直流电机原理应用和程序详解

www.txmcu.com 直流电机原理应用及程序详解 哈尔滨天祥电子 直流电机原理应用及程序详解 1.直流电机实物图片 图 1 普通直流电机 图 2 减速直流电机 图 3 无刷直流电机 图 4 伺服直流电机 图 5 永磁直流电机 2.直流电机介绍 电机是使机械能与电能相互转换的机械，直流电机把直流电能变为机械能。作为机电执 行元部件，直流电机内部有一个闭合的主磁路。主磁通在主磁路中流动，同时与两个电路交 联，其中一个电路是用以产生磁通的，称为激磁电路，另外一个是用来传递功率，称为功率 回路或者电枢回路。现行的直流电动机都是旋转电枢式，也就是说激磁绕组及其所包围的铁 芯组成的磁极为定子，带换向单元的电枢绕组和电枢铁芯结合构成直流电动机的转子。 直流电机有以下几方面的优点： (1)调速范围广，且易于平滑调节； (2)过载、起动、制动转矩大； (3)易于控制，可靠性高； (4)调速时的能量损耗较小。 所以，在调速要求高的场所，如轧钢机、轮船推进器、电车、电气铁道牵引、高炉送抖、 造纸、纺织、拖动、吊车、挖掘机械、卷扬机拖动等方面，直流电动机均得到广泛的应用。 3.直流电机的基本工作原理 图 6 直流电机工作原理图 www.txmcu.com 1 www.txmcu.com www.txmcu.com 直流电机原理应用及程序详解 哈尔滨天祥电子 www.txmcu.com 2 www.txmcu.com 图 6 是直流电机工作原理图，当电刷 A、B 接在电压为 U 的直流电源上时，若电刷 A 是正电位，B 是负电位，在 N 极范围内的导体 ab 中的电流是从 a 流向 b，在 S 极范围内的 导体 cd 中的电流是从 c 流向 d。载流导体在磁场中要受到电磁力的作用，因此，ab 和 cd 两 导体都要受到电磁力的作用。根据磁场方向和导体中的电流方向，利用电动机左手定则判断， ab 边受力的方向是向左，而 cd 边则是向右。由于磁场是均匀的，导体中流过的又是相同的 电流，所以，ab 边和 cd 边所受电磁力的大小相等。这样，线圈上就受到了电磁力的作用而 按逆时针方向转动了。当线圈转到磁极的中性面上时，线圈中的电流等于零，电磁力等于零， 但是由于惯性的作用，线圈继续转动。线圈转过半周之后，虽然 ab 与 cd 的位置调换了，ab 边转到 S 极范围内，cd 边转到 N 极范围内，但是，由于换向片和电刷的作用，转到 N 极下 的 cd 边中电流方向也变了，是从 d 流向 c，在 S 极下的 ab 边中的电流则是从 b 流向 a。因 此，电磁力的方向仍然不变，线圈仍然受力按逆时针方向转动。可见，分别处在 N、S 极范 围内的导体中的电流方向总是不变的，因此，线圈两个边的受力方向也不变，这样，线圈就 可以按照受力方向不停的旋转了，通过齿轮或皮带等机构的传动，便可以带动其它工作机械。 从以上的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 可以看到，要使线圈按照一定的方向旋转，关键问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 是当导体从一个磁极 范围内转到另一个异性磁极范围内时（也就是导体经过中性面后），导体中电流的方向也要 同时改变。换向器和电刷就是完成这个任务的装置。在直流电动机中，换向器和电刷把输入 的直流电变为线圈中的交流电。可见，换向器和电刷是直流电机中不可缺少的关键性部件。 当然，在实际的直流电动机中，也不只有一个线圈，而是有许多个线圈牢固地嵌在转子 铁芯槽中，当导体中通过电流、在磁场中因受力而转动，就带动整个转子旋转。这就是直流 电动机的基本工作原理。 4、直流电机的参数 z 转矩：电动机得以旋转的力矩，单位为 kg·m 或 N·m。 z 转矩系数：电动机所产生转矩的比例系数，一般表示每安培电枢电流所产生的转矩大小。 z 摩擦转矩：电刷、轴承、换向单元等因摩擦而引起的转矩损失。 z 启动转矩：电动机启动时所产生的旋转力矩。 z 转速：电动机旋转的速度，工程单位为 r/min，即转每分，在国际单位制中为 rad/s，即 弧每秒。 z 电枢电阻：电枢内部的电阻，在有刷电动机里一般包括电刷与换向器之间的接触电阻， 由于电阻中流过电流时会发热，因此总希望电枢电阻尽量小些。 z 电枢电感：因为电枢绕组是由金属线圈构成，必然存在电感，从改善电动机运行性能的 角度来说，电枢电感越小越好。 z 电气时间常数：电枢电流从零开始达到稳定值的 63.2%时所经历的时间。测定电气时间 常数时，电动机应处于堵转状态并施加阶跃性质的驱动电压。电气时间常数工程上常常 利用电枢绕组的电阻 Ra 和电感 La 求出：Te＝La/Ra。 z 机械时间常数：电动机从启动到转速达到空载转速的 63.2%时所经历的时间。测定机械 时间常数时，电动机应处于空载运行状态并施加阶跃性质的阶跃电压。机械时间常数工 程上常常利用电动机转子的转动惯量 J 和电枢电阻 Ra 以及电动机反电动势系数 Ke、转 矩系数 Kt 求出：Tm＝(J×Ra)/(Ke×Kt)。 z 转动惯量：具有质量的物体维持其固有运动状态的一种性质。 z 反电动势系数：电动机旋转时，电枢绕组内部切割磁力线所感应的电动势相对于转速的 比例系数，也称为发电系数或感应电动势系数。 z 功率密度：电动机每单位质量所能获得的输出功率值，功率密度越大，电动机的有效材 料的利用率就越高。 www.txmcu.com 直流电机原理应用及程序详解 哈尔滨天祥电子 z 转子：rotor ；定子：stator； 电枢：armature； 励磁：excitation。 5、直流电机的驱动 用单片机控制直流电机时，需要加驱动电路，驱动电路要为直流电机提供足够大的驱动 电流，使用不同的直流电机，其驱动电流就不同，我们要根据实际需求选择合适的驱动电路， 通常有以下几种驱动电路：三极管电流放大驱动电路、电机专用驱动模块（如 L298）、达 林顿驱动器等。如果是驱动单个电机，并且电机的驱动电流不大的情况下，我们可自己用三 极管搭驱动电路，不过这样要稍微麻烦些。如果电机所需要的驱动电流较大，我们可直接选 用市场上现成的电机专用驱动模块，这种模块接口简单，操作方便，而且可为电机提供较大 的驱动电流，不过它的价格要贵一些。如果是自己学习电机原理及电路驱动原理，建议大家 可选用第三种 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，使用达林顿驱动器，它实际上就是一个集成芯片，单块芯片同时可驱动 8 个电机，每个电机由单片机的一个 I/O 口控制，当需要调节直流电机转速时，使单片机的 相应 I/O 口输出不同占空比的 PWM 波形，在接下来的例程中我们就该驱动电路做介绍。 在这之前我们首先介绍一下 PWM 波。 PWM 波：PWM 是英文 Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)的缩写，按一定规律改 变脉冲序列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调制方式，我们在控制系统中最常用的 是矩形波 PWM 信号，在控制时需要调节 PWM 波的占空比。如图 7 所示，占空比是指高电 平持续的时间在一个周期时间内的百分比。控制电机的转速时，占空比越大，速度越快，如 果全为高电平，即占空比为 100%时，速度达到最快。 当用单片机 I/O 口输出 PWM 信号时，有三种 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 可采用： （1） 可以利用软件延时，当高电平延时时间到时对 I/O 口电平取反变成低电平，然 后再延时，当低电平延时时间到时再对该 I/O 口电平取反，如此循环就可得到 PWM 信号； （2） 利用定时器，控制方法同上，只是在这里利用单片机的定时器来定时进行高低 电平的翻转，而不用软件延时； （3） 利用单片机自带的 PWM 控制器，STC12 系列单片机自身带有 PWM 控制器， STC89 系列单片机无此功能，其它型号的很多单片机也带有 PWM 控制器，比 如 PIC 单片机、AVR 单片机等。 www.txmcu.com 3 www.txmcu.com 占空比 50% 占空比 75% 图 7 PWM 信号 6、直流电机与单片机的硬件连接 图 8 是使用 TX-1C 实验板做直流电机扩展实验时的硬件连接图，电机扩展板独立于 TX-1C 实验板，电机扩展板上使用 5V 直流电源，在做本实验时，两电源需要共地。电机扩 展板上用一个达林顿反相驱动器 ULN2803 驱动电机，这里仅驱动一路电机，电机的一端接 +5V 电源，另一端接 ULN2803 的 OUT6 引脚，ULN2803 的 IN6 引脚与单片机的 P1.7 相连， 通过控制单片机的 P1.7 输出 PWM 信号就可控制直流电机的速度与启停。 www.txmcu.com 直流电机原理应用及程序详解 哈尔滨天祥电子 EA/VP31 XIN19 XOUT18 RESET9 RD17 WR16 INT012 INT113 T014 T115 P101 P112 P123 P134 P145 P156 P167 P178 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE/P 30 TXD 11 RXD 10 VCC 40 GND 20 U1 89C51 5V 5V IN11 IN22 IN33 IN44 IN55 IN66 IN77 IN88 GND9 CM 10 OUT8 11 OUT7 12 OUT6 13 OUT5 14 OUT4 15 OUT3 16 OUT2 17 OUT1 18 U2 ULN2803 5V 5V 1 2 JP1 直流电机 图 8 直流电机和单片机连接原理图 图 9 实验所用直流电机实物图 直流电机参数，电压：2-6V，直径：24mm，高度：12mm.。 6、C 语言程序实例 图 10 程序流程图 www.txmcu.com 4 www.txmcu.com www.txmcu.com 直流电机原理应用及程序详解 哈尔滨天祥电子 www.txmcu.com 5 www.txmcu.com 实验说明：使用 TX-1C 实验板上两独立按键调节直流电机转速，同时在实验板的数码 管上象征性的显示出相应的转速对应数值。通过控制单片机输出不同占空比的 PWM 信号来 控制直流电机的转速，由于本实验没有测量电机实际转速的电路部分，所以数码管显示的速 度并不代表电机实际速度，这里仅给大家感性的认识。 #include #define uchar unsigned char sbit dula=P2^6; //数码管显示段选 IO 口定义 sbit wela=P2^7; //数码管显示位选 IO 口定义 sbit dianji=P1^7; //控制电机 IO 口定义 sbit jia_key=P3^6; //加速键 sbit jian_key=P3^7; //减速键 uchar num=0,show_num=1,gao_num=1,di_num=3; uchar code table[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d, 0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};//数码管显示数据表 void delay(uchar i) //延时函数 { uchar j,k; for(j=i;j>0;j--) for(k=125;k>0;k--); } void display() //数码管显示函数 { dula=0; P0=table[show_num]; dula=1; dula=0; wela=0; P0=0xfe; wela=1; wela=0; delay(5); P0=table[0]; dula=1; dula=0; P0=0xfd; wela=1; wela=0; delay(5); P0=table[0]; dula=1; dula=0; P0=0xfb; wela=1; wela=0; www.txmcu.com 直流电机原理应用及程序详解 哈尔滨天祥电子 www.txmcu.com 6 www.txmcu.com delay(5); P0=table[0]; dula=1; dula=0; P0=0xf7; wela=1; wela=0; delay(5); } void key () //按键检测处理函数 { if(jia_key==0) { delay(5); //消抖 if(jia_key==0) { num++; //加速键按下，速度 标志 禁止坐卧标志下载饮用水保护区标志下载桥隧标志图下载上坡路安全标志下载地理标志专用标志下载 加 1 if(num==4) num=3; //已经达到最大 3，则保持 while(jia_key==0); //等待按键松开 } } if(jian_key==0) { delay(5); if(jian_key==0) { if(num!=0) //减速键按下，速度标志减 1 num--; else num=0; //已经达到最小 0，则保持 while(jian_key==0); } } } void dispose() //根据速度标志进行数据处理 { switch(num) { case 0: show_num=1; //数码管第一位显示的数据 gao_num=1; //PWM 信号中高电平持续时间标志为 1 di_num=3; //PWM 信号中低电平持续时间标志为 3，此时速度最慢 break; www.txmcu.com 直流电机原理应用及程序详解 哈尔滨天祥电子 www.txmcu.com 7 www.txmcu.com case 1: show_num=2; gao_num=2; di_num=2; break; case 2: show_num=3; gao_num=3; di_num=1; break; case 3: show_num=4; gao_num=4; di_num=0; //此时速度最快 break; } } void qudong() //控制电机程序 { uchar i; if(di_num!=0) { for(i=0;i