【文章內(nèi)容簡介】 包括主磁極、換向磁極、機(jī)座、電刷裝置、端蓋等。轉(zhuǎn)子的作用是產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換，通常也稱做電樞。它主要包括電樞鐵心、電樞繞組以及換向器、轉(zhuǎn)軸、風(fēng)扇等。其原理圖如 圖 +ABabcdNS 圖 直流電機(jī)原理圖 定子部分 定子部分包括機(jī)座、主磁極、換向極和電刷裝置等。 機(jī)座 FPGA在直流電機(jī)調(diào)速中的應(yīng)用 9 機(jī)座有兩個(gè)作用，一是作為電機(jī)磁路系統(tǒng)中的一部分，二是用來固定主磁極、換向極及端蓋等，起機(jī)械支承的作用。因此要求機(jī)座有好的導(dǎo)磁性能及足夠的機(jī)械強(qiáng)度和剛座，機(jī)座通常用鑄鋼或厚鋼板焊成。 主磁極 在大多數(shù)直流電機(jī)中，主磁極是電磁鐵，如圖 的 N、 S 就是主磁極，主磁極鐵芯用 1～ ，整個(gè)磁級(jí)用螺釘固定在機(jī)座上。 主磁極的作用是在定轉(zhuǎn)子之間的氣隙中建立磁場(chǎng)，使電樞繞組在此磁場(chǎng)的作用下感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。 換向極 換向極又稱附加極或間極，其作用是以改善換向。換向極裝在相鄰兩主磁 極 N、 S之間，由鐵心和繞組構(gòu)成。鐵芯一般用整塊鋼或鋼板加工而成。換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)。 電刷裝置 在圖 中， A、 B 表示電刷。它的作用是把轉(zhuǎn)動(dòng)的電樞繞組與靜止的外電路相連接，并與換向器相配合，起到整流或逆變器的作用。 轉(zhuǎn)子部分 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子稱為電樞，包括電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、風(fēng)扇、軸和軸承等。 電樞鐵芯 電樞鐵芯是電機(jī)主磁路的一部分，且用來嵌放電樞繞組。為了減少電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)電樞鐵芯中因磁通變化而引起的磁滯及渦流損耗，電樞鐵心通常用 漆的硅鋼片疊加而成。 電樞繞組 電樞繞組是由許多按一定規(guī)律連接的線圈組成，它是直流電機(jī)的主要電路部分，也是通過電流和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。線圈用包有絕緣的導(dǎo)線廣東技術(shù)師范學(xué)校天河學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 10 繞制而成，嵌放在電樞槽中。每個(gè)線圈（也稱元件）有兩個(gè)出線端，分別接到換向器的兩個(gè)換向片上。所有線圈按一定規(guī)律連接成一閉合回路。 換向器 換向器也是直流電機(jī)的重要部件。在直流電動(dòng)機(jī)中，它將電刷上的直流電流轉(zhuǎn)換成繞組內(nèi)的交流電流；在直流發(fā)電機(jī)中，它將繞組內(nèi)的交流電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換成電刷端上的直流電動(dòng)勢(shì)。換向器由許多換向片組成，每片之間相互絕緣。換向片數(shù)與 線圈元件數(shù)相同。 直流電機(jī)的工作原理 直流電機(jī)的工作原理建立在電磁力和電磁感應(yīng)的基礎(chǔ)上，把電刷 A、 B 接到一直流電源上，電刷 A 接到電源正極，電刷 B 接電源的負(fù)極，此時(shí)在線圈 abcd 中將有電流流過。 在 N極范圍內(nèi)的導(dǎo)體 ab中的電流是從 a 流向 b，在 S極范圍內(nèi)的導(dǎo)體 cd中的電流是從 c 流向 d。 因?yàn)?載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中要受到電磁力的作用，因此， ab 和 cd 兩導(dǎo)體都要受到電磁力 F的作用。根據(jù)磁場(chǎng)方向和導(dǎo)體中的電流方向，利用電動(dòng)機(jī)左手定則判斷，ab邊受力的方向是向左，而 cd邊則是向右。由于磁場(chǎng)是均勻的，導(dǎo)體中流過的又是相同的電 流，所以， ab 邊和 cd邊所受電磁力的大小相等。這樣，線圈上就受到了電磁力的作用而按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)了。當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到磁極的中性面上時(shí)，線圈中的電流等于零，電磁力等于零，但是由于慣性的作用，線圈繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。線圈轉(zhuǎn)過半 周 之后，雖然 ab 與cd的位置調(diào)換了， ab 邊轉(zhuǎn)到 S極范圍內(nèi)， cd 邊轉(zhuǎn)到 N極范圍內(nèi)，但是，由于換向片和電刷的作用，轉(zhuǎn)到 N 極下的 cd邊中電流方向也變了，是從 d流向 c，在 S極下的 ab邊中的電流則是從 b流向 a。因此，電磁力 Fdc 的方向仍然不變，線圈仍然受力按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)?？梢?，分別處在 N、 S 極范圍內(nèi)的導(dǎo)體中的電流 方向總是不變的，因此，線圈兩個(gè)邊的受力方向也不變，這樣，線圈就可以按照受力方向不停的旋轉(zhuǎn)了 ，這就是直流電機(jī)的工作原理。 直流電機(jī)主要技術(shù)參數(shù) 為了使電機(jī)安全可靠地工作，且保持優(yōu)良的運(yùn)行性能，電機(jī)廠家根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)及電機(jī)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)每臺(tái)電機(jī)在運(yùn)行中的電壓，電流，功率，轉(zhuǎn)速等規(guī)定了保證值，這些保證值就是直流電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)， 直流電機(jī)的主要 技術(shù)參數(shù) 有： FPGA在直流電機(jī)調(diào)速中的應(yīng)用 11 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，是指電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)的速度 n； n =（ UaIR） /CeΦ （ ） 式 Ua為電樞電動(dòng)勢(shì) ， Ce為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)， Φ 是磁通量。 額定功率 （容量） PN，是指電刷輸出的電功率，單位為 kW； PN=UNIN （ ） 式 ， 額定電壓 UN， 指額定狀態(tài)下電樞出線端的電壓， 單位為 V； 額定電流 IN，指電機(jī)在額定電壓、額定功率時(shí)的電樞電流值， 單位為 A； 額定轉(zhuǎn)速 η N， 指額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速， 單位為 r/min； η N =PN/UNIN （ ） 實(shí)際中 ，直流 PWMM調(diào)速系統(tǒng)近年來發(fā)展很快，直流 PWMM調(diào)速系統(tǒng)采用全控型電力電子器件 ，調(diào)制頻率高，與晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)相比動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)脈動(dòng)小，有很大的優(yōu)越性，因此在小功率調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。 本系統(tǒng)主要介紹雙極式 直流 PWMM可逆調(diào)速系統(tǒng)。它在原來直流 PWMM的系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 和電流調(diào)節(jié)器 ACR， ASR 和 ACR都采用帶輸出限幅的 PI調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器參 數(shù)取值見表 。仿真模型 如圖 所示 表 直流 PWM可逆系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù) 參數(shù) ASR ACR 放大倍數(shù) PK ?PnK ?PIK 積分時(shí)間常數(shù) IK ?nK ?IK 調(diào)節(jié)器輸出限幅 10? ? 轉(zhuǎn)速反饋數(shù) ? ?Alpha 電流反饋系數(shù) ? ?Beta 廣東技術(shù)師范學(xué)校天河學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 12 圖 直流 PWMM可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真模型 仿真結(jié)果如圖 所示，從圖中可以看到系統(tǒng)從正轉(zhuǎn)起動(dòng)至反轉(zhuǎn)運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)速（見圖 ） 和電樞電流 （見圖 ） 對(duì)轉(zhuǎn)速給定 ?nU 的響應(yīng)波形。在仿真中取電流過載倍數(shù) 3?? ，因此電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)起動(dòng) 和制動(dòng)、反轉(zhuǎn)起動(dòng)過程中始終保持著最大電流12A左右。在正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值 2400r/min 后，電流下降 4A左右。圖 調(diào) 節(jié)輸出，即電流的給定信號(hào) ?Ui ，圖 Uct。 圖 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 圖 電動(dòng)機(jī)電樞電流 FPGA在直流電機(jī)調(diào)速中的應(yīng)用 13 圖 電流給定 圖 電流調(diào)節(jié)器輸出 圖 直流 PWM可逆系統(tǒng)仿真結(jié)果 硬件電路設(shè)計(jì) 整流穩(wěn)壓電路 圖 整流穩(wěn)壓電路 整流穩(wěn)壓電路 （如圖 ） 是由二極管、電容、電阻和集成穩(wěn)壓器等電子元器件構(gòu)成。 二極管是一個(gè)由 P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體形成的 PN 結(jié)，在其交界面兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場(chǎng)。當(dāng)一存在外加電壓時(shí)，由于 PN 結(jié)兩邊載流子濃度差產(chǎn)生擴(kuò)散電流和自建電場(chǎng)所引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。當(dāng)外界有正向電壓偏置廣東技術(shù)師范學(xué)校天河學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 14 時(shí)，外界電場(chǎng)和自建電場(chǎng)的互相抑制作用使載流子的擴(kuò)散電流增大引起正向電流。當(dāng)外界有反向電壓偏置時(shí)，外界電場(chǎng)和自建電場(chǎng)進(jìn)一步加強(qiáng)，形成在一定反向電壓范圍內(nèi)與反向偏置電壓值無關(guān)的反向飽和電流。當(dāng)外加的反向電壓 調(diào)到一定程度時(shí)， PN 結(jié)空間電荷層中的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到臨界值而產(chǎn)生載流子的倍增過程，進(jìn)而產(chǎn)生大量電子空對(duì)，由此產(chǎn)生了數(shù)值很大的反向擊穿電流。二極管最重要的特性就是單向?qū)щ娦?，在電路中，電流只能從二極管的正極流入，負(fù)極流出。 電容 是表現(xiàn) 電容器 容納 電荷 本領(lǐng)的 物理 量 ，是一種無源元件。應(yīng)用于電源電路，實(shí)現(xiàn)旁路、去耦、濾波和儲(chǔ)能作用。應(yīng)用于信號(hào)電路，主要完成耦合、振蕩、同步及時(shí)間常數(shù)的作用。本電路主要介紹電容的濾波作用，從理論上說，電容越大，阻抗越小 ，通過的頻率也越高。但實(shí)際上超過 1uF的電容大多為電解電容，有很大的電感成分，所經(jīng)頻率高了反而阻抗會(huì)增大。有時(shí)會(huì)看到電容量較大的電解電容并聯(lián)了一個(gè)小電容，這時(shí)大電容通低頻，小電容通高頻。電容的作用就是通高頻阻低頻。電容越大低頻越容易通過，電容越小高頻越容易通過。電容濾波實(shí)際上就是電容的充電和放電過程。 集成穩(wěn)壓器一般有三個(gè)端子：輸入端、輸出端和公共端。輸入端接整流濾波電路，輸出端接負(fù)載，公共端接輸入、輸出的公共連接點(diǎn)。其內(nèi)部由采、基準(zhǔn)、放大、調(diào)整和保護(hù)等電路組成。保護(hù)電路具有過流、過熱及短路保護(hù)功能。 整流 穩(wěn)壓電路的主要功能是：輸入 220V 的交流電通過變壓器變壓得到 12V 的交流電， 12V的交流電通過四個(gè)整流二極管構(gòu)成橋式整流電路，輸出 12V 的直流電，但此時(shí)的直流還是含有交流成份，通過大電容濾波和小電容改善電壓波紋得到較好的 12V直流電供給電機(jī)和驅(qū)動(dòng)芯片 L298N 使用， 12V 直流電通過 7805 穩(wěn)壓器穩(wěn)壓和電容濾波得到5V的直流電供給驅(qū)動(dòng)芯片 L298N的控制電壓 Vss， 5V直流電再通過穩(wěn)壓器 穩(wěn)壓得到 。 起振電路 起振電路（如圖 ）主要由 晶 體振蕩器 組成 ，簡稱晶振。在電氣上它可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個(gè)頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏?，在這個(gè)極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個(gè)電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會(huì)組成并聯(lián)諧振電路。這個(gè)并聯(lián)FPGA在直流電機(jī)調(diào)速中的應(yīng)用 15 諧振電路加到一個(gè)負(fù)反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路，由于晶振等效為電感的頻率范圍很窄，所以即使其他元件的參數(shù)變化很大，這個(gè)振蕩器的頻率也不會(huì)有很大的變化。晶振有一個(gè)重 要的參數(shù)，那就是負(fù)載電容值，選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標(biāo)稱的諧振頻率。 圖 起振電路 主控芯片 系統(tǒng)里都有晶振， 系統(tǒng)里晶振作用非常大，它的全稱叫晶體振蕩器，它結(jié)合主控芯片 內(nèi)部電路產(chǎn)生所需的時(shí)鐘頻率，晶振時(shí)鐘頻率越高， 其 運(yùn)行的速度就越快，比如 ， 12M 晶振，其 工作速度就是每秒 12M。和電腦的 CPU 概念一樣。 主控芯片 的一切指令的執(zhí)行都是建立在晶振提供的時(shí)鐘 頻率。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對(duì)精度可達(dá)百萬分之五十， 高級(jí)的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內(nèi)調(diào)整頻 率，稱為壓控振蕩器。晶振用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。 因此 晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于各部分保同步，有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調(diào)速頻率的方法保持同步。 復(fù)位電路 復(fù)位電路 （如圖 ） 主要有一個(gè)按鍵開關(guān)和一個(gè)電阻構(gòu)成。在上電或復(fù)位過程中，控制 CPU的復(fù)位狀態(tài)：這段時(shí)間內(nèi)讓 CPU 保持復(fù)位狀態(tài)，而不是一上電或剛復(fù)位完畢就工作，防止 CPU 發(fā)出錯(cuò)誤的指令、執(zhí)行錯(cuò)誤操作，也可以提高電磁兼容 性能。無論用戶使用哪種類型的主控芯片 ,總要涉及到復(fù)位電路的設(shè)計(jì)。而復(fù)位電路設(shè)計(jì)的好壞，直接影響到整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性。本設(shè)計(jì)主要通過手動(dòng)按鈕復(fù)位，把電平給拉低。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)“死機(jī)”、“程序跑飛”或“卡住”等等，按下復(fù)位按鈕可以使系統(tǒng)重新開始，廣東技術(shù)師范學(xué)校天河學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 16 回到最初的運(yùn)行的狀態(tài)。 圖 復(fù)位電路 鍵盤電路 圖 鍵盤電路 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的命令輸入模塊是鍵盤電路 （如圖 ） 和時(shí)鐘電路，通過以按鍵的方式向 FPGA 控制系統(tǒng)表達(dá)人的命令來實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的 啟動(dòng)、 正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止和加減速，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互換。 SW1是 電機(jī)的開啟鍵或停止鍵，就是當(dāng) SW1鍵一開始按下，直流電機(jī)就 開始啟動(dòng)工作，再按一次 SW1鍵，直流電機(jī)就停止 運(yùn)行 。 SW2鍵和 SW3鍵分別是直流電機(jī)正轉(zhuǎn)鍵和反轉(zhuǎn)鍵。 SW4鍵和 SW5鍵分別是直流電機(jī)的加速鍵和減速鍵。例如，當(dāng)直流電機(jī)正在工作時(shí)，當(dāng)按下時(shí) SW4鍵時(shí)，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速將會(huì)增加一點(diǎn)，每按一次SW4加速鍵，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速都會(huì)增加一點(diǎn)，直到轉(zhuǎn)速達(dá)到最大為止。同理，在直流電FPGA在直流電機(jī)調(diào)速中的應(yīng)用 17 機(jī)工作時(shí)，每按一次 SW5減速鍵，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速都會(huì)減少點(diǎn)，一直到轉(zhuǎn)速減到零為止。 在鍵盤電路設(shè)計(jì)中，需要解決按鍵抖動(dòng)的問題。 多數(shù)鍵盤的按鍵均采 用機(jī)械彈性開關(guān)，一個(gè)電信號(hào)通過機(jī)械觸點(diǎn)的斷開、閉合過程，完成高低電平的切換。由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開關(guān)在閉合和斷開的瞬間必然伴隨一連串的抖動(dòng)。 為了排除抖動(dòng)的影響， 在按鍵和輸出端并上一個(gè)電阻并把電拉高。 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路 （如圖 ） 可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)的，由于本設(shè)計(jì)只用一個(gè)直流電機(jī)，所以就畫了一組。通過程序來控