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一.直流电动机
直流电机实图
直流电机的工作原理
一、直流发电机工作原理
直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。
感应电动势的方向按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向。）
在图1.1所示瞬间，导体a b 、c d 的感应电动势方向分别由 b指向 a和由d 指向 c 。这时电刷 A呈正极性,电刷B 呈负极性。
图1.1 直流发电机原理模型
当线圈逆时针方向旋转180°时，这时导体c d 位于N 极下，导体a b 位于S 极下，各导体中电动势都分别改变了方向。
图1.2 直流发电机原理模型
从图看出，和电刷 A接触的导体永远位于 N极下，同样，和电刷 B接触的导体永远位于S 极下。因此，电刷 A始终有正极性，电刷 B始终有负极性，所以电刷端能引出方向不变的但大小变化的脉振电动势。如果电枢上线圈数增多，并按照一定的规律把它们连接起来，可使脉振程度减小，就可获得直流电动势。这就是直流发电机的工作原理。
二、直流电动机的工作原理
导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。
图1.3 直流电动机的原理模型
当电枢转了180°后，导体 cd转到 N极下，导体ab转到S极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷 A流入，经导体cd 、ab 后，从电刷B流出。这时导体cd 受力方向变为从右向左，导体ab 受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。
图1.4 直流电动机原理模型
因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体 ab和cd 流入，使线圈边只要处于N 极下，其中通过电流的方向总是由电刷A 流入的方向，而在S 极下时，总是从电刷 B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。这就是直流电动机的工作原理。
直流电机的原理结构
直流电动机是依靠直流工作电压运行的电动机，广泛应用于收录机、录像机、影碟机、电动剃须刀、电吹风、电子表、玩具等。
电磁式直流电动机的定子磁极（主磁极）由铁心和励磁绕组构成。根据其励磁（旧标准称为激磁）方式的不同又可分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。因励磁方式不同，定子磁极磁通（由定子磁极的励磁线圈通电后产生）的规律也不同。
串励直流电动机的励磁绕组与转子绕组之间通过电刷和换向器相串联，励磁电流与电枢电流成正比，定子的磁通量随着励磁电流的增大而增大，转矩近似与电枢电流的平方成正比，转速随转矩或电流的增加而迅速下降。其起动转矩可达额定转矩的5倍以上，短时间过载转矩可达额定转矩的4倍以上，转速变化率较大，空载转速甚高（一般不允许其在空载下运行）。可通过用外用电阻器与串励绕组串联（或并联）、或将串励绕组并联换接来实现调速。
并励直流电动机的励磁绕组与转子绕组相并联，其励磁电流较恒定，起动转矩与电枢电流成正比，起动电流约为额定电流的2.5倍左右。转速则随电流及转矩的增大而略有下降，短时过载转矩为额定转矩的1.5倍。转速变化率较小，为5%~15%。可通过消弱磁场的恒功率来调速。
他励直流电动机的励磁绕组接到独立的励磁电源供电，其励磁电流也较恒定，起动转矩与电枢电流成正比。转速变化也为5%~15%。可以通过消弱磁场恒功率来提高转速或通过降低转子绕组的电压来使转速降低。
复励直流电动机的定子磁极上除有并励绕组外，还装有与转子绕组串联的串励绕组（其匝数较少）。串联绕组产生磁通的方向与主绕组的磁通方向相同，起动转矩约为额定转矩的4倍左右，短时间过载转矩为额定转矩的3.5倍左右。转速变化率为25%~30%（与串联绕组有关）。转速可通过消弱磁场强度来调整。
换向器的换向片使用银铜、镉铜等合金材料，用高强度塑料模压成。电刷与换向器滑动接触，为转子绕组提供电枢电流。电磁式直流电动机的电刷一般采用金属石墨电刷或电化石墨电刷。转子的铁心采用硅钢片叠压而成，一般为12槽，内嵌12组电枢绕组，各绕组间串联接后，再分别与12片换向片连接。
1．永磁式直流电动机
永磁电机实图
永磁式直流电动机也由定子磁极、转子、电刷、外壳等组成，定子磁极采用永磁体（永久磁钢），有铁氧体、铝镍钴、钕铁硼等材料。按其结构形式可分为圆筒型和瓦块型等几种。录放机中使用的电多数为圆筒型磁体，而电动工具及汽车用电器中使用的电动机多数采用专块型磁体。
转子一般采用硅钢片叠压而成，较电磁式直流电动机转子的槽数少。录放机中使用的小功率电动机多数为3槽，较高档的为5槽或7槽。漆包线绕在转子铁心的两槽之间（三槽即有三个绕组），其各接头分别焊在换向器的金属片上。电刷是连接电源与转子绕组的导电部件，具备导电与耐磨两种性能。永磁电动机的电刷使用单性金属片或金属石墨电刷、电化石墨电刷。
录放机中使用的永磁式直流电动机，采用电子稳速电路或离心式稳速装置。
2．无刷直流电动机
无刷直流电动机是采用半导体开关器件来实现电子换向的，即用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷。它具有可靠性高、无换向火花、机械噪声低等优点，广泛应用于高档录音座、录像机、电子仪器及自动化办公设备中。
无刷直流电动机由永磁体转子、多极绕组定子、位置传感器等组成。位置传感按转子位置的变化，沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流（即检测转子磁极相对定子绕组的位置，并在确定的位置处产生位置传感信号，经信号转换电路处理后去控制功率开关电路，按一定的逻辑关系进行绕组电流切换）。定子绕组的工作电压由位置传感器输出控制的电子开关电路提供。
位置传感器有磁敏式、光电式和电磁式三种类型。
采用磁敏式位置传感器的无刷直流电动机，其磁敏传感器件（例如霍尔元件、磁敏二极管、磁敏诂极管、磁敏电阻器或专用集成电路等）装在定子组件上，用来检测永磁体、转子旋转时产生的磁场变化。
采用光电式位置传感器的无刷直流电动机，在定子组件上按一定位置配置了光电传感器件，转子上装有遮光板，光源为发光二极管或小灯泡。转子旋转时，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件将会按一定频率间歇间生脉冲信号。
采用电磁式位置传感器的无刷直流电动机，是在定子组件上安装有电磁传感器部件（例如耦合变压器、接近开关、LC谐振电路等），当永磁体转子位置发生变化时，电磁效应将使电磁传感器产生高频调制信号（其幅值随转子位置而变化）。
2.1直流无刷电机的优越性
直流电机具有响应快速、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，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场须恒维持90°，这就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多，提升驱动电机的性能。微处理机速度亦越来越快，可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直交坐标系统中，适当控制交流电机在两轴电流分量，达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能。
此外已有很多微处理机将控制电机必需的功能做在芯片中，而且体积越来越小；像模拟/数字转换器(analog-to-digital converter，adc)、脉冲宽度调制(pulse wide modulator，pwm)…等。直流无刷电机即是以电子方式控制交流电机换相，得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺失的一种应用。
2.2直流无刷电机的控制结构
直流无刷电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(p)影响：
n=120．f / p。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。
直流无刷驱动器包括电源部及控制部如图 (1) ：电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。
电源部可以直接以直流电输入(一般为24v)或以交流电输入(110v/220 v)，如果输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器(inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(q1～q6)分为上臂(q1、q3、q5)/下臂(q2、q4、q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供pwm(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相的时机。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall-sensor)，做为速度之闭回路控制，同时也做为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。
2.3直流无刷电机的控制原理
要让电机转动起来，首先控制部就必须根据hall-sensor感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器(inverter)中功率晶体管的顺序，如下（图二） inverter中之ah、bh、ch(这些称为上臂功率晶体管)及al、bl、cl(这些称为下臂功率晶体管)，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到hall-sensor感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管)；要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。
基本上功率晶体管的开法可举例如下：
ah、bl一组→ah、cl一组→bh、cl一组→bh、al一组→ch、al一组→ch、bl一组
但绝不能开成ah、al或bh、bl或ch、cl。此外因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂(或上臂)就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。
当电机转动起来，控制部会再根据驱动器设定的速度及加/减速率所组成的命令(command)与hall-sensor信号变化的速度加以比对(或由软件运算)再来决定由下一组(ah、bl或ah、cl或bh、cl或……)开关导通，以及导通时间长短。速度不够则开长，速度过头则减短，此部份工作就由pwm来完成。pwm是决定电机转速快或慢的方式，如何产生这样的pwm才是要达到较精准速度控制的核心。高转速的速度控制必须考虑到系统的clock 分辨率是否足以掌握处理软件指令的时间，另外对于hall-sensor信号变化的资料存取方式也影响到处理器效能与判定正确性、实时性。至于低转速的速度控制尤其是低速起动则因为回传的hall-sensor信号变化变得更慢，怎样撷取信号方式、处理时机以及根据电机特性适当配置控制参数值就显得非常重要。或者速度回传改变以encoder变化为参考，使信号分辨率增加以期得到更佳的控制。电机能够运转顺畅而且响应良好，p.i.d.控制的恰当与否也无法忽视。之前提到直流无刷电机是闭回路控制，因此回授信号就等于是告诉控制部现在电机转速距离目标速度还差多少，这就是误差(error)。知道了误差自然就要补偿，方式有传统的工程控制如p.i.d.控制。但控制的状态及环境其实是复杂多变的，若要控制的坚固耐用则要考虑的因素恐怕不是传统的工程控制能完全掌握，所以模糊控制、专家系统及神经网络也将被纳入成为智能型p.i.d.控制的重要理论。
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