图解直流电机的工作原理
一. 直流电机的物理模型图解释。
这是分析直流电机的物理模型图。其中，固定部分有磁铁，这里称作主磁极；固定部分还有电刷。转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。(其中2个小圆圈是为了方便表示该位置上的导体电势或电流的方向而设置的)
上图表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。
二.直流发电机的工作原理
直流发电机的原理图
直流发电机是机械能转换为直流电能的电气设备。
如何转换？分以下步骤说明：
设原动机拖动转子以每分转n转转动；
电机内部的固定部分要有磁场。这个磁场可以是如图示的磁铁也可以是磁极铁心上绕套线圈，再通过直流电产生磁场。其中 If 称之为励磁电流。这种线圈每个磁极上有一个，也就是，电机有几个磁极就有几个励磁线圈，这几个线圈串联（或并联）起来就构成了励磁绕组。这里要注意各线圈通过电流的方向不可出错。在以上条件下环外导体将感应电势，其大小与磁通密度 B 、导体的有效长度 l 和导体切割磁场速度 v 三者的乘积成正比，其方向用右手定则判断。
但是要注意某一根转子导体的电势性质是交流电。而经电刷输出的电动势确是直流电了。这便是直流发电机的工作原理。如下动画演示：
三.直流电动机的工作原理
直流电动机的原理图
对上一页所示的直流电机，如果去掉原动机，并给两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到如上图（b）所示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。
《电机及拖动技术应用》教案
教 案 首 页（宋体小四号字）
任务一 直流电机的工作原理 第几节 项目五
班 级 13机电 时 数 2课时
教
学
目
标 1.知识目标：熟悉直流发电机的原理,熟悉直流电动机的原理工作原理。
2.能力目标：掌握两种电机的原理，电磁转矩和电动势的不同点。
3.情感目标：培养学生积极向上的学习态度，培养学生接受新知识的能力。
教
学
内
容 1. 直流发电机
2. 直流电动机
教材分析 重点 通过自主探究，让学生掌握直流发电机、电动机的原理。
难点 对两种电机的电磁转矩和电动势的不同点的掌握。
教学方法 问题引导 动画演示 案例教学
教学准备 多媒体 《《电机及拖动技术应用》教案
教 学 内 容 教 学 设 计
第一部分：导课
❖ 本次主题：直流电机的工作原理
主题描述：⒈原理
直流发电机的原理：当电枢被原动机以恒速驱动，用右手定则可以判定，电动势的方向。
直流电动机的原理：电流流进电枢，电枢电流与磁场相互作用产生电磁力F，其方向可用左手定则判定。这一对电磁力所形成的电磁转矩T，使电动机电枢逆时针方向旋转。
解决问题： 1.帮助学生了解直流发电机的原理。
2.帮助学生了解直流电动机的原理。
3.帮助学生建立把理论与实践结合起来的抽象思维方式。
第二部分：授课
…………………………………………
第 一 课 时
一、直流发电机的工作原理
两磁极直流发电机的工作原理如图5-1所示。
图5-1 直流发电机原理
⒈电动势产生
当电枢被原动机以恒速驱动，按逆时针方向转动时，用右手定则可以判定，线圈ab和cd边切割磁力线产生的感应电动势的方向，则在负载与线圈构成的回路中产生电流Ia，其方向与电动势方向相同。电流由电刷Ａ流出，由电刷Ｂ流回。
特别提示：电动势与电流关系：同向
⒉换向
当电枢转到图5-1b）所示位置时，ab边转到了S极下，cd边转到了N极下。
无刷直流电机原理
1. 简介
本文要介绍电机种类中发展快速且应用广泛的无刷直流电机（以下简称BLDC）。BLDC被广泛的用于日常生活用具、汽车工业、航空、消费电子、医学电子、工业自动化等装置和仪表。顾名思义，BLDC不使用机械结构的换向电刷而直接使用电子换向器，在使用中BLDC相比有刷电机有许多的优点，比如：
能获得更好的扭矩转速特性；
高速动态响应；
高效率；
长寿命；
低噪声；
高转速。
另外，BLDC更优的扭矩和外形尺寸比使得它更适合用于对电机自身重量和大小比较敏感的场合。
2. BLDC结构和基本工作原理
BLDC属于同步电机的一种，这就意味着它的定子产生的磁场和转子产生的磁场是同频率的，所以BLDC并不会产生普通感应电机的频差现象。BLDC中又有单相、2相和3相电机的区别，相类型的不同决定其定子线圈绕组的多少。在这里我们将集中讨论的是应用最为
广泛的3相BLDC。
2.1 定子
BLDC定子是由许多硅钢片经过叠压和轴向冲压而成，每个冲槽内都有一定的线圈组成了绕组，可以参见图2.1.1。从传统意义上讲，BLDC的定子和感应电机的定子有点类似，不过在定子绕组的分布上有一定的差别。大多数的BLDC定子有3个呈星行排列的绕组，每
个绕组又由许多内部结合的钢片按照一定的方式组成，偶数个绕组分布在定子的周围组成了偶数个磁极。
BLDC的定子绕组可以分为梯形和正弦两种绕组，它们的根本区别在于由于绕组的不同连接方式使它们产生的反电动势（反电动势的相关介绍请参加EMF一节）不同，分别呈现梯形和正弦波形，故用此命名了。梯形和正弦绕组产生的反电动势的波形图如图2.1.2和图
2.1.3所示。
另外还需要对反电动势的一点说明就是绕组的不同其相电流也是呈现梯形和正弦波形，可想而知正弦绕组由于波形平滑所以运行起来相对梯形绕组来说就更平稳一些。但是，正弦型绕组由于有更多绕组使得其在铜线的使用上就相对梯形绕组要多（？）。平时由于应用电压的不同，我们可以根据需要选择不同电压范围的无刷电机。48V及其以下应用电压的电机可以用在汽车、机器人、小型机械臂等方面。100V及其以上电压范围的电机可以用在专用器具、自动控制以及工业生产领域。
1目 录 第1章 直流电机的原理与驱动..................................................................................2 1.1 让你的DC Motot-Kit迅速转起来——PWM开环实验................................3 1.1.1 基于EasyARM101开发板..............................................................................3 1.1.2 基于EasyARM615开发板..............................................................................4 1.1.3 基于EasyARM8962开发板............................................................................5 1.1.4 基于SmartARM2300开发板..........................................................................6 1.2 让你的DC Motot-Kit迅速转起来——PID算法闭环实验...........................7 1.2.1 基于EasyARM101开发板..............................................................................7 1.2.2 基于EasyARM615开发板..............................................................................8 1.2.3 基于EasyARM8962开发板..........................................................................10 1.2.4 基于SmartARM2300开发板........................................................................11 1.3 直流电机概述.................................................................................................13 1.3.1 直流电机的特点、基本工作原理.................................................................13 1.3.2 直流电机的电器特性.....................................................................................13 1.3.3 PWM控制直流电机原理..............................................................................15 1.3.4 PWM驱动的闭环控制..................................................................................16 1.3.5 PWM双极性驱动原理..................................................................................17 1.3.6 PID算法的原理及应用.................................................................................20 1.4 DC Motor-Kit直流电机模块电路原理.........................................................24 1.4.1 电路原理图.....................................................................................................24 1.4.2 接口说明.........................................................................................................24 1.4.3 H桥驱动.........................................................................................................26 1.4.4 PWM输入电路..............................................................................................27 1.4.5 电流检测电路.................................................................................................28 1.4.6 红外测速电路.................................................................................................28 1.5 软件说明.........................................................................................................30 1.5.1 PWM开环程序..............................................................................................30 1.5.2 PID算法闭环程序.........................................................................................37 1.5.3 数据队列使用说明.........................................................................................52 1.5.4 串口通讯协议.................................................................................................57
