开关对直流有刷电机进行控制，给电机提供足够好的性能的同时，整个电机控制系统也会比较便宜。直流有刷电机转速快、扭矩小，在某些应用中可能无法满足要求。这种情况就需要做一些改进来降低转速，并提高力矩。直流减速电机就是这样一种电机。
? 直流有刷电机结构简图
? 直流有刷电机控制系统原理图
优点
1、结构简单
有刷电机机构简单，生产加工容易，维修方便，容易控制；直流电机还具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能。
2、运行平稳，起、制动效果好
有刷电机是通过调压调速，所以起动和制动平稳，恒速运行时也平稳。无刷电机通常是数字变频控制，先将交流变成直流，直流再变成交流，通过频率变化控制转速，所以无刷电机在起动和制动时运行不平稳，振动大，只有在速度恒定时才会平稳。
3、控制精度高
有刷电机通常和减速箱、编码器一起使用，使得电机的输出功率更大，控制精度更高，控制精度可以达到0.01毫米，几乎可以让运动部件停在任何想要的地方。所有精密机床都是采用直流电机控制精度。
缺点
1、电刷和换向器之间有摩擦，造成效率降低、噪音增加、容易发热，有刷电机的寿命要比无刷短几倍。
2、维护麻烦，需要不停的换电刷。
3、因为电阻大，效率低、输出功率少。
4、电刷和换向器摩擦会引起火花，干扰大
- ? 直流有刷电机驱动原理
? 直流有刷电机的旋转通过给电机两根线供电电机就可以实现，给正电压电机正转，给相反电压电机反转；电压越太，电机转得越快，电压越小，转速也变小。电机速度的调控总的来说有三种：弱磁升速，调压调速和串电阻调速。而降压调速兼顾平滑无级调速和调压范围广的优点使之称为小型直流电机中最为常用的速度调控方式。直流有刷电机调速过程是调整电机供电电源电压的高低，调整后的电压电流通过整流子及电刷地转换，改变电极产生的磁场强弱，达到改变转速的目的。这一过程被称之为变压调速。
Tips：我们希望单片机可以方便的调整电机速度，但STM32的IO接口电压和电流一般都是非常有限的，电压是3.3V，电流是8mA，所以为方便控制需要在MCU和电机之间添加个驱动电路板，该电机驱动板有两种输入线：电源输入线和控制信号输入线。电源输入线一般要求是可以提供电机额定电源的大电流电源，一般来说电机所需要的电压和额定电流是多少，那么就要给电机驱动板提供多大的电压和电流，它是给电机提供动力的来源。控制信号线与微控制器的信号线连接，是实现调速的方法，一般是PWM的可调方波信号。电机驱动板还有一个输出线，有两个接口，它与直流电机的引脚直接连接。注意，这里的电机驱动板 输出线是应该一系列电路之后才输出的，也就是通过输入信号调制后的输出线。
? 脉冲宽度调制（Pulse width modulation， PWM）信号，即 PWM 是一种按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 PWM 通过一定的频率来改变通电和断电的时间，从而控制电路输出功率，在直流有刷电机的控制周期中, 通电时间决定了它的转速。其中，通电时间/(通断时间 + 断电时间)= 占空比，即，高电平占整个周期的百分比。
? PWM信号图
? 直流有刷电机的速度与施加给电机的电压成正比。脉宽调制 （PWM）信号被用来产生平均电压。电机的绕组充当一个低通滤波器，因此具有足够频率的PWM信号将会在电机绕组中产生一个稳定的电流。平均电压、供电电压和占空比的关系由以下公式给出：
平
均
电
压
=
供
电
电
压
×
占
空
比
平均电压= 供电电压×占空比
平均电压=供电电压×占空比
? 速度和占空比之间成正比关系。例如，如果额定直流有刷电机在12V时以转速15000 RPM旋转，则当给电机施加占空比为50%的信号时，则电机将 （理想情况下）以7500 RPM的转速旋转。PWM信号的频率是考虑的重点。频率太低会导致电机转速过低，噪音较大，并且对占空比变化的响应过慢。频率太高，则会因开关设备的开关损耗而降低系统的效率。经验之谈是在4 kHz至20 kHz范围内，调制输入信号的频率。这个范围足够高，电机的噪音能够得到衰减，并且此时MOSFET中的开关损耗也可以忽略。一般来说，针对给定的电机用实验的办法找到满意的PWM频率是一个好办法。
**硬件实现：**H桥驱动电路
? 简单开关组成的H桥驱动电路
◆当开关A和D闭合、B和C断开时直流电机正常旋转，记该旋转方向为正方向。
◆当开关B和C闭合、A和D断开时直流电机正常旋转，记该旋转方向为反方向。
◆当开关A和C闭合、B和D断开或者当开关B和D闭合、A和C断开时直流电机不旋转。此时可以认为电机处于“刹车”状态，电机惯性转动产生的电势将被短路，形成阻碍运动的反电势，形成“刹车”作用。
◆当开关A和B闭合或者当开关C和D闭合时直接电源短路，会烧毁电源，这种情况严禁出现。
◆当开关A、B、C和D四个开关都断开时候，认为电机处于“惰行”状态，电机惯性所产生的电势将无法形成电路，从而也就不会产生阻碍运动的反电势，电机将惯性转动较长时间。
这样简单的控制开关状态就可以控制电机的选择方向。从上图（）中可以看到，其形状类似于字母“H”，而作为负；载的直流电机是像“桥”一样架在上面的；所以称之为“H桥驱动”。4个开关所在位置就称为“桥臂”。
? 三极管和MOS管组成的H桥驱动电路