定义
定义输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。
直流电机的结构
由直流电动机和发电机工作原理示意图可以看到，直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。
1.定子
（1）主磁极
主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。铁心一般用0.5mm～1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上，
1—换向器 2—电刷装置 3—机座 4—主磁极 5—换向极
6—端盖 7—风扇 8—电枢绕组 9—电枢铁心
2）换向极
换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成，如8.6所示。换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。
（3）机座
电机定子的外壳称为机座，见图8.4中的3。机座的作用有两个：一是用来固定主磁极、换 图8.5 主磁极的结构
向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用； 1—主磁极 2—励磁绕组 3—机座
二是机座本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。
4）电刷装置
电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的，如图8.7所示。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。
图1.6 换向极 图1.7 电刷装置
1—换向极铁心 1—刷握2—电刷
2—换向极绕组 3—压紧弹簧 4—刷辫
2. 转子（电枢）
（1）电枢铁心
电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。一般电枢铁心采用由0.5mm厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成（冲片的形状如图8.8（a）所示），以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。
（2）电枢绕组
电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件，所以叫电枢。它是由许多线圈（以下称元件）按一定规律连接而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定，如图8.9所示。线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。
（3）换向器
在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以
电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘，换向 图8.9 电枢槽的结构
片的紧固通常如图8.10所示，换向片的下部做成鸽 1—槽楔 2—线圈绝缘 3—电枢导体
尾形，两端用钢制V形套筒和V形云母环固定，再用4—层间绝缘 5—槽绝缘 6—槽底绝缘
螺母锁紧。
4）转轴
转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。
图8.10 换向器结构 图8.11 单叠绕组元件
1—换向片 2—连接部分 1—首端 2—末端 3—元件边 4—端接部分 5—换向片
直流电机的可逆运行原理
一台直流电机原则上既可以作为电动机运行,也可以作为发电机运行,这种原理在电机理论中称为可逆原理。当原动机驱动电枢绕组在主磁极N、S之间旋转时，电枢绕组上感生出电动势，经电刷、换向器装置整流为直流后，引向外部负载（或电网），对外供电，此时电机作直流发电机运行。如用外部直流电源，经电刷换向器装置将直流电流引向电枢绕组，则此电流与主磁极N.S.产生的磁场互相作用，产生转矩，驱动转子与连接于其上的机械负载工作，此时电机作直流电动机运行。
直流电机的分类
按结果主要分为直流电动机和直流发电机
按类型主要分为直流有刷电机和直流无刷电机
直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型。
直流电机的励磁方式
1．他励直流电机
励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机，接线如图（a）所示。图中M表示电动机，若为发电机，则用G表示。永磁直流电机也可看作他励直流电机。
2．并励直流电机
并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，接线如图（b）所示。作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。
3．串励直流电机
串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，接线如图（c）所示。这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。
4．复励直流电机
复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组，接线如图（d）所示。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。
不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式，直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式。
直流发电机
直流发电机是把机械能转化为直流电能的机器。它主要作为直流电动机、电解、电镀、电冶炼、充电及交流发电机的励磁等所需的直流电机。虽然在需要直流电的地方，也用电力整流元件，把交流电变成直流电，但从使用方便、运行的可靠性及某些工作性能方面来看，交流电整流还不能和直流发电机相比。
直流电机铭牌
国产电机型号一般采用大写的英文的汉语拼音字母的阿拉伯数字表示，其格式为：*部分用大写的拼音字母表示产品代号，第二部分用阿拉伯数字表示设计序号，第三部分用阿拉伯数字表示机座代号，第四部分用阿拉伯数字表示电枢铁心长度代号。
以Z2---92为例：Z表示一般用途直流电动机；2表示设计序号，第二次改型设计；9表示机座序号；2电枢铁心长度符号。
*部分字符含义如下：
Z系列：一般用途直流电动机（如Z2 Z3 Z4 等系列）
ZY系列：永磁直流电机
ZJ系列：精密机床用直流电机
ZT系列：广调速直流电动机
ZQ系列：直流牵引电动机
ZH系列：船用直流电动机
ZA系列：防爆安全型直流电动机
ZKJ系列：挖掘机用直流电动机
ZZJ系列：冶金起重机用直流电动机
直流电机的励磁方式
直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型。
直流电机的励磁方式
1．他励直流电机
励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机，接线如图（a）所示。图中M表示电动机，若为发电机，则用G表示。永磁直流电机也可看作他励直流电机。
2．并励直流电机
并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，接线如图（b）所示。作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。
3．串励直流电机
串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，接线如图（c）所示。这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。
4．复励直流电机
复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组，接线如图（d）所示。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。
不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式，直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式。
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。
永磁无刷直流电机控制器设计
1 引 言
随着人们生活水平的提高，产品质量、精度、性能、自动化程度、功能以及功耗、价格问题已经是选择家用电器的主要因素。永磁无刷直流电机既具有交流伺服电机的结构简单、 运行可靠、维护方便等优点，又具备直流伺服电机那样良好的调速特性而无机械式换向器，现已广泛应用于各种调速驱动场合。MOTOROLA 第二代电机控制芯片的出现，给永磁无刷直流电机调速装置的设计带来了*的便利。这些芯片控制功能强，保护功能完善，工作性能稳定，组成的系统所需外围电路简单，抗*力强，特别适用于工作环境恶劣，对控制器体积，价格性能比要求较高的场合。
2 控制器结构与原理
2.1 控制器结构
MC33035 是 MOTORLORA 公司研制的第二代无刷直流电机控制集成电路，加上1片 MC3309 电子测速器将无刷直流电动机的转子位置信号进行 F/V 转换，形成转速反馈信号，即可构成转速闭环调节系统。外接 6 个功率开关器件组成三相逆变器，就可驱动三相永磁无刷直流电机，控制器电路构成，如图 1 所示，图中 S1 控制电机转向，S2 控制系统起停，S3 选择系统开环或闭环运行，S4 控制系统制动，S5 选择转
子位置检测信号为 60°或 120°方式，S6 控制系统的复位。电位器 RP1 用以设定所需电机转速，发光二板管 L1 用作故障
指示，当出现不正常的位置检测信号、主电路过流、3种欠电压之一（芯片电压低于9.1V，驱动电路电压低于9.1V，基准电压低于4.5V）、芯片内部过热、起停端低电平时，L1发光报警，同时自动封锁系统。故障排除后，经系统复位才能恢复正常工作。
2.2 控制原理
从电机转子位置检测器送来的三相位置检测信号（SA,SB,SC）一方面送入 ） MC33035，经芯片内部译码电路结合正反转控制端、起停控制端、制动控制端、电流检测端等控制逻辑信号状态，经过运算后，产生逆变器三相上、下桥臂开关器件的6路原始控制信号，其中，三相下桥开关信号还要按无刷直流电机调速机理进行脉宽调制处理。处理后的三相下桥 PWM 控制信号 （Ar ,Br, Cr）经过驱动电路整形、放大后，施加到逆变器的6个开关管上，使其产生出供电机正常运行所需的三相方波交流电流。
另一方面，转子位置检测信号还送入 MC33039 经 F/V转换，得到一个频率与电机转速成正比的脉冲信号 FB。FB 通过简单的 阻容网络滤波后形成转速反馈信号，利用 MC33035 中的误差放大器即可构成一个简单的P调节器，实现电机转速的闭环控制，以提高电机的机械特性硬度。实际应用中，还可外接各种 PI, PD，调节电路以实现更为复杂的闭环调节控制。
3 芯片功能
3.1 MC33035 结构组成及功能
其主要组成部分包括：
（ 1 ）转子位置传感器译码电路；
（ 2 ）带温度补偿的内部基准电源；
（ 3 ）频率可设定的锯齿波振荡器；
（ 4 ）误差放大器；
（ 5）脉宽调制（PWM）比较器；
（ 6 ）输出驱动电路；
（ 7 ）欠电压封锁保护芯片过热保护等故障输出；
（ 8 ）限流电路。
该集成电路的典型控制功能包括 PWM 开环速度控制，使能控制（起动或停止），正反转控制和能耗制动控制，适当加上一些外围元件，可实现软起动。
3.1.1 转子位置传感器译码电路
该译码电路将电动机的转子位置传感器信号转换成六路驱动输出信号，三路上侧驱动输出和三路下侧驱动输出。它适合于集电极开路的霍尔集成电路或光耦合电路等传感器。输入端脚 4、5、6 都设有提升电阻，输入电路分 TTL 电路电平兼容，门槛电压为2.2V。该集成电路适用于传感器相位差为,60°、120°、240°、300° 四种情况的三相无刷电动机。由于 3 个输入逻辑信号，可有 8 种逻辑组合。其中 6 种正常状态决定了电动机 , 个不同位置状态。其余 2 种组合对应于位置传感不正常状态，即 3 个信号线开路或对地短路状态，此时脚 14 将输出故障信号（低电平）。
用脚 3 逻辑电平来确定电动机转向。当脚 3 逻辑状态改变时，传感器信号在译码器内将原来的逻辑状态改变成非，再经译码后，得到反相序的换向输出，使电动机反转。电动机的起停控制由脚 7 使能端来实现。当脚 7 悬空时，内部有电流源使驱动输出电路正常工作。若脚 7 接地，3 个上侧驱动输出开路（1 状态），3 个下侧驱动输出强制为低电平（ 0 状态），使电动机失去激励而停车，同时故障信号输出为零。
当加到脚 23 上的制动信号为高电平时，电动机进行制动操作。它使 3 个上侧驱动输出开路，下侧 3 个驱动输出为高电平，外接逆变桥下侧 3 个功率开关导通，使电动机 3 个绕组端对地短接，实现能耗制动。芯片内设一个四与门电路，其输入端是脚 23 的制动信号和上侧驱动输出 3 个信号，它的作用是等待 3 个上侧驱动输出确实已转变为高电平状态后，才允许 3 个下侧驱动输出变为高电平状态，从而避免逆变桥上下开关出现同时导通的危险，其控制真值表，如表1示。
3.1.2 误差放大器
该芯片内设有高性能，全补偿的误差放大器。在闭环速度控制时，该放大器的直流电压增益为 80dB ，增益带宽为 0.6MHz,输入共模电压范围从地到 VREF（典型值为 6.25V ），可得到良好性能。作开环速度控制时，可将此放大器改接成增益为 1 的电压跟随器，即速度设定电压从其同相输入端脚 11输入。脚 12～13 短接。
3.1.3 脉宽调制器
除非由于过电流或故障状态使 6 个驱动输出调闭锁，在正常情况下，误差放大器输出与振荡器输出锯齿波信号比较后，产生脉宽调制（ PWM ）信号，控制 3 个下侧驱动输出。改变输出脉冲宽度，相当于改变供给电动机绕组的平均电压，从而控制其转速和转矩。脉宽调制时序图，如图 3 示。
3.1.4 电流限制
外接逆变桥经一电阻 Rs 接地作电流采样。采样电压由脚 9 和脚 15 输入至电流检测比较器。比较器反相输入端设置有 100mV 基准电压，作为电流限流基准。在振荡器锯齿波上升时间内，若电流过大，此比较器翻转，使下 Rs 触发器重置，将驱动输出关闭，以限制电流继续增大。在锯齿波下降时间，重新将触发器置位，使驱动输出开通。利用这样的逐个周期电流比较，实现了限流，若允许zui大电流为 Imax ，则采样电阻按下式选择：
Rs = 0.1/ Imax为了避免由换相尖峰脉冲引起电流检测误动作，在脚 9 输入前可设置 RC 低通滤波器。
3.2 MC33039电子测速器
MC33039是为无刷直流电动机闭环速度控制专门设计的集成电路，系统不必使用高价的电磁式或光电测速机，就可实现精确调速控制。它直接利用三相无刷直流电动机转子位置传感器 3 个输出信号，经 F / V 变换成正比于电动机转速的电压。
从 MC33039 结构图图 4 可知，脚 1 、 2、 3 接收位置传感器 3 个信号，经有滞后的缓冲电路，以抑制输入噪声。经“或”运算得到相当于电动机每对极下 6 个脉冲的信号。再经有外接定时元件 CT 和 Rr 的单稳态电路，从脚 5 输出的 fout 信号的
占空比与电动机转速有关，其直流分量与转速成正比，此信号在外接低通滤波器处理后，即可得到与转速成正比的测速电压。三相电动机中应用时的波形图中，fout是脚5输出，Vout，（AVG）表示它的平均值，即直流分量。
4 实验与结论
为了更好的验证前面理论的可行性及安全性，按设计进行了实验。
4.1 准备
实验 的 主 要 部 分 _ 控 制 电 路，设 计 为 MC33035 和MC33039 所组成的闭环系统。由于实验条件的限制，我们对实验电路作了一些必要的调整，这些调整并没有影响系统的功能以及实验的结果。
首先要作调整的是电源。试验中选用的电机是三相六极电机，n0 = 1500r/min, I0 = 10A, U0 = 50V 。在供电电源和 MC33035 的 脚 17 之 间 加 入 LM317 稳 压 三 端 以保证MC33035的Vcc在许可的范围内。LM317 是 50V 输入、 15V 输出的稳压三端。它的基本电路结构，如图 5 示。
其次，该闭环速度控制系统中，用 3 个霍尔集成电路作转子位置传感器。用 MC33035 的脚 8 参考电压（6.24V）作为它们 的 电 源。霍 尔 集 成 电 路 输 出 信 号 送 至 MC33039 和MC33035。实验中的电动机是六极的，从 MC33039 的脚 5 输
出的脉冲数是电动机每一转输出的 3×6 = 18 个脉冲。按电动机的zui高转速来选择定时元件。实验中电动机的zui高转速为1500r/min即 1500/60 = 25r/s 。此时每秒输出脉冲数是 25×18 = 450个。即其频率为 450Hz，周期约为 2.2ms 。由 MC33039 说明书，取定时元件参数 R1=1MΩ，C1 = 750PF，单稳态电路产生脉冲宽度为 95µs 。脚 8 接 MC33035 的基准电压。脚 5 输出经电阻 R3 接 MC33035 的脚 12 ，即误差放大反相输入端。放大器此时增益为 10，电容C3, 起滤波平滑作用。MC33035 振荡器参数：R2 =5.1kΩ，C2 = 0.01µF，PWM 频率约为 24kHz 。
另外，因无法做成图 1 所示的 NPN-PNP 逆变桥。故用了 N 沟道的 VMOS 管，可组成六路逆变桥的电路，由于上侧驱动信号只能直接驱动 p 沟道的 VMOS 管而下侧可直接驱动 N 沟道的 VMOS 管。因而上桥臂与逆变桥之间的电路中加入反相器将驱动信号变非即可。组成后的电路图，如图 6 示。
4.2 实验结论
在电机实际操作之前，以手动方式转动电机，用万用表测量电机上设置的霍尔传感器的三路输出信号与 MC33035 输出信号真值表是否*。实验结果，如表 2 示。
手动工作的结果：实验所得与理论真值表*。
电机在电源驱动情况下的实验波形，如图７、８示。
两图中的上侧曲线均为传感器输出的 ＳＢ ，图 ７的下侧曲线为Ｓc ，图 8 的下侧曲线为 SA。对照可知，实验输出与理论相符。
测量电流波形时，首先，将一驱动电动机逆变器的主回路引出，在电线上装置电流传感器，再接入一 5Ω的测量电阻后接地。然后以示波器测量电流传感器的电流，即流经电阻的波形，即电机电流波形。如图 9 示。
可是，图 9 中的波形并不与理论。只是在周期内的分布有点相同，但波形上区别较大。这是由于电机处于空载运行所致。因为在实验中，无刷电机是运行在空载状态，逆变器的每一次换相，带来的冲击电流大于满载状态时，没有负载消耗平缓电流的波动。
接着做起动加速运行的波形测试。实验以某一 MC33035 的上侧驱动输出和 MC33035 的 fout 为实验对象。测得的波形，如图 10, 示。
理论上这一波形应该是上侧输出的波形不因速度控制器的变动而改变，而 fout 波形则应该随速度控制器的变动而改变一周期内脉冲的数量，从而改变电动机两端的平均电压，改变电动机转速。
但由于试验中的种种客观原因，导致了显示的波形出现了缺相的现象。但图中仍可看到下侧的驱动波每一周期的脉冲数量逐渐增加，即电机加速。
在故障测试中，用一电位器接入控制电路的电源输入端，改变控制电路的电源电压 Vcc ，看电路对故障信号的反应。在试验过程中，电源电压 Vcc 从 15V 不断被调低 ，当到达 10.5V 左右时，报警电路驱动 LED 点亮，故障报警。
5 结 语
虽然在实验中，出现了一些与理论不太符合的现象，但总体来说，实验的结果基本达到了预期的结果，证明了运用小型无刷直流电机作家用传动装置的实际可行性。
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