详解Arduino Uno控制直流电机之应用

　　直流电机

 

　　直流电机（direct current machine）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。

 

　　组成结构

 

　　直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。

 

　　定子

 

　　（1）主磁极

 

　　主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。

 

　　铁心一般用0.5mm～1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上，

 

　　（2）换向极

 

　　换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成。换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。

 

　　（3）机座

 

　　电机定子的外壳称为机座。机座的作用有两个：

 

　　一是用来固定主磁极、换向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用；

 

　　二是机座本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。

 

　　（4）电刷装置

 

　　电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。

 

　　转子

 

　　（1）电枢铁心

 

　　电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。

 

　　一般电枢铁心采用由0.5mm厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。

 

　　（2）电枢绕组

 

　　电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件，所以叫电枢。它是由许多线圈（以下称元件）按一定规律连接而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定。线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。

 

　　（3）换向器

 

　　在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，

 

　　使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘。

 

　　（4）转轴

 

　　转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。

 

　　工作原理

 

　　直流电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生安培力，当转子上的线圈与磁场平行时，再继续转受到的磁场方向将改变，因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也改变，产生的洛伦兹力方向不变，所以电机能保持一个方向转动。

 

　　直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，

 

　　靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。

 

　　感应电动势的方向按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向）。

 

　　导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。

　　Arduino Uno控制直流电机

　　其实，三年前的东西都已经记不清楚了。研究生没有做硬件，相关的都快看不懂了！为了让大家看得懂程序，将总的系统设计思路贴出来，如下：

　　整个系统是实现“太阳能智能控制环保路灯控制器设计”，主要是用直流电机控制太阳能电池板转动，确保其在每个时间段能够实现最高的发电效率，仿向日葵实现东西转动。

　　Arduino Uno手册上有其关于控制直流电机的详细介绍，如果仔细阅读，实现起来很简单的。可以结合本文的系统，对其进一步理解，则可以编写响应的代码。

　　主程序

　　//#include

　　int pinI1=8;

　　int pinI2=9;

　　int pinI3=2;

　　//int pinI4=3;

　　int pinI5=4;

　　//int pinI6=5;

　　//int pinI7=6;

　　int speedin=11;

　　volatile int state=LOW;

　　void setup（）

　　{

　　pinMode（pinI1，OUTPUT）;

　　pinMode（pinI2，OUTPUT）;

　　pinMode（pinI3，INPUT）;

　　// pinMode（pinI4，OUTPUT）;

　　pinMode（pinI5，OUTPUT）;

　　// pinMode（pinI6，OUTPUT）;

　　// pinMode（pinI7，OUTPUT）;

　　pinMode（speedin，OUTPUT）;

　　// myPID.SetMode（AUTOMATIC）;

　　// attachInterrupt（0，light，HIGH）;

　　}

　　void loop（）

　　{

　　while（1）

　　{

　　int m=analogRead（A0）;

　　int n=analogRead（A1）;

　　int err，err1，err2;

　　int pidspeed1;

　　float kp=0.1 ，ki=0，kd=0;

　　err=m-n;

　　pidspeed1=（int）（err*kp-err1*ki+err2*kd）;

　　err1=err;

　　err2=err1;

　　state=digitalRead（pinI3）;

　　digitalWrite（pinI5，state）;

　　if （m》n）

　　{

　　// while（1）

　　// {

　　digitalWrite（pinI1，LOW）;

　　digitalWrite（pinI2，HIGH）;

　　analogWrite（speedin，100+pidspeed1）;

　　// }

　　// delay（2000）;

　　}

　　else if（m

　　{

　　// while（1）

　　// {

　　digitalWrite（pinI1，HIGH）;

　　digitalWrite（pinI2，LOW）;

　　analogWrite（speedin，100-pidspeed1）;

　　// delay（2000）;

　　// }

　　}

　　1

　　else

　　{

　　// while（1）

　　// {

　　digitalWrite（pinI1，HIGH）;

　　digitalWrite（pinI2，HIGH）;

　　//delay（2000）;

　　// }

　　}

　　}

　　}

　　这是我本科毕业设计的部分内容，之前回答别人相关问题时留下了QQ号，这几年总有人加我问相关的问题。今天也有一个本科生咨询，趁这个机会，就把相关资料贴出来吧。

　　其实，三年前的东西都已经记不清楚了。研究生没有做硬件，相关的都快看不懂了！为了让大家看得懂程序，将总的系统设计思路贴出来，如下：

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　　PID算法控制程序

　　该部分系统原理图如下，有助于理解代码，可根据应用环境不同修改代码：

　　int m=analogRead（A0）;

　　int n=analogRead（A1）;

　　int err，err1，err2;

　　int pidspeed1;

　　float kp=0.1 ，ki=0，kd=0;

　　err=m-n;

　　pidspeed1=（int）（err*kp-err1*ki+err2*kd）;

　　err1=err;

　　err2=err1;

　　void light（）；

　　SetMotor（Output）;

　　void SetMotor（）

　　{

　　if （m》n）

　　{

　　digitalWrite（pinI1，LOW）;

　　digitalWrite（pinI2，HIGH）;

　　12345

　　analogWrite（speedin，100+pidspeed1）;}

　　else if（m

　　{ digitalWrite（pinI1，HIGH）;

　　digitalWrite（pinI2，LOW）;

　　analogWrite（speedin，100-pidspeed1）;}

　　12345

　　else

　　{digitalWrite（pinI1，HIGH）;

　　digitalWrite（pinI2，HIGH）;}

　　}