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　　直流電機（D.C.machine）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，上面套勵磁繞組的部分稱為極身，下面擴寬的部分稱為極靴，極靴寬于極身，既可以調(diào)整氣隙中磁場的分布，又便于固定勵磁繞組。勵磁繞組用絕緣銅線繞制而成，套在主磁極鐵心上。整個主磁極用螺釘固定在機座上，

轉(zhuǎn)軸起轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的支撐作用，需有一定的機械強度和剛度，一般用圓鋼加工而成。
圖8.10 換向器結(jié)構(gòu) 圖8.11 單疊繞組元件
　　1．他勵直流電機
　　勵磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關(guān)系，而由其他直流電源對勵磁繞組供電的直流電機稱為他勵直流電機，接線如圖（a）所示。圖中M表示電動機，若為發(fā)電機，則用G表示。永磁直流電機也可看作他勵直流電機。
　　2．并勵直流電機
　　并勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)，接線如圖（b）所示。作為并勵發(fā)電機來說，是電機本身發(fā)出來的端電壓為勵磁繞組供電；作為并勵電動機來說，勵磁繞組與電樞共用同一電源，從性能上講與他勵直流電動機相同。
　　3．串勵直流電機
　　串勵直流電機的勵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。這種直流電機的勵磁電流就是電樞電流。
　　4．復(fù)勵直流電機
　　復(fù)勵直流電機有并勵和串勵兩個勵磁繞組，接線如圖（d）所示。若串勵繞組產(chǎn)生的磁通勢與并勵繞組產(chǎn)生的磁通勢方向相同稱為積復(fù)勵。若兩個磁通勢方向相反，則稱為差復(fù)勵。
　　不同勵磁方式的直流電機有著不同的特性。一般情況直流電動機的主要勵磁方式是并勵式、串勵式和復(fù)勵式，直流發(fā)電機的主要勵磁方式是他勵式、并勵式和和復(fù)勵式。

直流電機的工作原理

　　一、直流發(fā)電機工作原理
　　直流發(fā)電機的工作原理就是把電樞線圈中感應(yīng)的交變電動勢，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時變?yōu)橹绷麟妱觿莸脑怼?br /> 　　感應(yīng)電動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運動方向，其他四指的指向就是導(dǎo)體中感應(yīng)電動勢的方向。）
　　在圖1.1所示瞬間，導(dǎo)體a b 、c d 的感應(yīng)電動勢方向分別由 b指向 a和由d 指向 c 。這時電刷 A呈正極性,電刷B 呈負極性。
　　圖1.1 直流發(fā)電機原理模型
　　當(dāng)線圈逆時針方向旋轉(zhuǎn)180°時，這時導(dǎo)體c d 位于N 極下，導(dǎo)體a b 位于S 極下，各導(dǎo)體中電動勢都分別改變了方向。
　　圖1.2 直流發(fā)電機原理模型
　　從圖看出，和電刷 A接觸的導(dǎo)體永遠位于 N極下，同樣，和電刷 B接觸的導(dǎo)體永遠位于S 極下。因此，電刷 A始終有正極性，電刷 B始終有負極性，所以電刷端能引出方向不變的但大小變化的脈振電動勢。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，可使脈振程度減小，就可獲得直流電動勢。這就是直流發(fā)電機的工作原理。
　　二、直流電動機的工作原理
　　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力矩，這個力矩在旋轉(zhuǎn)電機里稱為電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時針方向，企圖使電樞逆時針方向轉(zhuǎn)動。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)矩以及其它負載轉(zhuǎn)矩），電樞就能按逆時針方向旋轉(zhuǎn)起來。
　　圖1.3 直流電動機的原理模型
　　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，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。這時導(dǎo)體cd 受力方向變?yōu)閺挠蚁蜃?，?dǎo)體ab 受力方向是從左向右，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍為逆時針方向。
　　圖1.4 直流電動機原理模型
　　因此，電樞一經(jīng)轉(zhuǎn)動，由于換向器配合電刷對電流的換向作用，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，其中通過電流的方向總是由電刷A 流入的方向，而在S 極下時，總是從電刷 B流出的方向。這就保證了每個極下線圈邊中的電流始終是一個方向，從而形成一種方向不變的轉(zhuǎn)矩，使電動機能連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動機的工作原理。
　　永磁無刷直流電機控制器設(shè)計
　　1 引 言
　　隨著人們生活水平的提高，產(chǎn)品質(zhì)量、精度、性能、自動化程度、功能以及功耗、價格問題已經(jīng)是選擇家用電器的主要因素。永磁無刷直流電機既具有交流伺服電機的結(jié)構(gòu)簡單、 運行可靠、維護方便等優(yōu)點，又具備直流伺服電機那樣良好的調(diào)速特性而無機械式換向器，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種調(diào)速驅(qū)動場合。MOTOROLA 第二代電機控制專用芯片的出現(xiàn)，給永磁無刷直流電機調(diào)速裝置的設(shè)計帶來了極大的便利。這些芯片控制功能強，保護功能完善，工作性能穩(wěn)定，組成的系統(tǒng)所需外圍電路簡單，抗干擾能力強，特別適用于工作環(huán)境惡劣，對控制器體積，價格性能比要求較高的場合。
　　2 控制器結(jié)構(gòu)與原理
　　2.1 控制器結(jié)構(gòu)
　　MC33035 是 MOTORLORA 公司研制的第二代無刷直流電機控制專用集成電路，加上1片 MC3309 電子測速器將無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子位置信號進行 F/V 轉(zhuǎn)換，形成轉(zhuǎn)速反饋信號，即可構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。外接 6 個功率開關(guān)器件組成三相逆變器，就可驅(qū)動三相永磁無刷直流電機，控制器電路構(gòu)成，如圖 1 所示，圖中 S1 控制電機轉(zhuǎn)向，S2 控制系統(tǒng)起停，S3 選擇系統(tǒng)開環(huán)或閉環(huán)運行，S4 控制系統(tǒng)制動，S5 選擇轉(zhuǎn)
　　子位置檢測信號為 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)不正常的位置檢測信號、主電路過流、3種欠電壓之一（芯片電壓低于9.1V，驅(qū)動電路電壓低于9.1V，基準電壓低于4.5V）、芯片內(nèi)部過熱、起停端低電平時，L1發(fā)光報警，同時自動封鎖系統(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
　　從電機轉(zhuǎn)子位置檢測器送來的三相位置檢測信號（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?？刂贫恕⒅苿涌刂贫?、電流檢測端等控制邏輯信號狀態(tài)，經(jīng)過運算后，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，其中，三相下橋開關(guān)信號還要按無刷直流電機調(diào)速機理進行脈寬調(diào)制處理。處理后的三相下橋 PWM 控制信號 （Ar ,Br, Cr）經(jīng)過驅(qū)動電路整形、放大后，施加到逆變器的6個開關(guān)管上，使其產(chǎn)生出供電機正常運行所需的三相方波交流電流。
　　另一方面，轉(zhuǎn)子位置檢測信號還送入 MC33039 經(jīng) F/V轉(zhuǎn)換，得到一個頻率與電機轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號 FB。FB 通過簡單的 阻容網(wǎng)絡(luò)濾波后形成轉(zhuǎn)速反饋信號，利用 MC33035 中的誤差放大器即可構(gòu)成一個簡單的P調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，以提高電機的機械特性硬度。實際應(yīng)用中，還可外接各種 PI, PD，調(diào)節(jié)電路以實現(xiàn)更為復(fù)雜的閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。
　　3 芯片功能
　　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 ）帶溫度補償?shù)膬?nèi)部基準電源；
　?。?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)動電路；
　　（ 7 ）欠電壓封鎖保護芯片過熱保護等故障輸出；
　　（ 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（起動或停止），正反轉(zhuǎn)控制和能耗制動控制，適當(dāng)加上一些外圍元件，可實現(xiàn)軟起動。
　　3.1.1 轉(zhuǎn)子位置傳感器譯碼電路
　　該譯碼電路將電動機的轉(zhuǎn)子位置傳感器信號轉(zhuǎn)換成六路驅(qū)動輸出信號，三路上側(cè)驅(qū)動輸出和三路下側(cè)驅(qū)動輸出。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° 四種情況的三相無刷電動機。由于 3 個輸入邏輯信號，可有 8 種邏輯組合。其中 6 種正常狀態(tài)決定了電動機 , 個不同位置狀態(tài)。其余 2 種組合對應(yīng)于位置傳感不正常狀態(tài)，即 3 個信號線開路或?qū)Φ囟搪窢顟B(tài)，此時腳 14 將輸出故障信號（低電平）。
　　用腳 3 邏輯電平來確定電動機轉(zhuǎn)向。當(dāng)腳 3 邏輯狀態(tài)改變時，傳感器信號在譯碼器內(nèi)將原來的邏輯狀態(tài)改變成非，再經(jīng)譯碼后，得到反相序的換向輸出，使電動機反轉(zhuǎn)。電動機的起?？刂朴赡_ 7 使能端來實現(xiàn)。當(dāng)腳 7 懸空時，內(nèi)部有電流源使驅(qū)動輸出電路正常工作。若腳 7 接地，3 個上側(cè)驅(qū)動輸出開路（1 狀態(tài)），3 個下側(cè)驅(qū)動輸出強制為低電平（ 0 狀態(tài)），使電動機失去激勵而停車，同時故障信號輸出為零。
　　當(dāng)加到腳 23 上的制動信號為高電平時，電動機進行制動操作。它使 3 個上側(cè)驅(qū)動輸出開路，下側(cè) 3 個驅(qū)動輸出為高電平，外接逆變橋下側(cè) 3 個功率開關(guān)導(dǎo)通，使電動機 3 個繞組端對地短接，實現(xiàn)能耗制動。芯片內(nèi)設(shè)一個四與門電路，其輸入端是腳 23 的制動信號和上側(cè)驅(qū)動輸出 3 個信號，它的作用是等待 3 個上側(cè)驅(qū)動輸出確實已轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)后，才允許 3 個下側(cè)驅(qū)動輸出變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)，從而避免逆變橋上下開關(guān)出現(xiàn)同時導(dǎo)通的危險，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，全補償?shù)恼`差放大器。在閉環(huán)速度控制時，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，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
　　除非由于過電流或故障狀態(tài)使 6 個驅(qū)動輸出調(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比較后，產(chǎn)生脈寬調(diào)制（ PWM ）信號，控制 3 個下側(cè)驅(qū)動輸出。改變輸出脈沖寬度，相當(dāng)于改變供給電動機繞組的平均電壓，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 輸入至電流檢測比較器。比較器反相輸入端設(shè)置有 100mV 基準電壓，作為電流限流基準。在振蕩器鋸齒波上升時間內(nèi)，若電流過大，此比較器翻轉(zhuǎn)，使下 Rs 觸發(fā)器重置，將驅(qū)動輸出關(guān)閉，以限制電流繼續(xù)增大。在鋸齒波下降時間，重新將觸發(fā)器置位，使驅(qū)動輸出開通。利用這樣的逐個周期電流比較，實現(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誤動作，在腳 9 輸入前可設(shè)置 RC 低通濾波器。
　　3.2 MC33039電子測速器
　　MC33039是為無刷直流電動機閉環(huán)速度控制專門設(shè)計的集成電路，系統(tǒng)不必使用高價的電磁式或光電測速機，就可實現(xiàn)精確調(diào)速控制。它直接利用三相無刷直流電動機轉(zhuǎn)子位置傳感器 3 個輸出信號，經(jīng) F / V 變換成正比于電動機轉(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 個信號，經(jīng)有滯后的緩沖電路，以抑制輸入噪聲。經(jīng)“或”運算得到相當(dāng)于電動機每對極下 6 個脈沖的信號。再經(jīng)有外接定時元件 CT 和 Rr 的單穩(wěn)態(tài)電路，從腳 5 輸出的 fout 信號的
　　占空比與電動機轉(zhuǎn)速有關(guān)，其直流分量與轉(zhuǎn)速成正比，此信號在外接低通濾波器處理后，即可得到與轉(zhuǎn)速成正比的測速電壓。三相電動機中應(yīng)用時的波形圖中，fout是腳5輸出，Vout，（AVG）表示它的平均值，即直流分量?！?br /> 　　4 實驗與結(jié)論
　　為了更好的驗證前面理論的可行性及安全性，按設(shè)計進行了實驗。
　　4.1 準備
　　實驗 的 主 要 部 分 _ 控 制 電 路，設(shè) 計 為 MC33035 和MC33039 所組成的閉環(huán)系統(tǒng)。由于實驗條件的限制，我們對實驗電路作了一些必要的調(diào)整，這些調(diào)整并沒有影響系統(tǒng)的功能以及實驗的結(jié)果。
　　首先要作調(diào)整的是電源。試驗中選用的電機是三相六極電機，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 送 至 MC33039 和MC33035。實驗中的電動機是六極的，從 MC33039 的腳 5 輸
　　出的脈沖數(shù)是電動機每一轉(zhuǎn)輸出的 3×6 = 18 個脈沖。按電動機的最高轉(zhuǎn)速來選擇定時元件。實驗中電動機的最高轉(zhuǎn)速為1500r/min即 1500/60 = 25r/s 。此時每秒輸出脈沖數(shù)是 25×18 = 450個。即其頻率為 450Hz，周期約為 2.2ms 。由 MC33039 說明書，取定時元件參數(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)動信號只能直接驅(qū)動 p 溝道的 VMOS 管而下側(cè)可直接驅(qū)動 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)動信號變非即可。組成后的電路圖，如圖 6 示。
　　4.2 實驗結(jié)論
　　在電機實際操作之前，以手動方式轉(zhuǎn)動電機，用萬用表測量電機上設(shè)置的霍爾傳感器的三路輸出信號與 MC33035 輸出信號真值表是否一致。實驗結(jié)果，如表 2 示。
　　手動工作的結(jié)果：實驗所得與理論真值表一致。
　　電機在電源驅(qū)動情況下的實驗波形，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。對照可知，實驗輸出與理論相符。
　　測量電流波形時，首先，將一驅(qū)動電動機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的測量電阻后接地。然后以示波器測量電流傳感器的電流，即流經(jīng)電阻的波形，即電機電流波形。如圖 9 示。
　　可是，圖 9 中的波形并不與理論。只是在周期內(nèi)的分布有點相同，但波形上區(qū)別較大。這是由于電機處于空載運行所致。因為在實驗中，無刷電機是運行在空載狀態(tài)，逆變器的每一次換相，帶來的沖擊電流大于滿載狀態(tài)時，沒有負載消耗平緩電流的波動。
　　接著做起動加速運行的波形測試。實驗以某一 MC33035 的上側(cè)驅(qū)動輸出和 MC33035 的 fout 為實驗對象。測得的波形，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而改變，而 fout 波形則應(yīng)該隨速度控制器的變動而改變一周期內(nèi)脈沖的數(shù)量，從而改變電動機兩端的平均電壓，改變電動機轉(zhuǎn)速。
　　但由于試驗中的種種客觀原因，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)動波每一周期的脈沖數(shù)量逐漸增加，即電機加速。
　　在故障測試中，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 ，看電路對故障信號的反應(yīng)。在試驗過程中，電源電壓 Vcc 從 15V 不斷被調(diào)低 ，當(dāng)?shù)竭_ 10.5V 左右時，報警電路驅(qū)動 LED 點亮，故障報警。
　　5 結(jié) 語
　　雖然在實驗中，出現(xiàn)了一些與理論不太符合的現(xiàn)象，但總體來說，實驗的結(jié)果基本達到了預(yù)期的結(jié)果，證明了運用小型無刷直流電機作家用傳動裝置的實際可行性。