直流電機的工作原理與控制原理以及直流電機的分類詳解

　　直流電機的工作原理

　　直流電機里邊固定有環(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，再繼續(xù)轉(zhuǎn)受到的磁場方向?qū)⒏淖?，因此此時轉(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，所以電機能保持一個方向轉(zhuǎn)動。

　　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?/p>

　　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）。

　　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(fù)載轉(zhuǎn)矩），電樞就能按逆時針方向旋轉(zhuǎn)起來。

　　直流電機的控制原理

　　直流無刷電機的控制原理，要讓電機轉(zhuǎn)動起來，首先控制部就必須根據(jù)hall-sensor感應(yīng)到的電機轉(zhuǎn)子所在位置，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)電機線圈產(chǎn)生順向（或逆向）旋轉(zhuǎn)磁場，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，如此就能使電機順時/逆時轉(zhuǎn)動。當(dāng)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到hall-sensor感應(yīng)出另一組信號的位置時，控制部又再開啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)電機就可以依同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動直到控制部決定要電機轉(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。此外因為電子零件總有開關(guān)的響應(yīng)時間，所以功率晶體管在關(guān)與開的交錯時間要將零件的響應(yīng)時間考慮進去，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)電機轉(zhuǎn)動起來，控制部會再根據(jù)驅(qū)動器設(shè)定的速度及加/減速率所組成的命令（Command）與hall-sensor信號變化的速度加以比對（或由軟件運算）再來決定由下一組（AH、BL或AH、CL或BH、CL或……）開關(guān)導(dǎo)通，以及導(dǎo)通時間長短。速度不夠則開長，速度過頭則減短，此部份工作就由PWM來完成。PWM是決定電機轉(zhuǎn)速快或慢的方式，如何產(chǎn)生這樣的PWM才是要達到較精準(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間，另外對于hall-sensor信號變化的資料存取方式也影響到處理器效能與判定正確性、 實時性。至于低轉(zhuǎn)速的速度控制尤其是低速起動則因為回傳的hall-sensor信號變化變得更慢，怎樣擷取信號方式、處理時機以及根據(jù)電機特性適當(dāng)配置控制參數(shù)值就顯得非常重要。或者速度回傳改變以encoder變化為參考，使信號分辨率增加以期得到更佳的控制。電機能夠運轉(zhuǎn)順暢而且響應(yīng)良好，P.I.D.控制的恰當(dāng)與否也無法忽視。之前提到直流無刷電機是閉回路控制，因此回授信號就等于是告訴控制部電機轉(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)境其實是復(fù)雜多變的，若要控制的堅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。

?? ? ? 直流電機的分類

　　直流電機的運行特性與它的勵磁方式有很大的關(guān)系。勵磁方式即是上述直流電機原理圖中，磁極N、S所產(chǎn)生的磁場的獲得方式?，F(xiàn)代電機大都利用電磁鐵來產(chǎn)生，因此需要對電磁鐵線圈通電，該電磁鐵線圈電源不同，則獲得不同的勵磁方式。直流電機按勵磁方式不同，可分為以下幾類。

　　1、他勵電機

　　他勵電機的勵磁電流是由獨立的直流電源供給的，勵磁電流僅取決于勵磁電源的電壓和勵磁回路的電阻，與電樞端電壓無關(guān)，如圖1所示。

　　圖1他勵電機圖2 并勵電機

　　2、并勵電機

　　并勵電機的勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。如2圖所示。并勵電機的勵磁電流不僅與勵磁回路的電阻有關(guān)，而且還受電樞端電壓的影響。

　　3、串勵電機與復(fù)勵電機

　　串勵電機的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。復(fù)勵電機的磁極上有兩個勵磁繞組，一個與電樞繞組并聯(lián)，另一個與電樞繞組串聯(lián)。