直流電機

直流電機（direct current machine）是指能將直流電能轉換成機械能（直流電動機）或將機械能轉換成直流電能（直流發電機）的旋轉電機。它是能實現直流電能和機械能互相轉換的電機。當它作電動機運行時是直流電動機，將電能轉換為機械能；作發電機運行時是直流發電機，將機械能轉換為電能。

組成結構

直流電機的結構應由定子和轉子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉動的部分稱為轉子，其主要作用是產生電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能量轉換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風扇等組成。

定子

（1）主磁極

主磁極的作用是產生氣隙磁場。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，

（2）換向極

換向極的作用是改善換向，減小電機運行時電刷與換向器之間可能產生的換向火花，一般裝在兩個相鄰主磁極之間，由換向極鐵心和換向極繞組組成。換向極繞組用絕緣導線繞制而成，套在換向極鐵心上，換向極的數目與主磁極相等。

（3）機座

電機定子的外殼稱為機座。機座的作用有兩個：

一是用來固定主磁極、換向極和端蓋，并起整個電機的支撐和固定作用；

二是機座本身也是磁路的一部分，借以構成磁極之間磁的通路，磁通通過的部分稱為磁軛。為保證機座具有足夠的機械強度和良好的導磁性能，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，用彈簧壓緊，使電刷與換向器之間有良好的滑動接觸，刷握固定在刷桿上，刷桿裝在圓環形的刷桿座上，相互之間必須絕緣。刷桿座裝在端蓋或軸承內蓋上，圓周位置可以調整，調好以后加以固定。

轉子

（1）電樞鐵心

電樞鐵心是主磁路的主要部分，同時用以嵌放電樞繞組。

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，以降低電機運行時電樞鐵心中產生的渦流損耗和磁滯損耗。疊成的鐵心固定在轉軸或轉子支架上。鐵心的外圓開有電樞槽，槽內嵌放電樞繞組。

（2）電樞繞組

電樞繞組的作用是產生電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能量變換的關鍵部件，所以叫電樞。它是由許多線圈（以下稱元件）按一定規律連接而成，線圈采用高強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行綁扎。

（3）換向器

在直流電動機中，換向器配以電刷，能將外加直流電源轉換為電樞線圈中的交變電流，

使電磁轉矩的方向恒定不變；在直流發電機中，換向器配以電刷，能將電樞線圈中感應產生的交變電動勢轉換為正、負電刷上引出的直流電動勢。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）轉軸

轉軸起轉子旋轉的支撐作用，需有一定的機械強度和剛度，一般用圓鋼加工而成。

工作原理

直流電機里邊固定有環狀永磁體，電流通過轉子上的線圈產生安培力，當轉子上的線圈與磁場平行時，再繼續轉受到的磁場方向將改變，因此此時轉子末端的電刷跟轉換片交替接觸，從而線圈上的電流方向也改變，產生的洛倫茲力方向不變，所以電機能保持一個方向轉動。

直流發電機的工作原理就是把電樞線圈中感應的交變電動勢，

靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時變為直流電動勢的原理。

感應電動勢的方向按右手定則確定（磁感線指向手心，大拇指指向導體運動方向，其他四指的指向就是導體中感應電動勢的方向）。

導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，這個力矩在旋轉電機里稱為電磁轉矩，轉矩的方向是逆時針方向，企圖使電樞逆時針方向轉動。如果此電磁轉矩能夠克服電樞上的阻轉矩（例如由摩擦引起的阻轉矩以及其它負載轉矩），電樞就能按逆時針方向旋轉起來。

Verilog HDL 之 直流電機PWM控制

一、實驗前知識準備

在上一篇中總結了步進電機的控制，這次我將學習一下直流電機的控制，首先，我們簡要了解下步進電機和直流電機的區別。

（1）步進電機是以步階方式分段移動，直流電機通常采用連續移動的控制方式。

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

（3）直流電機需要反饋控制系統，他會以間接方式控制電機位置。步進電機系統多半以“開環方式”進行操作。

1、什么是直流電機

輸出或輸入為直流電能的旋轉電機，稱為直流電機，它是能實現直流電能和機械能互相轉換的電機。當它作電動機運行時是直流電動機，將電能轉換為機械能；作發電機運行時是直流發電機，將機械能轉換為電能。

2、什么是PWM

PWM（脈沖寬度調制）是一種模擬控制方式，其根據相應載荷的變化來調制晶體管柵極或基極的偏置，來實現開關穩壓電源輸出晶體管或晶體管導通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。

3、開發平臺中直流電機驅動的實現

開發板中的直流電機的驅動部分如圖1.1所示。利用FPGA設計一個0、1組成的雙極性PWM發生器。

圖1.1 直流電機的驅動部電路

二、實驗平臺

Quartus II 7.2 集成開發環境、SOPC-MBoard板、ByteBlaster II 下載電纜

三、實驗目標

1、了解直流電機PWM的控制方法。

2、具有調速功能。

四、實驗實現

詳細實現步驟請參考 【連載】 FPGA Verilog HDL 系列實例--------8-3編碼器

1、在設計文件中輸入Verilog代碼。

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

2 // Title ： pwm

3 // Author ： liwei

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

5 //-------------------------------------------------------------------------------------------------

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

13 input Dir ; //控制方向

14 input ［1:0］ spd_sel ; //控制轉速

15

16 output ［1:0］ MA ; //電機控制

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; //設定周期時間的一半

48 else if （cnt == period-1） //設定的周期時間

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）如何控制順時針轉和逆時針轉？（2）速度的大小如何控制的？

第38行~第53行：由2個引腳控制生成雙極性PWM發生器。

結論：

（1）以MA_r［0］為準，當狀態0的時間大于狀態1的時間時，電機逆時針轉動；反之，電機順時針轉動。

那且看上面代碼中是如何控制狀態0的時間和狀態1的時間長短的。不難看出，時間長短是由方向變量Dir（第43、44行）和預設值cnt_r（第59行~第62行）決定。可以好好體會一下。

（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行中的數值確定的，這些數值可以自己定義，但必須在0~10000之間，這里所說的占空比是指不小于的值，當數值設置為5000時，就會得到最慢的速度了。

3、由設計文件生成的.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；rst接復位信號；Dir接按鍵，控制轉動方向；clk接系統時鐘；spd_sel接2個按鍵，調節轉動速度；MA接直流電機。

5、實驗結果

通過撥動開關控制開關、轉速、方向。

有興趣的可以和上一篇進行對比，加深印象。