直流电机的基本知识

直流电机的基本知识

1 直流电机的工作原理

永磁式直流电机是应用很广泛的一种。只要在它上面加适当电压。电机就转动。图2.1是这种电机的符号和简化等效电路[1]。

工作原理图：

图 2.1 直流电机的符号和等效电路

这种电机由定子、转子、换向器(又称整流子)、电刷等组成，定子用作产生磁场。转于是在定子磁场作用下，得到转矩而旋转起来。换向器及时改变了电流方向，使转子能连续旋转下去。也就是说，直流电压加在电刷上，经换向器加到转子线圈，流过电流而产生磁场，这磁场与定子的固定磁场作用，转子被强迫转动起来。当它转动时，由于磁场的相互作用，也将产生反电动势，它的大小正比于转子的速度，方向和所加的直流电压相反。图 2.1(b)给出了等效电路。Rw代表转子绕组的总电阻，E代表与速度相关的反电动势。

永磁式换流器电机的特点：

当电机负载固定时，电机转速正比于所加的电源电压。

当电机直流电源固定时，电机的工作电流正比于转予负载的大小。

加于电机的有效电压，等于外加直流电压减去反电动势。因此当用固定电压驱动电机时，电机的速度趋向于自稳定。因为负载增加时，转子有慢下来的倾向，于是反电动势减少，而使有效电压增加，反过来又将使转子有快起来的倾向，所以总的效果使速度稳定。

当转子静止时，反电动势为零，电机电流最大。其最大值等于V／Rw(这儿V是电源电压)。最大·电流出现在刚起动的条件。

转子转动的方向，可由电机上所加电压的极性来控制。

体积小、重量轻、起动转矩大。

由于具备上述的那些特点，所以在医疗器械、小型机床、电子仪器、计算机、气象探空仪、探矿测井、电动工具、家用电器及电子玩具等各个方面，都得到广泛的应用。

对这种永磁式电机的控制，主要有电机的起停控制、方向控制、可变速度控制和速度的稳定控制。

2 电机的起／停控制

电机的起／停控制，最简单最原始的方法是在电机与电源之间，加一机械开关。或者用继电器的触点控制。

现在比较流行的方法，是用开关晶体管来代替机械开关，无触点、无火花干扰，速度快。电路如图2.2(a)所示。当输入端为低电平时，开关晶体管Q1截止，电机无电流而处于停止状态。如果输入端为高电平时，Q1饱和导通，电机中有电流，因此电机起动运转。图中二极管D1和D2是保护二极管，防止反电动势损坏晶体管。电容C1是消除射频干扰而外加的。R1基极限流电阻，限制Q1的基极电流。在6V电源时，基极电流不超过52mA。在这种情况下，Q1提供电机的最大电流为1A左右。

图 2.2 用晶体管控制电机启停,(b)增强灵敏度

图 2.2(a)的电路，因基极电流需外部驱动电路。如果再增加一级缓冲放大，如图2.2(b)的电路，驱动电流减少到2mA。R3限制Q1的基极电流到安全值。其他元件作用与(a)图中相同。

3 电机的方向控制

水磁式换流器电机的转动方向，可以用改变电源极性的方法，使电机反转。如果用正、负双极性电源，可用一个单刀进行转换，如图 2.3(a)所示。因为电机的电流直接通过开关，容易烧坏开关接点。所以可以改用功率开关晶体管来代替机械开关，就可以克服上述缺点。电路如图2.3(b)所示。

图 2.3 电机方向控制

电路工作原理：当开关SW1置于“正转”位时，Q1和Q3的基极加上偏流；Q2和Q4的偏置电路被断开。所以Q1和Q3导通，Q2和Q4截止。电流从V＋→Q3发射极→Q3集电极→电机正端→电机负端→地形成回路，此时电机正转。同理，如果SW1置于“反转’位置时，Q2和Q4得到偏流而导通；01和Q3截止。电流从电源地端→电机负端→电机正端→Q4集电极→Q4发射极→电源负端形成回路，故电机电源与上述情况相反，因此电机反转。而SW1置于断时，电机停止转动。

图 2.3(b)电路中SW1要转接正、负电源。在接口电路的应用中，用电子开关来代替SW1就比较困难。为了克服这个缺点，可用图2.3(c)的电路加以改进。图2.3(c)中的SW1就很容易用电子开关来代替。在这个电路中，SW1置于“正转”位置时，Q1和Q3导通，Q2和Q4截止。SW1置于“反转”位置时，Q2和

Q4导通，Q1和Q3截止。

4 电机的速度控制

直流电机的转速与所加的电压有效值成正比。图2.4是12V直流电机的可变电压速度控制。图中Q1和Q2是复合管射极跟随器，电机的直流电压可从0V变到12v。这种电路的特点是：在中速和高速时，速度的控制和自动调节的性能很好。但是低速和慢启动特性比较差。

用开关方式或脉宽调制，可以获得非常好的速度控制性能。电路图如 2.5所示：

图 2.4 12V DC电机速度控制

图 2.5 12V直流电机开关方式速度控制

图中IC1作为50Hz的无稳多谐振荡器，它产生一个矩形波输出，占空比可变从20比1到1比20，由RV1进行调节。这个波形经过Q1和Q2送到电机，电机

上的电压有效值是随RV1的调节而变化的(总的周期是50HZ)。不过电机上所加上的电压，是具有峰值电压为12V的功率脉冲。因此在整个调速范围内；性能都非常好。即使在很低的速度，转矩也很大。速度控制的程度，正比于所加电压的有效值。