直流電機(jī)

直流電機(jī)（direct current machine）是指能將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能（直流電動(dòng)機(jī)）或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成直流電能（直流發(fā)電機(jī)）的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。它是能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)。當(dāng)它作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流電動(dòng)機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

組成結(jié)構(gòu)

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，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，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。

定子

（1）主磁極

主磁極的作用是產(chǎn)生氣隙磁場。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，

（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。換向極繞組用絕緣導(dǎo)線繞制而成，套在換向極鐵心上，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。機(jī)座的作用有兩個(gè)：

一是用來固定主磁極、換向極和端蓋，并起整個(gè)電機(jī)的支撐和固定作用；

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

電刷裝置是用來引入或引出直流電壓和直流電流的。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。

轉(zhuǎn)子

（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，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，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。線圈伸出槽外的端接部分用熱固性無緯玻璃帶進(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)勢轉(zhuǎn)換為正、負(fù)電刷上引出的直流電動(dòng)勢。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。

（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。

工作原理

直流電機(jī)里邊固定有環(huán)狀永磁體，電流通過轉(zhuǎn)子上的線圈產(chǎn)生安培力，當(dāng)轉(zhuǎn)子上的線圈與磁場平行時(shí)，再繼續(xù)轉(zhuǎn)受到的磁場方向?qū)⒏淖?，因此此時(shí)轉(zhuǎn)子末端的電刷跟轉(zhuǎn)換片交替接觸，從而線圈上的電流方向也改變，產(chǎn)生的洛倫茲力方向不變，所以電機(jī)能保持一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

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，

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)勢的原理。

感應(yīng)電動(dòng)勢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)勢的方向）。

導(dǎo)體受力的方向用左手定則確定。這一對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)針方向，企圖使電樞逆時(shí)針方向轉(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)針方向旋轉(zhuǎn)起來。

Verilog HDL 之 直流電機(jī)PWM控制

一、實(shí)驗(yàn)前知識準(zhǔn)備

在上一篇中總結(jié)了步進(jìn)電機(jī)的控制，這次我將學(xué)習(xí)一下直流電機(jī)的控制，首先，我們簡要了解下步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)的區(qū)別。

（1）步進(jìn)電機(jī)是以步階方式分段移動(dòng)，直流電機(jī)通常采用連續(xù)移動(dòng)的控制方式。

（2）步進(jìn)電機(jī)采用直接控制方式，它的主要命令和控制變量都是步階位置；直流電機(jī)則是以電機(jī)電壓為控制變量，以位置或速度為命令變量。

（3）直流電機(jī)需要反饋控制系統(tǒng)，他會(huì)以間接方式控制電機(jī)位置。步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)多半以“開環(huán)方式”進(jìn)行操作。

1、什么是直流電機(jī)

輸出或輸入為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，稱為直流電機(jī)，它是能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)。當(dāng)它作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流電動(dòng)機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

2、什么是PWM

PWM（脈沖寬度調(diào)制）是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。

3、開發(fā)平臺(tái)中直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

開發(fā)板中的直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分如圖1.1所示。利用FPGA設(shè)計(jì)一個(gè)0、1組成的雙極性PWM發(fā)生器。

圖1.1 直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部電路

二、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

Quartus II 7.2 集成開發(fā)環(huán)境、SOPC-MBoard板、ByteBlaster II 下載電纜

三、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

1、了解直流電機(jī)PWM的控制方法。

2、具有調(diào)速功能。

四、實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)

詳細(xì)實(shí)現(xiàn)步驟請參考 【連載】 FPGA Verilog HDL 系列實(shí)例--------8-3編碼器

1、在設(shè)計(jì)文件中輸入Verilog代碼。

1 //--------------------------------------------------------------------------------------------------

2 // Title ： pwm

3 // Author ： liwei

4 // Generated ： Thu Jun 16 22:30:12 2005

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6 `timescale 1ns / 1ps

7

8 module pwm （ enable ， rst ， Dir ， clk ， spd_sel ， MA ）;

9

10 input rst ;

11 input clk ;

12 input enable ; //控制開關(guān)

13 input Dir ; //控制方向

14 input ［1:0］ spd_sel ; //控制轉(zhuǎn)速

15

16 output ［1:0］ MA ; //電機(jī)控制

17

18 reg ［15:0］ cntReg;

19 reg ［15:0］ cnt;

20 reg ［15:0］ cnt_r;

21 reg pulseout;

22 reg ［1:0］MA_r ;

23

24 parameter period = ‘d10000;

25 assign MA = MA_r ;

26

27 always @ （posedge clk or negedge rst ）

28

29 begin

30 if （ ！rst） //復(fù)位

31 begin

32 cntReg 《=#1 16’b0;

33 cnt 《= #1 16‘b0;

34 pulseout 《= #1 1’b0;

35 end

36 else

37 if （enable == 1‘b0） MA_r 《= 2’b00;

38 else

39 begin

40 MA_r［0］ 《= pulseout ;

41 MA_r［1］ 《= ~pulseout;

42

43 if （Dir == 1‘b1） cntReg 《= cnt_r ;

44 else if （Dir == 1’b0） cntReg 《= period - cnt_r ;

45

46 cnt 《= cnt +1 ;

47 if （cnt ==cntReg-1） pulseout 《= #1 1‘b1; //設(shè)定周期時(shí)間的一半

48 else if （cnt == period-1） //設(shè)定的周期時(shí)間

49 begin

50 pulseout 《= #1 1’b0;

51 cnt 《= #1 ‘b0;

52 end

53 end

54 end

55

56 always @ （ spd_sel ）

57 begin

58 case （spd_sel）

59 2’b00 ： cnt_r 《= period-‘d3500 ;

60 2’b01 ： cnt_r 《= period-‘d2500 ;

61 2’b10 ： cnt_r 《= period-‘d1750 ;

62 2’b11 ： cnt_r 《= period-‘d1000 ;

63 endcase

64 end

65

66 endmodule

2、分析

思考：（1）如何控制順時(shí)針轉(zhuǎn)和逆時(shí)針轉(zhuǎn)？（2）速度的大小如何控制的？

第38行~第53行：由2個(gè)引腳控制生成雙極性PWM發(fā)生器。

結(jié)論：

（1）以MA_r［0］為準(zhǔn)，當(dāng)狀態(tài)0的時(shí)間大于狀態(tài)1的時(shí)間時(shí)，電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；反之，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

那且看上面代碼中是如何控制狀態(tài)0的時(shí)間和狀態(tài)1的時(shí)間長短的。不難看出，時(shí)間長短是由方向變量Dir（第43、44行）和預(yù)設(shè)值cnt_r（第59行~第62行）決定?？梢院煤皿w會(huì)一下。

（2）速度的快慢是由占空比決定的，占空比越大，速度越快。當(dāng)然，這里指的是比值大于1。

占空比是如何確定的呢？這是由第59行~第62行中的數(shù)值確定的，這些數(shù)值可以自己定義，但必須在0~10000之間，這里所說的占空比是指不小于的值，當(dāng)數(shù)值設(shè)置為5000時(shí)，就會(huì)得到最慢的速度了。

3、由設(shè)計(jì)文件生成的.bsf文件，其外接接口如圖1.2所示。

圖1.2 外接接口圖

4、引腳分配

enable接按鍵，控制開關(guān)；rst接復(fù)位信號；Dir接按鍵，控制轉(zhuǎn)動(dòng)方向；clk接系統(tǒng)時(shí)鐘；spd_sel接2個(gè)按鍵，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)速度；MA接直流電機(jī)。

5、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過撥動(dòng)開關(guān)控制開關(guān)、轉(zhuǎn)速、方向。

有興趣的可以和上一篇進(jìn)行對比，加深印象。