浅析直流电机PWM控制原理及应用

　　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。

　　Verilog HDL 之 直流电机PWM控制

　　一、实验前知识准备

　　在上一篇中总结了步进电机的控制，这次我将学习一下直流电机的控制，首先，我们简要了解下步进电机和直流电机的区别。

　　（1）步进电机是以步阶方式分段移动，直流电机通常采用连续移动的控制方式。

　　（2）步进电机采用直接控制方式，它的主要命令和控制变量都是步阶位置；直流电机则是以电机电压为控制变量，以位置或速度为命令变量。

　　（3）直流电机需要反馈控制系统，他会以间接方式控制电机位置。步进电机系统多半以“开环方式”进行操作。

　　1、什么是直流电机

　　输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，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。

　　2、什么是PWM

　　PWM（脉冲宽度调制）是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。

　　3、开发平台中直流电机驱动的实现

　　开发板中的直流电机的驱动部分如图1.1所示。利用FPGA设计一个0、1组成的双极性PWM发生器。

　　图1.1 直流电机的驱动部电路

　　二、实验平台

　　Quartus II 7.2 集成开发环境、SOPC-MBoard板、ByteBlaster II 下载电缆

　　三、实验目标

　　1、了解直流电机PWM的控制方法。

　　2、具有调速功能。

　　四、实验实现

　　详细实现步骤请参考 【连载】 FPGA Verilog HDL 系列实例--------8-3编码器

　　1、在设计文件中输入Verilog代码。

　　1 //--------------------------------------------------------------------------------------------------

　　2 // Title ： pwm

　　3 // Author ： liwei

　　4 // Generated ： Thu Jun 16 22:30:12 2005

　　5 //-------------------------------------------------------------------------------------------------

　　6 `timescale 1ns / 1ps

　　7

　　8 module pwm （ enable ， rst ， Dir ， clk ， spd_sel ， MA ）;

　　9

　　10 input rst ;

　　11 input clk ;

　　12 input enable ; //控制开关

　　13 input Dir ; //控制方向

　　14 input ［1:0］ spd_sel ; //控制转速

　　15

　　16 output ［1:0］ MA ; //电机控制

　　17

　　18 reg ［15:0］ cntReg;

　　19 reg ［15:0］ cnt;

　　20 reg ［15:0］ cnt_r;

　　21 reg pulseout;

　　22 reg ［1:0］MA_r ;

　　23

　　24 parameter period = ‘d10000;

　　25 assign MA = MA_r ;

　　26

　　27 always @ （posedge clk or negedge rst ）

　　28

　　29 begin

　　30 if （ ！rst） //复位

　　31 begin

　　32 cntReg 《=#1 16’b0;

　　33 cnt 《= #1 16‘b0;

　　34 pulseout 《= #1 1’b0;

　　35 end

　　36 else

　　37 if （enable == 1‘b0） MA_r 《= 2’b00;

　　38 else

　　39 begin

　　40 MA_r［0］ 《= pulseout ;

　　41 MA_r［1］ 《= ~pulseout;

　　42

　　43 if （Dir == 1‘b1） cntReg 《= cnt_r ;

　　44 else if （Dir == 1’b0） cntReg 《= period - cnt_r ;

　　45

　　46 cnt 《= cnt +1 ;

　　47 if （cnt ==cntReg-1） pulseout 《= #1 1‘b1; //设定周期时间的一半

　　48 else if （cnt == period-1） //设定的周期时间

　　49 begin

　　50 pulseout 《= #1 1’b0;

　　51 cnt 《= #1 ‘b0;

　　52 end

　　53 end

　　54 end

　　55

　　56 always @ （ spd_sel ）

　　57 begin

　　58 case （spd_sel）

　　59 2’b00 ： cnt_r 《= period-‘d3500 ;

　　60 2’b01 ： cnt_r 《= period-‘d2500 ;

　　61 2’b10 ： cnt_r 《= period-‘d1750 ;

　　62 2’b11 ： cnt_r 《= period-‘d1000 ;

　　63 endcase

　　64 end

　　65

　　66 endmodule

　　2、分析

　　思考：（1）如何控制顺时针转和逆时针转？（2）速度的大小如何控制的？

　　第38行~第53行：由2个引脚控制生成双极性PWM发生器。

　　结论：

　　（1）以MA_r［0］为准，当状态0的时间大于状态1的时间时，电机逆时针转动；反之，电机顺时针转动。

　　那且看上面代码中是如何控制状态0的时间和状态1的时间长短的。不难看出，时间长短是由方向变量Dir（第43、44行）和预设值cnt_r（第59行~第62行）决定。可以好好体会一下。

　　（2）速度的快慢是由占空比决定的，占空比越大，速度越快。当然，这里指的是比值大于1。

　　占空比是如何确定的呢？这是由第59行~第62行中的数值确定的，这些数值可以自己定义，但必须在0~10000之间，这里所说的占空比是指不小于的值，当数值设置为5000时，就会得到最慢的速度了。

　　3、由设计文件生成的.bsf文件，其外接接口如图1.2所示。

　　图1.2 外接接口图

　　4、引脚分配

　　enable接按键，控制开关；rst接复位信号；Dir接按键，控制转动方向；clk接系统时钟；spd_sel接2个按键，调节转动速度；MA接直流电机。

　　5、实验结果

　　通过拨动开关控制开关、转速、方向。

　　有兴趣的可以和上一篇进行对比，加深印象。