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STM32自己从零开始实操07:电机电路原理图

news 来源：原创 2024/7/8 22:06:23

一、LC滤波电路

其实以下的滤波都可以叫低通滤波器。

1.1倒 “L” 型 LC 滤波电路

1.1.1定性分析

1.1.2仿真实验

电感：通低频阻高频的。仿真中高频信号通过电感，因为电感会阻止电流发生变化，故说阻止高频信号

电容：隔直通交。仿真实验中电容容值比较小，对于高频信号来说，它的容抗比较小，高频信号可以很大一部分流经这个电容导向地。

电阻：该电阻低频信号可以通过，而高频信号会被截止。

但是还要考虑一点：该并联电路，会有谐振问题。可以通过计算器计算 82uH 与 3.3uF 之间产生的谐振频率是 9675HZ ，当电源频率为该数值频率时，可以看到负载的输出达到了 100V 最大电压值，达到 -100V 的最低电压值。而输入电压仅仅有 5V。

这是由于发生了谐振，它的谐振频率与这个电源的频率一样，所以它导致它的增益倍数被放大了很多倍。当我们把电源频率调低一点至 5.7K ，负载电压是 7.61V ，也是被放大了，当再调低一点至 1K 的话，它的增益就是一倍，就是 5.045 V。

这样也能说明它是通低频阻高频的，而当它到达一定频率之后，它的增益会放大很多倍。所以设计电路为一个低通滤波器的时候，一定要避免这个频率达到它的谐振频率，而有时候是需要利用这个增益的。

倒“L”型LC滤波电路

1.2只有电容滤波

1.3 “π” 型 LC 滤波电路

1.3.1电阻式

在上面的只有电容滤波的电路中 100mA 的电流需要 500uF 的电容，当需要的电流更大时，电容的容值就得增加。这就不如 π 型滤波电路的性价比高。
（注意上面这句话，是不是在不经意间就解决了你“为什么这里用 π 型滤波电路的困惑”）

假设和上面的电路情况一样，经过全波整流之后的参数如下图左边所示。将 500uF 的电容拆成两个 250uF 的，加上一个 100Ω 电阻，你就会发现效率蹭蹭的就上去了。

电压 310V ，电流 100mA ，这就意味着负载的等效电阻为 3.1K ，如图所示。
（你可能会疑惑不是有电阻电容吗？在负载断的电压电流数值怎么不变？请你知道这个电路是一个正儿八经的滤波电路，一些微小的变化，一些微小的分压分流请忽略。）

电容阻抗： $X_{c}=\frac{1}{2\pi fc}=\frac{1}{628\times 0.00025}\approx 6.4\Omega$

经过第一个电容 C1 滤波之后的纹波： $V_{pipple}=\frac{^{I _{max}}}{f\cdot c}= \frac{100mA}{100HZ\times 0.00025F}=4V$

后面的电路是：电容并联负载后和电阻串联，电容和电阻并联后的电阻仍约等于电容的阻抗。

计算纹波公式为： $4V\times \frac{X_{C}}{100+X_{C}}=0.24V$

纹波从 4V （单电容滤波）变成了 0.24V （后半截 π）。

1.3.2电感式

上面电阻的位置可以换成电感，需要注意一下几点：

（1）根据电流大小选择

上面的电路中电流只有 100mA ，即负载电流比较小，则选择 CRC 型滤波。如果电路电流是 1A 则流过电阻的功耗就大了。

当较大的电流流过电感时，我们认为电感元件进行能量的储存和释放，不消耗电能（理想状态下）。

（2）根据频率大小选择

串联在电路中的电感的阻抗计算公式为： $X_{L}= 2\pi fl$

频率高：电感阻抗高，串联分压多，消除纹波效果明显。
频率低：电感阻抗低，串联分压少，消除纹波效果不明显，就需要电感量非常的大。

1.3.3总结

小电流+低频：CRC

大电流+高频：CLC

1.4本项目的应用

（1）原因

通过上面的讲解你应该能体会到本项目使用的 π 型滤波的原因：

本项目：电机部分驱动电流大-----→ 不能用电阻，功耗大。
本项目：高频噪声、纹波偏多-----→用电感串联分压多

（2）数值

电感的值，跟实际 PCB 布局和滤波的频率都有很大的关系，经验值 22uH。

必须有 C66 这样一个大电容在，因为后面电机停转等原因会产生低频干扰。

二、步进电机基础知识

2.1步进电机的原理

2.2步进电机的命名方式

28BYJ-48 步进电机命名介绍
命名	解释
28：步进电机的有效最大外径是 28mm	有效最大外径：是步进电机外壳的最大直径，这个尺寸通常用于确定电机的大小和安装空间。
B：表示是步进电机
Y：表示是永磁式	永磁式：电机内部的转子使用了永久磁铁，这种设计使得电机在停止时具有更高的保持力矩（holding torque）。当电机的定子线圈（通常是电磁铁）通电时，会产生电磁场。这些电磁场与转子的恒定磁场相互作用，产生一个扭矩，使转子定位。当电机停止供电时，转子的永久磁铁与定子铁芯的磁力仍然存在，保持转子在其位置不动。就像磁铁可以吸住铁片一样，电机内部的永久磁铁可以吸住定子铁芯，使转子在停止时保持不动。
J：表示是减速型（减速比1:64）	减速比：是指电机内部的某个部分（通常是电机转子）转动一定圈数后，外部输出轴才转动一圈。对于1:64的减速比，意味着电机转子转动64圈，输出轴才转动一圈。
48：表示四相八拍	四相：步进电机的四相指的是电机内部有四组线圈，每组线圈称为一相。八拍：每相线圈可以以一定顺序通电，使电机转动。八拍指的是一个完整的周期需要8个步进信号，即8个脉冲。
电压：5V
步距角：步进角度 5.623 X $\frac{1}{64}$	步进角度：是指步进电机接收到一个脉冲信号时，转子转动的角度。对于28BYJ-48 来说，原始步进角度是 5.625 度。 64分之一：由于减速齿轮的存在，实际输出轴的步进角度需要将原始步进角度除以减速比 64，因此每个步进脉冲输出轴的实际转动角度为 5.625 度 / 64 ≈ 0.088 度。

2.3驱动方式

步进电机不能直接使用电流源来工作，必须使用专用的步进电机驱动器，它由以下部分组成：

脉冲发生控制单元：生成控制脉冲信号来驱动电机
功率驱动单元：提供电机所需的电流和电压
保护单元：保护电机和驱动器免受过电流、过电压等故障的影响

三、单极性步进电机

3.1基础知识

3.1.1结构

如下图，单极性步进电机里面有两个大线圈，并在中间引出都引出抽头，将两个大线圈分成了四个小线圈，故又叫四相五线步进电机，又因为电流只有一个方向，又叫单极性步进电机。

红 5 接 5V 电源，皆从红 5 流入，其他四个色接驱动的输出端，从各自相中流出，单片机输出接驱动输入。

3.1.2驱动方法

~~（下面的知识点可以看懂，看不懂就算了。）~~

~~（1）单四拍~~

~~A→B→C→D→A→循环往复~~

~~特点：步距角 5.625 / 32 ,电流最小，扭矩最小~~

~~（2）双四拍~~

~~AB→BC→CD→DA→AB→循环往复~~

~~特点：步距角 5.625 / 32 ,电流最大，扭矩最大~~

~~（3）八拍~~

~~A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A→循环往复~~

~~特点：步距角 5.625 / 64 ,电流居中，扭矩居中~~

~~（4）所需脉冲~~

~~单四拍和双四拍转一周需要 2048 个脉冲，八拍需要 4096 个脉冲。~~

~~（5）转动位置和通电情况如图（图为自画，比较粗糙）~~

3.2 ULN2003 数据手册

3.2.1展示

3.2.2描述

ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个 NPN 达林顿管组成。所有单元共用发射极，每个单元采用开集电极输出。每一对达林顿都串联一个 2.7K 的基极电阻，直接兼容 TTL 和 5V CMOS 电路，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。 ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达 500mA，并且能够在关态时承受 50V 的电压，输出还可以在高负载电流下并行运行，很好的提供了需要多接口驱动电路的解决方案。

~~（1）特点：~~

~~工作电压范围宽~~
~~七路高增益达林顿阵列~~
~~输出电压高（可达 50V ）~~
~~输出电流大（可达 500mA）~~
~~可与 TTL、CMOS、PMOS 直接连接~~
~~内置钳位二极管适应感性负载~~

~~（2）应用~~

~~继电器驱动~~
~~直流照明驱动~~
~~步进电机驱动~~
~~电磁阀~~
~~直流无刷电机驱动~~

3.2.3电路框图

3.2.4内部等效线路图

3.2.5陈氏总结

看着会用就可以不用非常了解内部的结构的原理，很久没学习了，不要又陷入自己的误区。

你只需要知道：

达林顿晶体管是一种由两个NPN或PNP晶体管组成的复合晶体管，特点是具有高电流增益。第一个晶体管的集电极接第二个晶体管的基极，两个晶体管的电流增益相乘，使得整体的电流增益非常大。
达林顿，陈列是由多个达林顿晶体管组成的电路阵列，每个达林顿晶体管都是独立的。ULN2003中包含7个达林顿对，每对都有自己的输入和输出。
开集电极意味着每个达林顿对的输出端（集电极）没有连接到电源，而是外部设备需要提供电源。当输入信号使达林顿对导通时，输出端被拉低至接地点，从而完成电流路径。开集电极输出使得这些达林顿对可以直接用于驱动负载，如继电器、灯泡等。
ULN2003中，每个达林顿对的发射极都连接到同一个接地点（地）。这意味着所有达林顿对的负端都是共用的接地点。
ULN2003 能够兼容 TTL 和 5V CMOS电路，是因为每个达林顿对的输入端有一个 2.7KΩ 的基极电阻，这使得其输入电压阈值和电流需求与 TTL 和 5V CMOS 电路相匹配，即无论是那种信号的电压过来都是可以驱动达林顿晶体管的。
在 ULN2003 中，每个达林顿对在关态时（即输入信号为低电平时），其输出端可以承受最高 50V 的电压而不会损坏。这是因为达林顿晶体管的结构和材料能够承受较高的反向电压。

3.3KF2EDGR-3.81-5P介绍

KF2EDGR-3.81-5P 是插拔式接线端子，展示如下：

此处为四相五线，所以这里的接线端子需要有五跟线。

其中 1 线是公共端接电源，称为 com 端。
其他是电机的其他四相，只需要控制每一项的通断，用的是 ULN2003A 来驱动。

3.4原理图

3.4.1理解原理图之前必须形成的概念

ULN2003A 是一个反向器（在上面 ULN2003A 的电路框图中放大器输出端有一个圆圈，也验证代表反向的意思），左边为输入，中间是达林顿管，可以放大微小信号，右边为输出，电流只有一个方向。

输入 0 则输出 1，连接着上面所说的电机的其他四相。
运行时输入 1 → ULN2003A → 输出0 → 电机的其他四相就是0 → 公共端为1 就导通回路了。
只需要改变供电的次序就可以控制电机的转向。

·3.4.2原理图

四、双极性步进电机

4.1基础知识

4.1.1优缺点

~~（1）优点~~

1、精度高，适合定位要求高的场合
2、可靠性好，寿命长

~~（2）缺点~~

1、如果控制不当容易产生共振
2、难以运转到较高的转速

4.1.2内部结构

右边双极性步进电机里面就只有两个线圈，没有中间的抽头，所以又叫两相四线步进电机。该电机电流有两个方向，需要桥路来驱动，改变线圈电流的方向。

双极性的意思是通过线圈的电流有两个方向：

A+ → A- A- → A+
B+ → B- B- → B+

4.1.3驱动方式

~~与单极性的步进电机一样，有三种驱动方式：单四拍、双四拍、八拍~~

~~A+表示电流从A+流向A-，A-表示电流从A-流向A+~~

（1）单四拍 A+，B+，A-，B- 循环往复
特点:步距角7.5°，电流最小，扭矩最小

（2）双四拍 A+B+，B+A-，A-B-，B-A+ 循环往复
特点:步距角7.5°，电流最大，扭矩最大

（3）八拍A+，A+B+，B+，B+A-，A-，A-B-，B-，B-A+循环往复
特点:距角3.75°，电流居中，扭矩居中

因为单四拍的步距角是 7.5 度，也就是说按 A+，B+，A-，B- 这样线圈通电顺序就可以让步进电机转动 7.5 度，又因为该步进电机没有减速比，所以 360/7.5 = 48，48 个这样的单四拍就可以让电机转动一圈，双四拍的同理。

~~八拍步距角是 3.75 度，360/3.75 = 96，所以在八拍的驱动方式下，步进电机转一圈要 96 个这样的八拍脉冲。~~

4.2 LV8548MC-AH 数据手册

（废话不多说版）

4.2.1展示

4.2.2描述

LV8548MC 是一款 2 通道低饱和压正/反向电机驱动 IC，它是12V 系统产品中电机驱动的最佳选择，可以驱动两个直流电机，或采用并联连接一个直流电机，或全步和半步步的步进电机。

4.2.3引脚说明

引脚说明
序号	引脚名称	引脚说明	等效电路
1	VCC	电源电压，4.0~16V 。
2	IN1	电机驱动控制输入引脚。与 IN2 引脚结合使用，共同驱动控制OUT1 和 OUT2 的输入引脚。该引脚为数字输入，"L" 电平输入范围为0~0.7(V)，"H"电平输入范围为 1.8~5.5(V)，可以输入 PWM 信号。该引脚内置有 100(kΩ) 的下拉电阻。当所有 IN1、IN2、IN3 和 IN4 引脚均为 "L" 电平时，驱动器将进入待机模式，此时电路电流可调至 0。
3	IN2	电机驱动控制输入引脚。与 IN1 引脚结合使用，共同驱动控制OUT1 和 OUT2 的输入引脚。可以输入 PWM 信号。内置有 100(kΩ) 的下拉电阻。
4	IN3	电机驱动控制输入引脚。与 IN4 引脚结合使用，共同驱动控制OUT3 和 OUT4 的输入引脚。可以输入 PWM 信号。内置有 100(kΩ) 的下拉电阻。
5	IN4	电机驱动控制输入引脚。与 IN4 引脚结合使用，共同驱动控制OUT3 和 OUT4 的输入引脚。可以输入 PWM 信号。内置有 100(kΩ) 的下拉电阻。
6	GND	地。
7	OUT4	驱动输出引脚。电机线圈连接在 OUT3 引脚之间。
8	OUT3	驱动输出引脚。电机线圈连接在 OUT4 引脚之间。
9	OUT2	驱动输出引脚。电机线圈连接在 OUT1 引脚之间。
10	OUT1	驱动输出引脚。电机线圈连接在 OUT2 引脚之间。

4.2.4应用电路示例（重点）

通过将 IN1 与 IN3 连接，IN2 与 IN4 连接，OUT1 与 OUT3 连接，OUT2 与 OUT4 连接，可以实现如图所示的类似 H 桥的使用方式。（最大电流 Imax=2.0A，上下总 RON=0.522Ω）

4.3原理图

如4.2.4的实例2。

五、两路有刷直流电机

5.1基础知识

5.1.1视频

直流电机工作原理-国语版_哔哩哔哩_bilibili

该视频是有刷直流电机的详细、形象讲解视频，凡是不懂就去听一遍。

5.1.2文字版基础知识

5.1.2.1结构

曲面磁铁：比永磁体磁性更强。

电枢：将绕着电机的螺栓换成的金属环，接上电线就构成了电路也形成一块扁平磁铁。

换向器：（你也发现手动换电线实在是麻烦）具有对称缝隙的圆环，和电枢固定在一起，会和电枢一起旋转。

电刷：会随着换向器的旋转而在上面滑动，电刷上设置的弹簧压力保证了电刷能一直与幻象器接触。

电流：电线流出，通过电刷、换向器后，从另一边导线流出。

通电之后：电磁铁和电枢再次旋转起来，注意看当电刷经过缝隙时，之后电刷会切换与下一个换向器的接触点。请注意，有两个电刷，所以两边都会同时切换，在切换之前，电输中的电流是向这个方向流动的。而在电刷切换后，电流将向反方向流动。这意味着电磁铁的磁极也发生了切换，这将使电枢保持旋转，换向器重复做着电线切换的工作，就像之前手动完成的，但是这一次它是自动完成的。只要接上电池，它就能一直旋转，断开电池，电磁消失，旋转也就停止了。

陈氏总结：靠的就是换向器电枢接触点和开口的地方垂直，实现切换。

5.1.2.2现实生活中的改进

（1）只有一个金属环，这会导致电机运行速度不规则，并且还有可能会在换向器缝隙中间的位置卡住→拆分换向器的圆环，然后添加另一个回路

首先电刷接触一个回路的换向器片，驱动对应的金属环使电枢旋转。
等固定地方时，电刷就另外一个换向器器接触。这意味着当前回路关闭，然后下一个回路打开，现在新的电磁铁继续旋转，电刷继续切换触点。
然后下一个回路打开，电机不断旋转，回路不断切换，这意味着这些回路将轮流变成电磁铁。
有些电机会在电枢里加入更多的回路，这样确保了电机可以更加顺畅的旋转。作用于电枢上的旋转力矩称为转矩，转矩越大，转速也就越快。

（2）提高电机的转矩，已知缠绕的电线越多，电磁铁的磁性就越强。对金属螺栓缠绕更多线圈时，磁力的确增强了。同理，在增加电枢回路的线圈数量时，磁力也同样增强了，这样电机就会拥有更强大的磁性，也就意味着它会转得更快。

（3）增大电流

5.1.2.3相关术语

定子：电机中不动的部分。本视频中定子是两侧的永磁体。这些安装在电机外壳的边缘内。

转子：中间的电枢也称为转子。记住，转子只由轴承支撑的旋转体，轴从转子中间穿过电动机延伸到后面。

如果一个设备会动，并由电池供电，里面大概率会有一个直流电动机，其他类型电动机的工作方式这里展示的电动机不尽相同。但不管是哪种类型的电机，大部分都是通过某种旋转来工作的，一旦旋转，就能以此驱动各种设备。

5.2原理图

有刷直流电机只需要两根线，这里是两路有刷直流电机，电路图采用 4.2.4 的实例 1 。

六、无刷直流电机接口

6.1基础知识

6.1.1视频

底层原理极其简单，却很难造出精品！无刷直流电机的工作原理_哔哩哔哩_bilibili

6.1.2文字版基础知识

与有刷直流电机不同，无刷直流电机中间固定不动是定子，外圈在旋转是转子。由于定子与转子之间没有接触，也没有电刷与换向器，所以称之为无刷直流电机。

注意线圈的缠绕方式（下图红色方框），这样就能通过改变电流的方向来控制转子的转动。

而一个真正的无刷电机一般是由四个线圈和四块磁铁构成的。这四个线圈是一根线绕下来的，本质上其实就是一个线圈，所以这种类型的电机又叫单向无刷电机。以最上面的 N 极磁铁为例，此时它不仅受到 1 号线圈的排斥，而且还受到 2 号线圈的吸引，相比之前受力增加了一倍，它转的也会更快。

这里面需要不停的改变电流的方向，这样才会改变线圈的磁性，转子才会不停的转动。为了频繁的改变电流的方向，人们设计一个叫做 H 桥的电路，当开关 S1 和 S4 闭合时，电流从 A 流入，而当开关 S2 和 S3 闭合时，电流开始反向流入，这样线圈的极性就能发生改变。

为了用单片机控制，可以用 4 个 MOS 管替代这四个机械开关。需要注意的是，当给它切换电流方向的时候，改变的只是线圈的极性，是怎么改变电机的转速呢？其实也很简单，可以先闭合 S1，然后不停的开关 S4，这样产生的就是 PWM 波，如果有一半时间导通，一半时间截止，那么将会有一半的能量进入电机，它的速度也会变得更慢， PWM 波的占控比越高，它的速度也越快。

还有一个很关键的问题，那就是电机是怎么知道转子的位置的呢？在无刷电机领域，一般用开关霍尔元件来识别，当磁铁的 n 极靠近时，霍尔元件输出高电瓶，而让磁铁的 s 级靠近时，霍尔元件输出低电瓶。有了霍尔元件的加入，芯片就能根据他输出的高低电瓶来控制电机了。比如在最开始，霍尔器键检测到的是 N 极，一直输出高电瓶，而当转过 90 度之后检测到的是 s 级，它输出的是低电瓶。芯片采集到这个低电瓶之后会立马改变控制策略。也就是每当转子转 90 度，霍尔信号的输出改变一次，旋转一周一共改变 4 次。

接下来还有一个这样的问题，如果转子转到临界位置，那此时霍尔应该输出高电瓶还是低电瓶呢？真实的情况是此时输出就紊乱了，所以只靠一个霍尔元件是不行的。此时只需要再给他加一个霍尔元件，这样即使第一个输出紊乱，第二个霍尔元件也能输出正确的磁极信息，确保芯片能采集到正确的位置。

在实际应用中，应用比较多的是三项无刷直流电机，之所以叫它三项电机，是因为它的三个线圈都是彼此独立的，可以单独控制。把每两个线圈都连起来，也就是我们常说的“ 星 ”形链接，这样就能同时控制两个线圈了，能给转子提供双倍的力，转的也会更快。当转过 60 度之后再给 UW 线圈通电。以此类推，每转过 60 度更换一次线圈的通电方式，这样它就会不停的旋转。

可以看一下转子在各个角度的通电顺序，在控制上需要 6 个 MOS 管。

为了增加电机的力矩，人们在这个基础上设计了四个磁极、 6 个线圈的无刷电机，但是每一组相对的线圈都是串联的，所以本质上只有三个险圈，也属于三项无刷电机，但是这样力举大大增加，转速就会更加的快。

对比：就成本而言单向无刷电机是更有优势的，不仅结构更加简单，而且在控制上只需要 4 个 MOS 管。但是在性能上，三项无刷电机的性能更强，在同等体积下，三项电机拥有更高的功率，在控制方面也比单向电机更先进。

6.2原理图

老师原话：下面电路为接口设计，后续需要驱动无刷直流电机时再设计驱动板和它对接，可以用高级定时器产生六路 pwm 控制驱动桥开关、霍尔信号切换相位。

BM_HALL_W, BM_HALL_U, BM_HALL_V：这些引脚连接到霍尔传感器，用于检测转子的位置。
BM_UL, BM_VL, BM_WL, BM_UH, BM_VH, BM_WH：这些引脚连接到电机的三相绕组，分别是U、V、W相的上桥臂和下桥臂。
BM_EN：使能引脚，用于启用或禁用电机驱动。
BM_BKIN：刹车输入引脚，用于控制电机制动。

这里有一篇博客详细介绍驱动的设计过程，后续有时间在继续学习：

详解三相直流无刷电机驱动器硬件原理图_无刷直流电机驱动电路原理图-CSDN博客

七、旋转编码器接口

7.1基础知识

7.1.1视频

视频中采用的旋转编码器型号为：EC11E15244B2，编号: C470754。

旋转编码开关，你不懂，编程方法和结构原理吗？拆给你看！_哔哩哔哩_bilibili

7.1.2文字版基础知识

7.1.2.1展示

7.1.2.2陈氏理解

（1）6、7 电源引脚

VCC 与地引脚，为器件供电。

（2）A、B、C 旋转编码引脚

这三个引角相当于两个开关串联，中间的引角 g 通常接电源负极，两边的引角 a 和 b 通常通过上拉电阻接电源正极（是为了保证在没有信号输入时，保持稳定的高电平）。运作过程如下：

解析旋转开关信号的解析需要以其中一个开关作为基准信号。这里选 a 作为基准，对 a 信号的判断可以是高电瓶、低电瓶、上升沿、下降沿。通常 a 信号的上升延或下降延作为单片机的外部中断触发，这种方式相对比较可靠高效。
a 信号上升沿：顺时针旋转，上升沿后， b 信号 100 微秒内保持低电瓶；逆时针旋转，上升延后 b 信号 100 微秒内保持高电瓶。
a 信号下升沿：顺时针旋转，上升沿后， b 信号 100 微秒内保持高电瓶；逆时针旋转，上升延后 b 信号 100 微秒内保持低电瓶。

可以通过两个脉冲相位对比，判断电机的转向；可以通过 B 脉冲单位时间内的数量，判断电机的转速。

（3）D、E 按压开关引脚

按压一次输出一个（高或者低）的脉冲。