直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

隨著人們生活水平的提高，產(chǎn)品質(zhì)量、精度、性能、自動(dòng)化程度、功能以及功耗、價(jià)格問(wèn)題已經(jīng)是選擇家用電器的主要因素。永磁無(wú)刷直流電機(jī)既具有交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，又具備直流伺服電機(jī)那樣良好的調(diào)速特性而無(wú)機(jī)械式換向器，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種調(diào)速驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。MOTOROLA 第二代電機(jī)控制專用芯片的出現(xiàn)，給永磁無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速裝置的設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的便利。這些芯片控制功能強(qiáng)，保護(hù)功能完善，工作性能穩(wěn)定，組成的系統(tǒng)所需外圍電路簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，特別適用于工作環(huán)境惡劣，對(duì)控制器體積，價(jià)格性能比要求較高的場(chǎng)合。

2.1 控制器結(jié)構(gòu)

MC33035 是 MOTORLORA 公司研制的第二代無(wú)刷直流電機(jī)控制專用集成電路，加上1片 MC3309 電子測(cè)速器將無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行 F/V 轉(zhuǎn)換，形成轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，即可構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。外接 6 個(gè)功率開關(guān)器件組成三相逆變器，就可驅(qū)動(dòng)三相永磁無(wú)刷直流電機(jī)，控制器電路構(gòu)成，如圖 1 所示，圖中 S1 控制電機(jī)轉(zhuǎn)向，S2 控制系統(tǒng)起停，S3 選擇系統(tǒng)開環(huán)或閉環(huán)運(yùn)行，S4 控制系統(tǒng)制動(dòng)，S5 選擇轉(zhuǎn)

子位置檢測(cè)信號(hào)為 60°或 120°方式，S6 控制系統(tǒng)的復(fù)位。電位器 RP1 用以設(shè)定所需電機(jī)轉(zhuǎn)速，發(fā)光二板管 L1 用作故障

指示，當(dāng)出現(xiàn)不正常的位置檢測(cè)信號(hào)、主電路過(guò)流、3種欠電壓之一（芯片電壓低于9.1V，驅(qū)動(dòng)電路電壓低于9.1V，基準(zhǔn)電壓低于4.5V）、芯片內(nèi)部過(guò)熱、起停端低電平時(shí)，L1發(fā)光報(bào)警，同時(shí)自動(dòng)封鎖系統(tǒng)。故障排除后，經(jīng)系統(tǒng)復(fù)位才能恢復(fù)正常工作。

2.2 控制原理

從電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器送來(lái)的三相位置檢測(cè)信號(hào)（SA,SB,SC）一方面送入 ) MC33035，經(jīng)芯片內(nèi)部譯碼電路結(jié)合正反轉(zhuǎn)控制端、起?？刂贫?、制動(dòng)控制端、電流檢測(cè)端等控制邏輯信號(hào)狀態(tài)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算后，產(chǎn)生逆變器三相上、下橋臂開關(guān)器件的6路原始控制信號(hào)，其中，三相下橋開關(guān)信號(hào)還要按無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速機(jī)理進(jìn)行脈寬調(diào)制處理。處理后的三相下橋 PWM 控制信號(hào) （Ar ,Br, Cr）經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路整形、放大后，施加到逆變器的6個(gè)開關(guān)管上，使其產(chǎn)生出供電機(jī)正常運(yùn)行所需的三相方波交流電流。

另一方面，轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)信號(hào)還送入 MC33039 經(jīng) F/V轉(zhuǎn)換，得到一個(gè)頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號(hào)FB。FB 通過(guò)簡(jiǎn)單的 阻容網(wǎng)絡(luò)濾波后形成轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，利用 MC33035 中的誤差放大器即可構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的P調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，以提高電機(jī)的機(jī)械特性硬度。實(shí)際應(yīng)用中，還可外接各種 PI, PD，調(diào)節(jié)電路以實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。

3.1 MC33035 結(jié)構(gòu)組成及功能

其主要組成部分包括：

（ 1 ）轉(zhuǎn)子位置傳感器譯碼電路；

（ 2 ）帶溫度補(bǔ)償?shù)膬?nèi)部基準(zhǔn)電源；

（ 3 ）頻率可設(shè)定的鋸齒波振蕩器；

（ 4 ）誤差放大器；

（ 5）脈寬調(diào)制（PWM）比較器；

（ 6 ）輸出驅(qū)動(dòng)電路；

（ 7 ）欠電壓封鎖保護(hù)芯片過(guò)熱保護(hù)等故障輸出；

（ 8 ）限流電路。

該集成電路的典型控制功能包括 PWM 開環(huán)速度控制，使能控制（起動(dòng)或停止），正反轉(zhuǎn)控制和能耗制動(dòng)控制，適當(dāng)加上一些外圍元件，可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)。

3.1.1 轉(zhuǎn)子位置傳感器譯碼電路

該譯碼電路將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成六路驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)，三路上側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出和三路下側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出。它適合于集電極開路的霍爾集成電路或光耦合電路等傳感器。輸入端腳 4、5、6 都設(shè)有提升電阻，輸入電路分 TTL 電路電平兼容，門檻電壓為2.2V。該集成電路適用于傳感器相位差為,60°、120°、240°、300° 四種情況的三相無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。由于 3 個(gè)輸入邏輯信號(hào)，可有 8 種邏輯組合。其中 6 種正常狀態(tài)決定了電動(dòng)機(jī) , 個(gè)不同位置狀態(tài)。其余 2 種組合對(duì)應(yīng)于位置傳感不正常狀態(tài)，即 3 個(gè)信號(hào)線開路或?qū)Φ囟搪窢顟B(tài)，此時(shí)腳 14 將輸出故障信號(hào)（低電平）。

用腳 3 邏輯電平來(lái)確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向。當(dāng)腳 3 邏輯狀態(tài)改變時(shí)，傳感器信號(hào)在譯碼器內(nèi)將原來(lái)的邏輯狀態(tài)改變成非，再經(jīng)譯碼后，得到反相序的換向輸出，使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)的起?？刂朴赡_ 7 使能端來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)腳 7 懸空時(shí)，內(nèi)部有電流源使驅(qū)動(dòng)輸出電路正常工作。若腳 7 接地，3 個(gè)上側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出開路（1 狀態(tài)），3 個(gè)下側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出強(qiáng)制為低電平（ 0 狀態(tài)），使電動(dòng)機(jī)失去激勵(lì)而停車，同時(shí)故障信號(hào)輸出為零。

當(dāng)加到腳 23 上的制動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)，電動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)操作。它使 3 個(gè)上側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出開路，下側(cè) 3 個(gè)驅(qū)動(dòng)輸出為高電平，外接逆變橋下側(cè) 3 個(gè)功率開關(guān)導(dǎo)通，使電動(dòng)機(jī) 3 個(gè)繞組端對(duì)地短接，實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)。芯片內(nèi)設(shè)一個(gè)四與門電路，其輸入端是腳 23 的制動(dòng)信號(hào)和上側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出 3 個(gè)信號(hào)，它的作用是等待 3 個(gè)上側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出確實(shí)已轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)后，才允許 3 個(gè)下側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)，從而避免逆變橋上下開關(guān)出現(xiàn)同時(shí)導(dǎo)通的危險(xiǎn)，其控制真值表，如表1示。

3.1.2 誤差放大器

該芯片內(nèi)設(shè)有高性能，全補(bǔ)償?shù)恼`差放大器。在閉環(huán)速度控制時(shí)，該放大器的直流電壓增益為 80dB ，增益帶寬為 0.6MHz,輸入共模電壓范圍從地到 VREF（典型值為 6.25V ），可得到良好性能。作開環(huán)速度控制時(shí)，可將此放大器改接成增益為 1 的電壓跟隨器，即速度設(shè)定電壓從其同相輸入端腳 11輸入。腳 12～13 短接。

3.1.3 脈寬調(diào)制器

除非由于過(guò)電流或故障狀態(tài)使 6 個(gè)驅(qū)動(dòng)輸出調(diào)閉鎖，在正常情況下，誤差放大器輸出與振蕩器輸出鋸齒波信號(hào)比較后，產(chǎn)生脈寬調(diào)制（ PWM ）信號(hào)，控制 3 個(gè)下側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出。改變輸出脈沖寬度，相當(dāng)于改變供給電動(dòng)機(jī)繞組的平均電壓，從而控制其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。脈寬調(diào)制時(shí)序圖，如圖 3 示。

3.1.4 電流限制

外接逆變橋經(jīng)一電阻 Rs 接地作電流采樣。采樣電壓由腳 9 和腳 15 輸入至電流檢測(cè)比較器。比較器反相輸入端設(shè)置有 100mV 基準(zhǔn)電壓，作為電流限流基準(zhǔn)。在振蕩器鋸齒波上升時(shí)間內(nèi)，若電流過(guò)大，此比較器翻轉(zhuǎn)，使下 Rs 觸發(fā)器重置，將驅(qū)動(dòng)輸出關(guān)閉，以限制電流繼續(xù)增大。在鋸齒波下降時(shí)間，重新將觸發(fā)器置位，使驅(qū)動(dòng)輸出開通。利用這樣的逐個(gè)周期電流比較，實(shí)現(xiàn)了限流，若允許最大電流為 Imax ，則采樣電阻按下式選擇：

Rs = 0.1/ Imax為了避免由換相尖峰脈沖引起電流檢測(cè)誤動(dòng)作，在腳 9 輸入前可設(shè)置 RC 低通濾波器。

3.2 MC33039電子測(cè)速器

MC33039是為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)速度控制專門設(shè)計(jì)的集成電路，系統(tǒng)不必使用高價(jià)的電磁式或光電測(cè)速機(jī)，就可實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速控制。它直接利用三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器 3 個(gè)輸出信號(hào)，經(jīng) F / V 變換成正比于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的電壓。

從 MC33039 結(jié)構(gòu)圖圖 4 可知，腳 1 、 2、 3 接收位置傳感器 3 個(gè)信號(hào)，經(jīng)有滯后的緩沖電路，以抑制輸入噪聲。經(jīng)“或”運(yùn)算得到相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)每對(duì)極下 6 個(gè)脈沖的信號(hào)。再經(jīng)有外接定時(shí)元件 CT 和 Rr 的單穩(wěn)態(tài)電路，從腳 5 輸出的 fout 信號(hào)的

占空比與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，其直流分量與轉(zhuǎn)速成正比，此信號(hào)在外接低通濾波器處理后，即可得到與轉(zhuǎn)速成正比的測(cè)速電壓。三相電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用時(shí)的波形圖中，fout是腳5輸出，Vout，（AVG）表示它的平均值，即直流分量。

為了更好的驗(yàn)證前面理論的可行性及安全性，按設(shè)計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

4.1 準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn) 的 主 要 部 分 _ 控 制 電 路，設(shè) 計(jì) 為 MC33035 和MC33039 所組成的閉環(huán)系統(tǒng)。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)電路作了一些必要的調(diào)整，這些調(diào)整并沒(méi)有影響系統(tǒng)的功能以及實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

首先要作調(diào)整的是電源。試驗(yàn)中選用的電機(jī)是三相六極電機(jī)，n0 = 1500r/min, I0 = 10A, U0 = 50V 。在供電電源和 MC33035 的 腳 17 之 間 加 入 LM317 穩(wěn) 壓 三 端 以 保證MC33035的Vcc在許可的范圍內(nèi)。LM317 是 50V 輸入、 15V 輸出的穩(wěn)壓三端。它的基本電路結(jié)構(gòu)，如圖 5 示。

其次，該閉環(huán)速度控制系統(tǒng)中，用 3 個(gè)霍爾集成電路作轉(zhuǎn)子位置傳感器。用 MC33035 的腳 8 參考電壓（6.24V）作為它們 的 電 源?；?爾 集 成 電 路 輸 出 信 號(hào) 送 至 MC33039 和MC33035。實(shí)驗(yàn)中的電動(dòng)機(jī)是六極的，從 MC33039 的腳 5 輸

出的脈沖數(shù)是電動(dòng)機(jī)每一轉(zhuǎn)輸出的 3×6 = 18 個(gè)脈沖。按電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速來(lái)選擇定時(shí)元件。實(shí)驗(yàn)中電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為1500r/min即 1500/60 = 25r/s 。此時(shí)每秒輸出脈沖數(shù)是 25×18 = 450個(gè)。即其頻率為 450Hz，周期約為 2.2ms 。由 MC33039 說(shuō)明書，取定時(shí)元件參數(shù) R1=1MΩ，C1 = 750PF，單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生脈沖寬度為 95µs 。腳 8 接 MC33035 的基準(zhǔn)電壓。腳 5 輸出經(jīng)電阻 R3 接 MC33035 的腳 12 ，即誤差放大反相輸入端。放大器此時(shí)增益為 10，電容C3, 起濾波平滑作用。MC33035 振蕩器參數(shù)：R2 =5.1kΩ，C2 = 0.01µF，PWM 頻率約為 24kHz 。

另外，因無(wú)法做成圖 1 所示的 NPN-PNP 逆變橋。故用了 N 溝道的 VMOS 管，可組成六路逆變橋的電路，由于上側(cè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)只能直接驅(qū)動(dòng) p 溝道的 VMOS 管而下側(cè)可直接驅(qū)動(dòng) N 溝道的 VMOS 管。因而上橋臂與逆變橋之間的電路中加入反相器將驅(qū)動(dòng)信號(hào)變非即可。組成后的電路圖，如圖 6 示。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

在電機(jī)實(shí)際操作之前，以手動(dòng)方式轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，用萬(wàn)用表測(cè)量電機(jī)上設(shè)置的霍爾傳感器的三路輸出信號(hào)與 MC33035 輸出信號(hào)真值表是否一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表 2 示。

手動(dòng)工作的結(jié)果：實(shí)驗(yàn)所得與理論真值表一致。

電機(jī)在電源驅(qū)動(dòng)情況下的實(shí)驗(yàn)波形，如圖7、8示。

兩圖中的上側(cè)曲線均為傳感器輸出的 SB ，圖 7的下側(cè)曲線為Sc ，圖 8 的下側(cè)曲線為 SA。對(duì)照可知，實(shí)驗(yàn)輸出與理論相符。

測(cè)量電流波形時(shí)，首先，將一驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)逆變器的主回路引出，在電線上裝置電流傳感器，再接入一 5Ω的測(cè)量電阻后接地。然后以示波器測(cè)量電流傳感器的電流，即流經(jīng)電阻的波形，即電機(jī)電流波形。如圖 9 示。

可是，圖 9 中的波形并不與理論。只是在周期內(nèi)的分布有點(diǎn)相同，但波形上區(qū)別較大。這是由于電機(jī)處于空載運(yùn)行所致。因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中，無(wú)刷電機(jī)是運(yùn)行在空載狀態(tài)，逆變器的每一次換相，帶來(lái)的沖擊電流大于滿載狀態(tài)時(shí)，沒(méi)有負(fù)載消耗平緩電流的波動(dòng)。

接著做起動(dòng)加速運(yùn)行的波形測(cè)試。實(shí)驗(yàn)以某一 MC33035 的上側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出和 MC33035 的 fout 為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。測(cè)得的波形，如圖 10, 示。

理論上這一波形應(yīng)該是上側(cè)輸出的波形不因速度控制器的變動(dòng)而改變，而 fout 波形則應(yīng)該隨速度控制器的變動(dòng)而改變一周期內(nèi)脈沖的數(shù)量，從而改變電動(dòng)機(jī)兩端的平均電壓，改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

但由于試驗(yàn)中的種種客觀原因，導(dǎo)致了顯示的波形出現(xiàn)了缺相的現(xiàn)象。但圖中仍可看到下側(cè)的驅(qū)動(dòng)波每一周期的脈沖數(shù)量逐漸增加，即電機(jī)加速。

在故障測(cè)試中，用一電位器接入控制電路的電源輸入端，改變控制電路的電源電壓 Vcc ，看電路對(duì)故障信號(hào)的反應(yīng)。在試驗(yàn)過(guò)程中，電源電壓 Vcc 從 15V 不斷被調(diào)低 ，當(dāng)?shù)竭_(dá) 10.5V 左右時(shí)，報(bào)警電路驅(qū)動(dòng) LED 點(diǎn)亮，故障報(bào)警。

雖然在實(shí)驗(yàn)中，出現(xiàn)了一些與理論不太符合的現(xiàn)象，但總體來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果基本達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果，證明了運(yùn)用小型無(wú)刷直流電機(jī)作家用傳動(dòng)裝置的實(shí)際可行性。

　電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)名錄：

日本萬(wàn)寶至馬達(dá)株式會(huì)社

香港德昌電機(jī)有限公司

香港標(biāo)準(zhǔn)馬達(dá)有限公司

日本三洋電機(jī)株式會(huì)社

捷和電機(jī)深圳有限公司

深圳唯真電機(jī)有限公司

深圳市倉(cāng)興達(dá)電機(jī)有限公司

浙江金龍機(jī)電股份有限公司

深圳涌新源電機(jī)有限公司

常州電機(jī)電器總廠

西安微電機(jī)研究所

西門子電機(jī)廠

南陽(yáng)防爆電機(jī)總廠

勵(lì)磁繞組與電樞繞組無(wú)聯(lián)接關(guān)系，而由其他直流電源對(duì)勵(lì)磁繞組供電的直流電機(jī)稱為他勵(lì)直流電機(jī)，接線如圖（a）所示。圖中M表示電動(dòng)機(jī)，若為發(fā)電機(jī)，則用G表示。永磁直流電機(jī)也可看作他勵(lì)或自激直流電機(jī)，一般直接稱作勵(lì)磁方式為永磁。

并勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)，接線如圖（b）所示。作為并勵(lì)發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，是電機(jī)本身發(fā)出來(lái)的端電壓為勵(lì)磁繞組供電；作為并勵(lì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，勵(lì)磁繞組與電樞共用同一電源，從性能上講與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)相同。

串勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后，再接于直流電源，接線如圖（c）所示。這種直流電機(jī)的勵(lì)磁電流就是電樞電流。

復(fù)勵(lì)直流電機(jī)有并勵(lì)和串勵(lì)兩個(gè)勵(lì)磁繞組，接線如圖（d）所示。若串勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁通勢(shì)與并勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁通勢(shì)方向相同稱為積復(fù)勵(lì)。若兩個(gè)磁通勢(shì)方向相反，則稱為差復(fù)勵(lì)。

不同勵(lì)磁方式的直流電機(jī)有著不同的特性。一般情況直流電動(dòng)機(jī)的主要?jiǎng)?lì)磁方式是他勵(lì)和串勵(lì)，其它勵(lì)磁方式，在電子工業(yè)的不斷完善下將逐漸被淘汰，直流發(fā)電機(jī)的主要?jiǎng)?lì)磁方式有他勵(lì)、并勵(lì)和復(fù)勵(lì)方式。

直流發(fā)電機(jī)是把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為直流電能的機(jī)器。它主要作為直流電動(dòng)機(jī)、電解、電鍍、電冶煉、充電及交流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源等所需的直流電機(jī)。雖然在需要直流電的地方，也用電力整流元件，把交流電轉(zhuǎn)換成直流電，但從某些工作性能方面來(lái)看，交流整流電源還不能完全取代直流發(fā)電機(jī)。

按結(jié)果主要分為直流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī) 按類型主要分為直流有刷電機(jī)和直流無(wú)刷電機(jī)。 直流電機(jī)的勵(lì)磁方式是指對(duì)勵(lì)磁繞組如何供電、產(chǎn)生勵(lì)磁磁通勢(shì)而建立主磁場(chǎng)的問(wèn)題。根據(jù)勵(lì)磁方式的不同，直流電機(jī)可分為下列幾種類型。

由直流電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)工作原理示意圖可以看到，直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動(dòng)的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。

（1）主磁極

主磁極的作用是產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)。主磁極由主磁極鐵心和勵(lì)磁繞組兩部分組成。鐵心一般用0.5mm～1.5mm厚的硅鋼板沖片疊壓鉚緊而成，分為極身和極靴兩部分，上面套勵(lì)磁繞組的部分稱為極身，下面擴(kuò)寬的部分稱為極靴，極靴寬于極身，既可以調(diào)整氣隙中磁場(chǎng)的分布，又便于固定勵(lì)磁繞組。勵(lì)磁繞組用絕緣銅線繞制而成，套在主磁極鐵心上。整個(gè)主磁極用螺釘固定在機(jī)座上，

1—換向器 2—電刷裝置 3—機(jī)座 4—主磁極 5—換向極

6—端蓋 7—風(fēng)扇 8—電樞繞組 9—電樞鐵心

（2）換向極

換向極的作用是改善換向，減小電機(jī)運(yùn)行時(shí)電刷與換向器之間可能產(chǎn)生的換向火花，一般裝在兩個(gè)相鄰主磁極之間，由換向極鐵心和換向極繞組組成，如8.6所示。換向極繞組用絕緣導(dǎo)線繞制而成，套在換向極鐵心上， 圖8.5 主磁極的結(jié)構(gòu)

換向極的數(shù)目與主磁極相等。

（3）機(jī)座

電機(jī)定子的外殼稱為機(jī)座，見圖8.4中的3。機(jī)座的作用有兩個(gè)：一是用來(lái)固定主磁極、換向極和端蓋，并起整個(gè)電機(jī)的支撐和固定作用；

1—主磁極 2—?jiǎng)?lì)磁繞組 3—機(jī)座

二是機(jī)座本身也是磁路的一部分，借以構(gòu)成磁極之間磁的通路，磁通通過(guò)的部分稱為磁軛。為保證機(jī)座具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和良好的導(dǎo)磁性能，一般為鑄鋼件或由鋼板焊接而成。

4）電刷裝置

電刷裝置是用來(lái)引入或引出直流電壓和直流電流的，如圖8.7所示。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿和刷桿座等組成。電刷放在刷握內(nèi)，用彈簧壓緊，使電刷與換向器之間有良好的滑動(dòng)接觸，刷握固定在刷桿上，刷桿裝在圓環(huán)形的刷桿座上，相互之間必須絕緣。刷桿座裝在端蓋或軸承內(nèi)蓋上，圓周位置可以調(diào)整，調(diào)好以后加以固定。

圖1.6 換向極 圖1.7 電刷裝置

1—刷握2—電刷

3—壓緊彈簧 4—刷辮 1—換向極鐵心 2—換向極繞組

（1）電樞鐵心

電樞鐵心是主磁路的主要部分，同時(shí)用以嵌放電樞繞組。一般電樞鐵心采用由0.5mm厚的硅鋼片沖制而成的沖片疊壓而成(沖片的形狀如圖8.8(a)所示)，以降低電機(jī)運(yùn)行時(shí)電樞鐵心中產(chǎn)生的渦流損耗和磁滯損耗。疊成的鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上。鐵心的外圓開有電樞槽，槽內(nèi)嵌放電樞繞組。

（2）電樞繞組

電樞繞組的作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是直流電機(jī)進(jìn)行能量變換的關(guān)鍵部件，所以叫電樞。它是由許多線圈(以下稱元件)按一定規(guī)律連接而成，線圈采用高強(qiáng)度漆包線或玻璃絲包扁銅線繞成，不同線圈的線圈邊分上下兩層嵌放在電樞槽中，線圈與鐵心之間以及上、下兩層線圈邊之間都必須妥善絕緣。為防止離心力將線圈邊甩出槽外，槽口用槽楔固定，如圖8.9所示。線圈伸出槽外的端接部分用熱固性無(wú)緯玻璃帶進(jìn)行綁扎。

（3）換向器

在直流電動(dòng)機(jī)中，換向器配以電刷，能將外加直流電源轉(zhuǎn)換為電樞線圈中的交變電流，使電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變；在直流發(fā)電機(jī)中，換向器配以電刷，能將電樞線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換為正、負(fù)電刷上引出的直流電動(dòng)勢(shì)。換向器是由許多換向片組成的圓柱體，換向片之間用云母片絕緣，換向 圖8.9 電樞槽的結(jié)構(gòu)

片的緊固通常如圖8.10所示，換向片的下部做成鴿 1—槽楔 2—線圈絕緣 3—電樞導(dǎo)體

尾形，兩端用鋼制V形套筒和V形云母環(huán)固定，再用 4—層間絕緣 5—槽絕緣 6—槽底絕緣

螺母鎖緊。

4）轉(zhuǎn)軸

轉(zhuǎn)軸起轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的支撐作用，需有一定的機(jī)械強(qiáng)度和剛度，一般用圓鋼加工而成。

圖8.10 換向器結(jié)構(gòu)

1—換向片 2—連接部分 圖8.11 單疊繞組元件

1—首端 2—末端 3—元件邊 4—端接部分 5—換向片

國(guó)產(chǎn)電機(jī)型號(hào)一般采用大寫的英文的漢語(yǔ)拼音字母的阿拉伯?dāng)?shù)字表示，其格式為：第一部分用大寫的拼音字母表示產(chǎn)品代號(hào)，第二部分用阿拉伯?dāng)?shù)字表示設(shè)計(jì)序號(hào)，第三部分用阿拉伯?dāng)?shù)字表示機(jī)座代號(hào)，第四部分用阿拉伯?dāng)?shù)字表示電樞鐵心長(zhǎng)度代號(hào)。

以Z2---92為例：Z表示一般用途直流電動(dòng)機(jī)；2表示設(shè)計(jì)序號(hào)，第二次改型設(shè)計(jì)；9表示機(jī)座序號(hào)；2電樞鐵心長(zhǎng)度符號(hào)。

第一部分字符含義如下：

Z系列：一般用途直流電動(dòng)機(jī)（如Z2 Z3 Z4 等系列）

ZY系列：永磁直流電機(jī)

ZJ系列：精密機(jī)床用直流電機(jī)

ZT系列：廣調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)

ZQ系列：直流牽引電動(dòng)機(jī)

ZH系列：船用直流電動(dòng)機(jī)

ZA系列：防爆安全型直流電動(dòng)機(jī)

ZKJ系列：挖掘機(jī)用直流電動(dòng)機(jī)

ZZJ系列：冶金起重機(jī)用直流電動(dòng)機(jī)

直流無(wú)刷電機(jī)的控制原理，要讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，首先控制部就必須根據(jù)hall-sensor感應(yīng)到的電機(jī)轉(zhuǎn)子目前所在位置，然后依照定子繞線決定開啟(或關(guān)閉)換流器(inverter)中功率晶體管的順序，inverter中之AH、BH、CH(這些稱為上臂功率晶體管)及AL、BL、CL(這些稱為下臂功率晶體管)，使電流依序流經(jīng)電機(jī)線圈產(chǎn)生順向(或逆向)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，如此就能使電機(jī)順時(shí)/逆時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到hall-sensor感應(yīng)出另一組信號(hào)的位置時(shí)，控制部又再開啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)電機(jī)就可以依同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)直到控制部決定要電機(jī)轉(zhuǎn)子停止則關(guān)閉功率晶體管(或只開下臂功率晶體管)；要電機(jī)轉(zhuǎn)子反向則功率晶體管開啟順序相反。

基本上功率晶體管的開法可舉例如下：AH、BL一組→AH、CL一組→BH、CL一組→BH、AL一組→CH、AL一組→CH、BL一組，但絕不能開成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因?yàn)殡娮恿慵傆虚_關(guān)的響應(yīng)時(shí)間，所以功率晶體管在關(guān)與開的交錯(cuò)時(shí)間要將零件的響應(yīng)時(shí)間考慮進(jìn)去，否則當(dāng)上臂(或下臂)尚未完全關(guān)閉，下臂(或上臂)就已開啟，結(jié)果就造成上、下臂短路而使功率晶體管燒毀。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，控制部會(huì)再根據(jù)驅(qū)動(dòng)器設(shè)定的速度及加/減速率所組成的命令(Command)與hall-sensor信號(hào)變化的速度加以比對(duì)(或由軟件運(yùn)算)再來(lái)決定由下一組(AH、BL或AH、CL或BH、CL或……)開關(guān)導(dǎo)通，以及導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)短。速度不夠則開長(zhǎng)，速度過(guò)頭則減短，此部份工作就由PWM來(lái)完成。PWM是決定電機(jī)轉(zhuǎn)速快或慢的方式，如何產(chǎn)生這樣的PWM才是要達(dá)到較精準(zhǔn)速度控制的核心。

高轉(zhuǎn)速的速度控制必須考慮到系統(tǒng)的CLOCK 分辨率是否足以掌握處理軟件指令的時(shí)間，另外對(duì)于hall-sensor信號(hào)變化的資料存取方式也影響到處理器效能與判定正確性、 實(shí)時(shí)性。至于低轉(zhuǎn)速的速度控制尤其是低速起動(dòng)則因?yàn)榛貍鞯膆all-sensor信號(hào)變化變得更慢，怎樣擷取信號(hào)方式、處理時(shí)機(jī)以及根據(jù)電機(jī)特性適當(dāng)配置控制參數(shù)值就顯得非常重要?；蛘咚俣然貍鞲淖円詄ncoder變化為參考，使信號(hào)分辨率增加以期得到更佳的控制。電機(jī)能夠運(yùn)轉(zhuǎn)順暢而且響應(yīng)良好，P.I.D.控制的恰當(dāng)與否也無(wú)法忽視。之前提到直流無(wú)刷電機(jī)是閉回路控制，因此回授信號(hào)就等于是告訴控制部現(xiàn)在電機(jī)轉(zhuǎn)速距離目標(biāo)速度還差多少，這就是誤差(Error)。知道了誤差自然就要補(bǔ)償，方式有傳統(tǒng)的工程控制如P.I.D.控制。但控制的狀態(tài)及環(huán)境其實(shí)是復(fù)雜多變的，若要控制的堅(jiān)固耐用則要考慮的因素恐怕不是傳統(tǒng)的工程控制能完全掌握，所以模糊控制、專家系統(tǒng)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也將被納入成為智能型P.I.D.控制的重要理論。

直流發(fā)電機(jī)的工作原理就是把電樞線圈中感應(yīng)的交變電動(dòng)勢(shì)，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時(shí)變?yōu)橹绷麟妱?dòng)勢(shì)的原理。

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向按右手定則確定（磁感線指向手心，大拇指指向?qū)w運(yùn)動(dòng)方向，其他四指的指向就是導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向。）

在圖1.1所示瞬間，導(dǎo)體a b 、c d 的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向分別由 b指向 a和由d 指向 c 。這時(shí)電刷 A呈正極性,電刷B 呈負(fù)極性。

圖1.1 直流發(fā)電機(jī)原理模型

當(dāng)線圈逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)180°時(shí)，這時(shí)導(dǎo)體c d 位于N 極下，導(dǎo)體a b 位于S 極下，各導(dǎo)體中電動(dòng)勢(shì)都分別改變了方向。

圖1.2 直流發(fā)電機(jī)原理模型

從圖看出，和電刷 A接觸的導(dǎo)體永遠(yuǎn)位于 N極下，同樣，和電刷 B接觸的導(dǎo)體永遠(yuǎn)位于S 極下。因此，電刷 A始終有正極性，電刷 B始終有負(fù)極性，所以電刷端能引出方向不變的但大小變化的脈振電動(dòng)勢(shì)。如果電樞上線圈數(shù)增多，并按照一定的規(guī)律把它們連接起來(lái)，可使脈振程度減小，就可獲得直流電動(dòng)勢(shì)。這就是直流發(fā)電機(jī)的工作原理。

導(dǎo)體受力的方向用左手定則確定。這一對(duì)電磁力形成了作用于電樞一個(gè)力矩，這個(gè)力矩在旋轉(zhuǎn)電機(jī)里稱為電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時(shí)針?lè)较?，企圖使電樞逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。如果此電磁轉(zhuǎn)矩能夠克服電樞上的阻轉(zhuǎn)矩（例如由摩擦引起的阻轉(zhuǎn)矩以及其它負(fù)載轉(zhuǎn)矩），電樞就能按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)起來(lái)。

圖1.3 直流電動(dòng)機(jī)的原理模型

當(dāng)電樞轉(zhuǎn)了180°后，導(dǎo)體 cd轉(zhuǎn)到 N極下，導(dǎo)體ab轉(zhuǎn)到S極下時(shí)，由于直流電源供給的電流方向不變，仍從電刷 A流入，經(jīng)導(dǎo)體cd 、ab 后，從電刷B流出。這時(shí)導(dǎo)體cd 受力方向變?yōu)閺挠蚁蜃螅瑢?dǎo)體ab 受力方向是從左向右，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍為逆時(shí)針?lè)较颉?/p>

圖1.4 直流電動(dòng)機(jī)原理模型

因此，電樞一經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于換向器配合電刷對(duì)電流的換向作用，直流電流交替地由導(dǎo)體 ab和cd 流入，使線圈邊只要處于N 極下，其中通過(guò)電流的方向總是由電刷A 流入的方向，而在S 極下時(shí)，總是從電刷 B流出的方向。這就保證了每個(gè)極下線圈邊中的電流始終是一個(gè)方向，從而形成一種方向不變的轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)能連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。

一臺(tái)直流電機(jī)原則上既可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行,也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行,這種原理在電機(jī)理論中稱為可逆原理。當(dāng)原電機(jī)驅(qū)動(dòng)電樞繞組在主磁極N、S之間旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組上感生出電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)電刷、換向器裝置整流為直流后，引向外部負(fù)載（或電網(wǎng)），對(duì)外供電，此時(shí)電機(jī)作直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行。如用外部直流電源，經(jīng)電刷換向器裝置將直流電流引向電樞繞組，則此電流與主磁極N.S.產(chǎn)生的磁場(chǎng)互相作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子與連接于其上的機(jī)械負(fù)載工作，此時(shí)電機(jī)作直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。

homopolar machine 一種電樞導(dǎo)電部分始終工作于單一極性磁場(chǎng)中的直流電機(jī)。它是一種低壓大電流無(wú)換向器的直流電機(jī)。 圖[單極直流電機(jī)原理示意]示一臺(tái)圓筒形電樞單極直流電機(jī)的原理結(jié)構(gòu)。當(dāng)兩個(gè)環(huán)形勵(lì)磁線圈通直流電時(shí)，電機(jī)氣隙的整個(gè)圓周上將產(chǎn)生單一極性的磁場(chǎng)。當(dāng)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)圓筒形銅質(zhì)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，樞軸向兩端即感生電動(dòng)勢(shì)，其方向是固定不變的。此電動(dòng)勢(shì)由電刷從電樞兩端引出。電刷的作用只是引出電流，無(wú)換向問(wèn)題。由于電樞是一個(gè)銅環(huán)，無(wú)需絕緣，它發(fā)熱小，耐高熱；加上這種電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)容易和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在冶煉及電化學(xué)行業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用。 單極直流電機(jī)電壓低，電流大。電壓只有幾伏或十幾伏，而電流可達(dá)幾百安，幾千安，甚至上萬(wàn)安。因此電刷的接觸損耗和發(fā)熱相當(dāng)大，磨損也快。實(shí)用上應(yīng)盡可能加多并聯(lián)電刷的數(shù)目,采用接觸電壓降小的銅-石墨電刷，或用導(dǎo)電和導(dǎo)熱更好的液態(tài)金屬，如水銀或鈉鉀合金等做電刷。 要提高單極直流電機(jī)電壓，就必須提高氣隙磁通密度和轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速受旋轉(zhuǎn)體機(jī)械強(qiáng)度的限制，氣隙磁通密度則受鐵磁飽和限制，都不能過(guò)高。如采用超導(dǎo)技術(shù)則可使單機(jī)功率比普通電機(jī)提高十幾倍以上 ? ?。