直流電機的工作原理及分類解析

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淖儯�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�理�?br />
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?qū)�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(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。

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。當電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到hall-sensor感應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的響應時間，所以功率晶體管在關與開的交錯時間要將零件的響應時間考慮進去，否則當上臂(或下臂)尚未完全關閉，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。

當電機轉(zhuǎn)動起來，控制部會再根據(jù)驅(qū)動器設定的速度及加/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……)開關導通，以及導通時間長短。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)電機特性適當配置控制參數(shù)值就顯得非常重要�；蛘咚俣然貍鞲淖円詄ncoder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)順暢而且響應良好，P.I.D.控制的恰當與否也無法忽視。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，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，而且還受電樞端電壓的影響。

3、串勵電機與復勵電機

串勵電機的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。復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)。