(完整PPT)第四章__机电一体化系统的执行元件——控制电动机课件

1、 作业 1、以三相步进电机为例，画简图叙述其基本工作原理。 2、三相步进电机不同通电方式有何特点？ 3、若用单片机控制三相步进电机，试说明如何实现三相双三拍通电方式的软环分。 4、直流伺服电动机有何优点？其结构特点是什么 ？ 5、画出直流伺服电机PWM双极性控制的T形直流调压驱动电路，并叙述其基本原理 。 异步电动机、直流电动机等都是作为动力使用的，其主要任务是能量的转换。各种控制电机有各自的控制任务：如: 步进电动机将脉冲信号转换为角位移或线位移。 伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱动控制对象； 直线电动机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。 本章

2、介绍的各种控制电机的主要任务是转换和传递控制信号，能量的转换是次要的。 控制电机的种类很多，本章只讨论常用的几种:步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机和直线电动机。概 述伺服（随动）系统 ：在机电一体化控制系统中，输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统。它用来控制被控对象的转角（或位移），使其能自动地、连续地、精确地复现输入指令的变化规律。 伺服系统的基本组成：控制器、功率放大器、执行机构和检测装置等四大部分，如图5.1所示。 图5.1 伺服系统的组成 伺服系统的种类：按控制方式划分开环伺服系统、闭环伺服系统、半闭环系统，以及由它们组合的复合伺服控制系统。2）按使用驱动元件划

3、分：步进伺服系统、直流伺服系统、交流伺服系统、液压伺服系统、气压伺服系统。第四章 机电一体化系统执行元件 控制第一节 概 述 一、功能： 执行元件是伺服系统的组成部分，也是机电一体化系统的重要组成部分，用来将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。是一种能量变换元件。处于机电一体化系统的机械运行机构与微电子控制装置的接点（联接）部位的能量转换元件 机电一体化伺服系统要求执行元件具有转动惯量小，输出动力大，便于控制，可靠性高和安装维护简便等特点。 二、执行元件的种类及特点 根据使用能量的不同，执行元件主要分为电磁（气）式、液压式和气压式三大类型，如图所示。 常用执行元件的种类交流(A

4、C)伺服电机直流(DC)伺服电机步进电机其它电机双金属片形状记忆合金压电原件其它电磁铁及其它与材料有关气压马达气缸液压马达油缸电动机电磁式液压式气动式执行元件各种执行元件的特点 1、电气执行元件 电气执行元件主要是直流（DC）伺服电机、交流（AC）伺服电机和步进电机。能实现定位伺服，响应快，易于CPU接口，体积小，动力大，无污染。对这些伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态性能好，适合于频繁使用，便于维修等，自动化控制系统中应用广泛。 2、液压式执行元件 液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回转油缸、液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况下，液压元件具有重量轻、快速性好，运行

5、平稳等特点。 广泛应用于大功率控制系统。3、气压式执行元件 气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差且具有可压缩性，故不能在定位精度要求较高的场合使用，在中、小功率化工石油设备（防爆）、机械工业生产自动化上应用较多。三、对伺服控制电动机的基本要求（2）快速性好 加速度大、响应特性好。 （3）位置控制与速度控制精度高、调速范围大、低速平稳性好、分辨率高以及振动噪音小。 （4）能适应频繁启动，可靠性高、寿命长。 （5）易于与计算机接口，实现计算机控制。 为实现运动、功率/能量、控制运动方式的转换，对伺服控制电动机

6、提出了一些基本要求。 （1）惯性小、功率大直流电源电刷换向器线圈U+NS电刷换向片II15直流与交流伺服电动机熟悉直流电机的工作原理直流电机的基本工作原理IUSbNadc 当直流电源接通后，电流从电源正极经电刷A和换向片进入位于N极区的电枢线圈边ab，再从位于S极区的线圈边cd流出，最后经另电刷换向片IffTn一个换向片和电刷B流到电源负极，如图所示。线圈ab和cd作为载流导体要受到磁场力（安培力）的作用，力的方向可用左手定则判定。可用判定出，ab受到向左的力f，cd受到向右的力f，这两个力对转轴形成逆时针方向力矩，线圈被驱动沿逆时针方向转动。因此，电枢逆时针方向旋转。BA直流电机的基本工作原

7、理 当电枢转动180以后，线圈边ab和cd位置如图所示，而换向器也与线圈同时转动，从而保证了两磁极间的线圈边中电流的方向总是不变，这也就保证了线IUScNdab电刷换向片IffTnBA圈所受电磁力矩的方向不变，电枢将沿着逆时针方向继续旋转下去，就是说，不管ab边还是cd边，哪条边转到上半部位（靠近N极），哪条边就将受到向左的力；哪条边转到下半部位（靠近S极），哪条边就将受到向右的力，因而整个线圈所受力矩的方向始终不变。 直流电动机的工作原理 换向片电刷直流电机的基本工作原理 通过上述分析可知，换向器的作用是保证当直流电动机电枢上的导体从一个磁极转到另一个磁极下的时候，导体内的电流也能及时换向，

8、从而保证电枢的电磁转矩方向不变，使电动机转向不变。换向器作用：将外部直流电转换成内部的直流电，以保持转矩方向不变。IUScNdab电刷换向片IffBA第四节 步进电动机 一、步进电动机的特点 步进电动机又称脉冲电动机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其输入一个电脉冲就转动一步，即每当电动机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电动机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向、很容易用微机实现数字控制。 一、概述 1、步进电动机简介 步进电动机是一种将电脉冲信

9、号角位移的执行元 件,其特点如下： （1）步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，它 的转子便转过一个确定的角度，即步距角。 （2）改变步进电动机定子绕组的通电顺序，转子的旋 转方向随之改变。 （3）步进电动机定子绕组通电状态的改变速度越快， 其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率 越高，转子的转速越高。 （4）角位移量与电脉冲数成正比。 2、步进电机的独特优点 （1）控制性能好，起动、停止、换向及其它任何运动形式的改变，可在若干个脉冲内完成。 （2）步距角不易受各种干扰因素的影响，抗干扰能力强。 （3）误差不长期积累，电机每转动一步距角，尽管存在一定的转角误差，但电机转动360时，转角累

10、计误差将归零。 （4）具有自锁能力，一旦停止输入脉冲，只要维持绕组通电，即可保持其固定位置。 （5）易于实现与计算机的接口。 基本结构14 23定子上有6个齿，其上分别缠有U、V、W三相绕组，构成三对磁极；(2) 转子上则均匀分布着4个齿。U1U2V1V2W2W1定子转子 步进电动机采用直流电源供电。当U、V、W三相绕组轮流通电时，通过电磁力的吸引，步进电动机转子一步一步地旋转。 二、步进电动机的结构与工作原理 1、结构组成 主要由定子和转子构成，定子包括定子铁芯和定子绕组。定子铁芯由硅钢片叠压而成，定子绕组绕在定子铁芯6个均匀分布的磁极上，在直径方向上相对的两个磁极上的线圈串联在一起，构成一

11、相控制绕组。图示的步进电动机构成U、V、W三相控制绕组，故称三相步进电动机。转子用硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸极结构，转子上无绕组反应式步进电机；若为永久磁铁永磁式步进电机。 2、工作原理 当通电顺序为UVWU时，假设U相绕组首先通电，气隙中产生一个沿U1U2轴线方向的磁场，由于磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合，于是产生磁拉力使转子1、3两齿与U相绕组轴线U1U2对齐；然后U相断电，V相通电，气隙中产生一个沿V1V2轴线方向的磁场，产生磁拉力使转子2、4两齿与V相绕组轴线V1V2对齐；这时转子顺时针转了30。随后V相断电，W相通电，根据同样的道理，转子又顺时针转了30。若再U相通电，W相断电，

12、那么转子再顺时针转30。定子各相轮流通电一次，转子转一个齿（或一个磁极）。步进电动机定子绕组按UVWUVWU依次轮流通电，步进电动机转子就一步步地按顺时针方向旋转。14 2314 2314 2314 23U1U2V1V2W2W1三相单三拍运行（每次切换前后只有一相绕组通电，其余绕组断电） 通电顺序： U 相V 相W 相U 相。 U 相通电 14 23U1U2V1V2W2W114 23 V 相通电 U1U2V1V2W2W1 W 相通电 14 2314 23一步两步三步 对于定子为N相、转子有z个齿的步进电机，转子每转一周所需的步数为Nz步。 转子顺时针旋转一步所对应的角度称为步距角 30。电流换

13、接三次，磁场旋转一周，转子转过一个磁距的位置，一个磁距所对应的角度称为齿距角（4个齿，90度）。若要反向，通电顺序为：UWVU2、工作原理通电顺序为：UWVU称为三相单三拍运行。 单： 是指每次只有一相定子的绕组通电；“一拍”：从定子的一相绕组通电换接到另一相绕组通电。每一拍转子转过一个步距角。“三拍”：是指一个循环周期只换接了三次。 如UWV 步进电动机三相单三拍运行时，由于切换时在一相绕组断电而另一相绕组通电的交替时刻容易造成转子失步，由单一绕组通电吸引转子也容易造成转子在平衡位置附近产生振动，故运行稳定性差，所以实际中很少应用三相单三拍方式。2、工作原理三相双三拍运行（每次切换前后有两相

14、绕组通电） 通电顺序： UV 相VW 相WU 相。 14 23U1U2V1V2W2W1 UV 相通电 14 2314 23U1U2V1V2W2W1 VW 相通电 14 2314 23U1U2V1V2W2W1 WU 相通电 14 23 步距角： = 30特点：力矩较大，定位精度高而不易失步。转子每转一周所需的步数也为Nz步。14 2314 23(3) 三相单双六拍运行（单、双相通电交替出现）通电顺序：UUV VVW W WU U。14 23U1U2V1V2W2W1114 23U1U2V1V2W2W1214 23U1U2V1V2W2W1314 23U1U2V1V2W2W1414 23U1U2V1V

15、2W2W1514 23U1U2V1V2W2W1614 23步距角： = 15 步进电动机的转子每转一周所需的步数也为2Nz步。 3、小步距角步进电机 以上讨论的步进电动机其步距角都比较大，往往不能满足传动设备对精度的要求。为了减小步距角，实际应用中的步进电动机通常将定子的每一个磁极分成许多小齿，转子也由许多小齿组成。且定子U2U1W2W1V1V2和转子的齿宽、齿距相等。当U相定子小齿与转子小齿对正时，V相和W相定子上的齿则处于错开状态，如图所示，是一种小步距角结构形式的三相反应式步进电动机。 3、小步距角步进电机 3、小步距角步进电机小步距角步进电机定子、转子展开图 通电方式不仅影响步进电动机

16、的矩频特性，对步距角也有影响。一个N相（即步进电动机运行的拍数）步进电动机，如其转子上有z个小齿，则其步距角可通过下式计算：式中，k是通电方式系数。当采用单相或双相通电方式时，k1；当采用单双相轮流通电方式时，k2。可见，采用单双相轮流通电方式还可使步距角减小一半。 例如，若z =40，三相单（双）三拍通电方式： =3；三相六拍通电方式： =1.5 步进电机的步距角决定了系统的最小位移，步距角越小，位移的控制精度越高。 电子电路中的信号模拟信号数字信号（脉冲信号）时间上连续变化的时间和幅度都是跳变的处理此类信号的电路模拟电路（如整流电路、放大电路等）处理此类信号的电路数字电路（TTL,COMS

17、等）特点：注重电路的输入、 输出大小、相位关系特点：注重电路的输入、输出的逻辑关系脉冲信号的波形及参数 在数字电路中，信号（电压和电流）是脉冲的。脉冲是一种跃变信号,并且持续时间短暂。矩形波尖顶波最常见的脉冲波形脉冲周期T:相邻两个上升沿（或下降沿）的脉冲幅度的10两点之间的时间间隔。脉冲频率f:单位时间的脉冲数，f=1/T脉冲幅度 A脉冲上升沿 tr 脉冲周期 T脉冲下降沿 tf 脉冲宽度 tp 脉冲信号的部分参数：A0.9A0.5A0.1AtptrtfT实际的矩形波正脉冲负脉冲脉冲信号变化后的电平值比初始电平值高脉冲信号变化后的电平值比初始电平值低返回目录 脉冲信号的逻 辑状态高电平 用1

18、 表示低电平 用0 表示步进电动机转子转速的计算： 如果脉冲的频率为 f Hz， 的单位为度，则转速（r/min)为：一个步距角脉冲频率为 fN定子绕组的相数（即步进电动机运行的拍数），N也表示输入的脉冲数目。 控制输入给步进电机的脉冲数目N可以控制步进电机的角位移。结论 控制输入给步进电机的脉冲的频率可以控制步进电机的转速 。 控制步进电机定子绕组的通电顺序可以控制步进电机的转动方向 。n =60 fz NN四、步进电机的主要性能指标 1、步距角 指每给一个脉冲，步进电机转子所应转过的角度的理论值。 同一台步进电动机，因通电方式不同，运行时步距角也是不同的。 步距角的确定：若通电方式和系统的

19、传动比i已初步确定，则b应满足： i max式中max为负载轴要求的最小位移增量（或脉冲当量，即每一个脉冲所对应的负载轴的位移增量）。 2、静态特性 指步进电机在稳态工作条件下的特性，包括：矩角特性、静转矩及静态稳定特性等。 当转子带有负载力矩通电时，转子就不再能和定子上的某极对齐，而是相差一定的角度，该角度所形成的电磁转矩正好和负载力矩相平衡。这个角度称为失调角。 步进电动机所能带的静转矩是受到限制的，最大静转矩表示步进电机的承受载荷的能力。 单相通电时的矩角特性静态稳定区TeTjmax-/2/20最大静态转矩静态转矩越大，静态误差就越小3、动态特性参数 主要指动态稳定区、启动转矩、矩频特性

20、、惯频特性等。 最高连续运转频率fmax步进电机连续运转时所能接受的最高控制频率fmax，称最高连续运转频率。 矩频特性步进电机连续运转转矩随频率的增加而降低的特性，称为矩频特性。 原因分析： 定子绕组本身为一感性负载； f 增大，磁通量的变化加剧，铁芯的涡流损失加大。 启动频率：我们把不失步启动的最高脉冲频率称为启动频率，也称突跳频率，是步进电动机的一项重要性能指标。失步：转子前进的步数不等于输入的脉冲数，包括丢步和越步两种情况。运行频率：是指步进电动机起动后，当控制脉冲频率连续上升时，步进电动机能不失步的最高频率。 启动频率和运行频率启动矩频特性 当伺服系统要求步进电动机的运行频率高于最大

21、允许启动率时，可先按较低的频率启动， 然后按一定规律逐渐加速到运行频率。图给出了90BF002型步进电动机的启动矩频特性曲线。由图可见， 负载转矩越大， 所允许的最大启动频率越小。 运行矩频特性 空载启动频率在空载状态下，步进电机能够不失步启动的最高脉冲频率称为空载启动频率，也称突跳频率，是步进电动机的一项重要性能指标。 图是90BF002型步进电动机的运行矩频特性曲线。 图 不同通电方式时的矩频特性 右图是某三相反应式步进电动机在不同通电方式下工作时的矩频特性曲线。显然，采用单双相轮流通电方式可使步进电动机在各种工作频率下都具有较大的负载能力。五、步进电机的控制与驱动 步进电动机的定子绕组通

22、断电次数和各相通电顺序决定了输出角位移和运动方向，控制脉冲分配频率可实现步进电动机的速度控制。因此，步进电机控制系统一般采用开环控制方式。图示为开环步进电动机控制系统框图，系统主要由环形分配器、功率驱动器、步进电动机等组成。 环形分配器功率驱动器步进电动机负载指令脉冲输出驱动电源 驱动电源将变频信号源送来的脉冲信号及方向信号按照要求的配电方式自动地循环供给给步进电动机的定子的各相绕组，以驱动步进电动机的转子正反向转动。 1、环形脉冲分配器 定义：步进电机的各相绕组必须按照一定的顺序通电才能正常工作，这种使电机绕组的通电方式按一定规律变化的电子部件称为环形脉冲分配器。 实现环形分配的方法有两种。

23、 (1) 软环分：即计算机软件分配，采用查表或计算的方法进行脉冲分配。这种方法能充分利用计算机软件资源，减少硬件成本，尤其是多相电动机的脉冲分配更能显示出这种分配方法的优点。但由于软件运行会占用计算机的运行时间，因而会使插补运算的总时间增加，从而影响步进电动机的运行速度。 采用计算机软件利用查表程序来实现01H1006A05H1015CA04H0014C06H0113BC02H0102B03H1101AB反01H1000A正转向代码ABC脉冲通电状态转向通过读取数据的顺序可控制电动机的转向；通过控制脉冲的频率可控制电动机的转速。软件环分驱动控制 对于三相六拍环形分配器，每当接收到一个进给脉冲指

24、令，环形分配器软件根据下表所示真值表，按顺序及方向控制输出接口将A、B、C的值输出即可。CNC装置电源A相驱动B相驱动C相驱动CBAM （2）硬件环形分配 采用数字电路搭建或专用的环形分配器件将连续的脉冲信号经电路处理后输出环形脉冲。 采用数字电路搭建的环形分配器通常由分立元件（如触发器、逻辑门等）构成，特点是体积大，成本高，可靠性差。专用的环形分配器目前市面上有很多种，如CMOS电路CH250即为三相步进电动机的专用环形分配器；L297和PMM8714为两相绕组环分器；PMM8713为五相绕组电机环分器等。图4-39 双三拍环形分配器的原理图 硬件环行分配器的基本构成是触发器。因为步进电机有

25、几相就需要几个序列脉冲，所以步进电机有几相，就要设置几个触发器。每个触发器发出的脉冲就是一个序列脉冲，用来控制步进电机某相定子绕组的通、断电。 环形分配器CH250引脚图(a) 引脚功能； (b) 三相六拍线路图 2、功率驱动（放大）器 功率放大器实际上是一个功率开关电路，其功能是将环形分配器输出的mA级的弱信号进行功率放大，得到控制绕组所需要的脉冲电流及所需的脉冲波形。 驱动电路的分类： 按采用的功率元件分：晶闸管和晶体管功率驱动器。 按驱动形式分： 电压型：单电压型、双电压型（高低压型） 电流型：恒流驱动、斩波驱动 六、步进电机的微机控制分为串行控制和并行控制。 串行控制：连线少，需要环形

26、分配器； 并行控制：连线多，不需要环形分配器；调速方式直流伺服电机的机械特性方程为：式中， 一电枢控制电压； 一电枢回路电阻； 每极磁通； 、 分别为电动机的结构常数。 二、伺服电机及其控制光电隔离技术为了保证输入端与输出端在电气上是隔离的，两端的电源也必须是独立的。 图3-14 带光电隔离的输出接口 3 继电器输出接口 1触点式继电器的控制当线圈通电时，使开关触点闭合（或断开）；当线圈不通电时，则开关触点断开（或闭合）。 图3-15 继电器接口电路 3.4 开关量输出接口技术 实际选用继电器时应考虑下列因素： 继电器额定工作电压（或电流）； 触点负荷； 触点的数量或种类（动断或动通）； 继电

27、器的体积、封装形式、工作环境、触点吸合或释放时间等。2固态继电器的输出接口 固态继电器（Solid State Relay，SSR），它是用晶体管或可控硅代替常规继电器的触点开关，再把光电隔离器作为前级构成一个整体。 固态继电器有体积小、重量轻、无机械噪声、无抖动和回跳、开关速度快、工作可靠等优点。 图3-16 直流型SSR的电路原理图 步进电机的A、B、C三相，每相由一个直流型SSR控制，可分别由8255的端口PA0PA2来控制。 图3-17 三相步进电机控制电路原理图 4. 大功率输出接口 场效应管输入阻抗高，关断漏电流小， 响应速度快，体积较小，价格便宜。所以在计算机开关量输出控制中也常

28、作为开关元件使用。图3-18 大功率场效应管的表示符号 G为控制栅极，D为漏极，S为源极，G为高电平时，源极与漏极导通，允许电流通过；否则，场效应管关断图3-19 采用大功率场效应管的步进电机控制电路原理图 脉宽调制（Pulse Width Modulation）简称PWM技术，是利用电力电子开关器件的导通与关断，将直流电压变成连续的电压脉冲列，并通过控制脉冲宽度或周期达到变压的目的，也可以通过控制脉冲宽度和脉冲列的周期达到变压变频的目的。采用的电力电子器件：全控式晶体管，如电力晶体管（GTR）、可关断晶体管（GTO）、绝缘双极晶体管（IGBT）（3）脉宽调制器PWM变换器只对已有的脉宽可调脉

29、冲电压信号Ub进行功率放大，而给PWM变换器的电力晶体管CTR提供脉冲电压信号的就是脉宽调制器。脉宽调制器是一种电压脉宽变换装置，原理如图所示。电压-脉宽变换器的基本电路见p:149-152。下面分析以锯齿波作调制信号的另一种脉宽调制器电路。 三、脉宽调制功率变换技术在ur+uc过零交点时刻控制IGBT的通断。直流信号调制 ur+ucurucururucuc Uv ur+uc ur+uc Uv Uv3脉宽调速PWM系统的设计当开关S1、S4闭合时，电动机全速正转；当开关S2、S3闭合时，电动机全速反转；当S2、S4（或者S1、S3）闭合时，电动机绕组被短路，电动机处于刹车状态；如果4个开关全部

30、断开，电动机将自由滑行。图3-23 可逆PWM调速系统原理图 图5-17 PWM斩波器的电路原理图及波形式中 T ：开关周期；ton ：导通时间；f：开关频率；占空比，电枢压平均值均为正值，即电动机只能实现单一方向的不可逆调速。2. 桥式可逆PWM变换器H形主电路结构1324+UsVD1VD2VD3VD4ABM+MVT1VT2Ug1Ug2Ug4VT4VT3Ug3正向电动状态“1” VT1 、VT4 导通“2” VD2、VD3 续流反向电动状态“3” VT2、VT3 导通“4” VD1、VD4 续流七、步进电动机的选用 1、首先根据机械结构简图计算机械传动装置及负载折算到电动机转子轴上的等效转动

31、惯量； 2、然后分别计算各种工况下所需的等效力矩； 3、再根据步进电动机最大静转矩和起动、运行矩频特性选择合适的步进电动机。七、步进电动机的选用 1、转矩和惯量的匹配条件 TL/Tmax0.5及 JL/Jm4 Tmax步进电动机的最大静转矩；TL换算到电动机轴上的负载转矩；Jm步进电动机转子的最大转动惯量；JL折算到步进电动机转子上的等效转动惯量； 根据上述条件，初选步进电动机的型号。然后，根据动力学公式检验其起动能力和运动参数。七、步进电动机的选用fL带惯性负载的最大起动频率；fm电动机本身的最大空载起动频率；Jm步进电动机转子的最大转动惯量；JL折算到步进电动机转子上的等效转动惯量； 不同

32、JL/Jm下的矩频特性见图4-5。 从起动惯频特性曲线上找出带惯性负载的启动频率，然后再查其起动转矩和计算起动时间。当在起动惯矩特性曲线上查不到带惯性负载的最大启动频率，可按下式近似计算。七、步进电动机的选用 2、步距角的选择和精度 步距角的选择是由脉冲当量等因素决定的。步进电动机步距角的精度会影响开环系统的精度。电动机的转角N（为步距角精度） 是实际角位移与理论角位移之差，称为静止角度误差。一般取（35）。NSNS直流电动机的构造极掌极心励磁绕组机座转子直流电动机的磁极和磁路 直流电机由定子（磁极）、转子（电枢）和机座等部分构成。第二节 直流伺服电动机及其驱动定子主磁极换向极机座1. 定子:

33、用来在电机中产生磁场和进行机械固定极心极掌极心上放置励磁绕组，励磁绕组通人直流励磁电流，主磁极即产生固定的极性；改变励磁电流的方向，可以改变主磁极的极性。极掌的作用是使电机空气隙中的磁感应强度的分布最为合适,并用来阻挡励磁绕组.换向器的作用是改善换向，使电动机运行时电刷下不产生有害的火花。换向器固定在机座上。机座又称电机外壳，它既是电机磁路的一部分，又用来固定主磁极、换向极，端盖等零件。转子2. 转子（即电枢）：用来产生电动势。转子电枢铁芯电枢绕组换向器（即电枢）转子电枢铁芯：由硅钢片叠装而成。其表面冲有槽，槽中放电枢绕组。电枢绕组是由绝缘铜线绕制而成的许多个线圈，嵌放在电枢铁芯的槽内，它的作

34、用是产生感应电动势和电磁转矩。换向器也称整流子，起整流作用，其作用是使电枢绕组中电流方向交替变化，以保证其电磁转矩方向始终不变。是由换向铜片和云母片绝缘组装而成的圆柱体。3.电刷装置的作用是使旋转的电枢绕组与固定不动的外电路相连接，将直流电流引入或引出。1. 他励电动机 励磁绕组和电枢绕组分别由两个直流电源供电。 直流电机的分类 直流电机按照励磁方式可分为他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机2. 并励电动机 励磁绕组和电枢绕组并联，由一个直流电源供电。UUfIaM+_+_If他励IaUM+_If+_IE并励励磁: 磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称为励磁。4. 复励电动机 励磁线圈与

35、转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。3. 串励电动机 励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。串励UIa+_IfM复励U+_IMIa直流电机的基本工作原理IUSbNadc 直流电动机的定子磁场由永久磁铁或由定子磁极通以激磁电流产生，定子磁场的方向是不变的。电枢上通有电流的电枢绕组置于定子磁场当UU电刷换向片IFFTn中。电枢绕组由许多线圈组成。为了简化直流电动机结构以说明其工作原理，我们取其电枢中的一个单匝线圈来分析其在磁场中所受到的磁场力。如图所示，线圈abcd为绕轴可转动的线圈，线圈两端头分别与两个换向片连接，每个换向片又与一个电刷保持滑动接触，而每个电刷通过引线与直流电源相接。BA直流

36、电机的基本工作原理IUSbNadc 当直流电源接通后，电流从电源正极经电刷A和换向片进入位于N极区的电枢线圈边ab，再从位于S极区的线圈边cd流出，最后经另电刷换向片IffTn一个换向片和电刷B流到电源负极，如图所示。线圈ab和cd作为载流导体要受到磁场力（安培力）的作用，力的方向可用左手定则判定。可用判定出，ab受到向左的力f，cd受到向右的力f，这两个力对转轴形成逆时针方向力矩，线圈被驱动沿逆时针方向转动。因此，电枢逆时针方向旋转。BA直流电机的基本工作原理 当电枢转动180以后，线圈边ab和cd位置如图所示，而换向器也与线圈同时转动，从而保证了两磁极间的线圈边中电流的方向总是不变，这也就

37、保证了线IUScNdab电刷换向片IffTnBA圈所受电磁力矩的方向不变，电枢将沿着逆时针方向继续旋转下去，就是说，不管ab边还是cd边，哪条边转到上半部位（靠近N极），哪条边就将受到向左的力；哪条边转到下半部位（靠近S极），哪条边就将受到向右的力，因而整个线圈所受力矩的方向始终不变。 直流电动机的工作原理 换向片电刷直流电机的基本工作原理 通过上述分析可知，换向器的作用是保证当直流电动机电枢上的导体从一个磁极转到另一个磁极下的时候，导体内的电流也能及时换向，从而保证电枢的电磁转矩方向不变，使电动机转向不变。换向器作用：将外部直流电转换成内部的直流电，以保持转矩方向不变。IUScNdab电刷换

38、向片IffBAEE 线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势。由右手定则，感应电动势的方向与电流的方向相反。KE: 与电机结构有关的常数n: 电动机转速 ：磁通1. 电枢感应电动势 E=EK nIUScNdab电刷换向片IffBA 由图可知，电枢感应电动势E与电枢电流或外加电压方向总是相反，所以称反电势。 式中：U 外加电压 Ra 绕组电阻2. 电枢回路电压平衡式RaIaE+UMEEIUScNdab电刷换向片IffBAKT: 与电机结构有关的常数 : 线圈所处位置的磁通Ia：电枢绕组中的电流3. 电磁转矩单位: (韦伯)，Ia (安) ，T (牛顿米) 直流电动机电枢绕组中的电流（电枢电流I

39、a）与磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，直流电机的电磁转矩（是驱动转矩）公式为4. 转矩平衡关系 电动机的电磁转矩T为驱动转矩, 它使电枢转动。在电机运行时，电磁转矩必须和机械负载转矩及空载损耗转矩相平衡，即T=KT Ia 当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电动机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将自动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。转矩平衡过程T2: 机械负载转矩T0: 空载转矩 例：设外加电枢电压 U 一定，T=T2 (平衡)，此时，若T2突然增加，则调整过程为达到新的平衡点(Ia 、 P入即电源输入功率增加) 。T2 nIa T E电动机作等速转动。直流电动机的机械特性特

40、点: 励磁绕组（定子）与电枢（转子）并联由图可求得由上分析可知： 当电源电压U和励磁回路的电阻Rf（包括励磁绕组的电阻和励磁调节电阻Rf）一定时, 励磁电流If和磁通不变，即 = 常数。则IaUM+_If+_IERa为电枢电阻他励电动机和并励电动机只是联接上的不同，两者的特性是一样的。直流电动机的机械特性令：T=KT Ia = KT Ia 即：并励电动机的磁通= 常数，电磁转矩与电枢电流成正比。 由以下公式求得IaUM+_If+_IE式中：n= f (T) 特性曲线n0nNTN 并励电动机在负载变化时， 转速 n 的变化不大硬机械特性（自然特性）。改变电枢电压和电枢回路串电阻可得人工特性曲线n0T nT为电枢的电磁转矩n为电动机的转速U 外加电压改变电压调速由转速公式知：调电压U，n0变化，但斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。n0n0电压降低Tc特性曲线n0nT0改变电压调速的特点:(1)工作时电压不允许超过UN （为了保证电动机的绝缘不受损害），而n U, 所以调速只能向下调。(2)机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳 定性好。并励(他励)电动机的调速UNN电动机转速 ； 励磁电流产生的磁通；KE与电