专题1-直流有刷电机控制培训讲学

右手定则：在磁场中运动的导体因切割磁力线会感生出电动势E——磁生电
其大小为： E=vBL sinθ
其中：v为导体的运动速度（单位m/s），B为磁感应强度 （单位T），L为导体长度（单位m），θ为：B 和L的夹角。
如果一条直的金属导线通过电流，那么在导线周围的空间将产生圆形磁场。——电生磁 导线中流过的电流越大，产生的磁场越强。磁场成圆形，围绕导线周围。磁场的方向可以根据
不能一圈圈转。普通直流电机无法反馈转动的角度信息，而舵机可以。用途也不同，普通直流 电机一般是整圈转动做动力用，舵机是控制某物体转动一定角度用（比如机器人的关节）。
左手定则：位于磁场中的载流导体，会受到力的作用，力的方向可按左手定则确定，如图所示： 伸开左手，使大拇指和其余四指垂直，把手心面向 N 极，四指顺着电流的方向，那么大拇指所 指方向就是载流导体在磁场中的受力方向。——磁+电->力
优点：价格低、控制方便 缺点：由于电刷和换向器的存在，有刷电机的结构复
杂，可靠性差，故障多，维护工作量大，寿命短，换 向火花易产生电磁干扰。
在有刷直流电机的固定部分有磁铁(主磁极)和电刷。转动部分有环形铁芯和绕在环形铁芯上的绕 组。
两极有刷直流电机的固定部分(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)上装设电枢铁芯。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁芯上放置了由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，
优点：控制简单，低速扭矩大，成本低； 缺点：步进电机存在空载启动频率，所以
步进电机可以低速正常运转，但若高于一 定速度时就无法启动，并伴有尖锐的啸叫 声；同时，步进电机是开环控制，控制精 度和速度都没有伺服电机那么高。
无刷直流电机(BLDCM)是在有刷直流电机的基础上发展来的，但它的驱动电流是不折不扣的交流。 一般地，无刷电机的驱动电流有两种，一种是梯形波(方波)，另一种是正弦波。有时候把前一种 叫直流无刷电机(BLDC)，后一种叫永磁同步电机(PMSM)，确切地讲也是交流伺服电机的一种。
电机：俗称“马达”，依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。包括：电动机
和发电机。
电动机在电路中是用字母M表示，它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动
力源，发电机在电路中用字母G表示，它的主要作用是利用机械能转化为电能。
Байду номын сангаас
电机控制：对电机的启动、加速、运转、减速及停止进行的控制。
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A和B，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路 接通。
伺服电机广泛应用于各种控制系统中，能将输入的电压信号转换为电机轴上的机械输出量，拖 动被控制元件，从而达到控制目的。伺服电机系统见下图。一般地，伺服电机要求电机的转速 要受所加电压信号的控制；转速能够随着所加电压信号的变化而连续变化；转矩能通过控制器 输出的电流进行控制；电机的反映要快、体积要小、控制功率要小。伺服电机主要应用在各种 运动控制系统中，尤其是随动系统。
伺服电机有直流和交流之分，最早的伺服电 机是一般的直流电机，在控制精度不高的情 况下，才采用一般的直流电机做伺服电机。 当前随着永磁同步电机技术的飞速发展，绝 大部分的伺服电机是指交流永磁同步伺服电 机或者直流无刷电机。
优点：可使控制速度，位置精度非常准确， 效率高，寿命长。
缺点：控制复杂，价格昂贵，需要专业人士 才能控制。
步进电机就是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构；更通俗一点讲：当步进驱动器接收到一 个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。我们可以通过控制脉冲的 个数来控制电机的角位移量，从而达到精确定位的目的；同时还可以通过控制脉冲频率来控制 电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
“右手螺旋定则”（又称安培定则）
安培定则：用右手握住通电螺线管，使四指弯曲与电流方向一致，那么大拇指所指的那一端就 是通电螺旋管的N（北）极。
最简单的两极直流电机模型：固定部分有磁铁（主磁极）和电刷。转动部分有环形铁心和绕在 环形铁心上的绕组，以及换向片。
磁场：图中N和S是一对静止的磁极，用以产生磁场，其磁感应强度沿圆周为正弦分布。励磁绕 组——容量较小的电机是用永久磁铁做磁极的。容量较大的电机的磁场是由直流电流通过绕在 磁极铁心上的绕组产生的。用来形成N极和S极的绕组称为励磁绕组，励磁绕组中的电流称为励 磁电流If。
一般的，把方波驱动的叫做直流无刷电机(BLDC)；把 正弦波驱动的叫做永磁同步电机(PMSM)，这个实际上 就是伺服电机。
直流无刷电机与伺服电机有类似的优缺点。BLDC电机 比PMSM电机造价便宜一些，驱动控制方法简单一些。
舵机（英文叫Servo，伺服）：它由直流电机、减速齿轮组、传感器和控制电路组成的一套自动 控制系统。通过发送信号，指定输出轴旋转角度。舵机一般而言都有最大旋转角度（比如180 度。）与普通直流电机的区别主要在，直流电机是一圈圈转动的，舵机只能在一定角度内转动，
➢ 速度控制 ➢ 位置控制
伺服电机
交流电机
➢ 转矩控制
直流有刷电机
步进电机
直流有刷电机(Brushed DC)，由于其结构简单，操控方便，成本低廉，具有良好的启动和调速性 能等优势，被广泛应用于各种动力器件中，小到玩具，按钮调节式汽车座椅，大到印刷机械等 生产机械中都能看到它的身影。
直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组，产 生电枢电流，电枢电流产生的磁场与主磁场相互作用 产生电磁转矩，使电机旋转带动负载。
电枢绕组：在N极和S极之间，有一个能绕轴旋转的圆柱形铁心，其上紧绕着一个线圈称为电枢 绕组(图中只画出一匝线圈)，电枢绕组中的电流称为电枢电流Ia。
换向器：电枢绕组两端分别接在两个相互绝缘而和绕组同轴旋转的半圆形铜片——换向片上， 组成一个换向器。换向器上压着固定不动的炭质电刷。