51单片机之直流电机实验

1、直流电机的基本模型

    下图为一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分（定子）为两个静止的磁极N、S；旋转部分（转子）为电枢线圈abcd，线圈的首端和末端分别接到两个相互绝缘的圆弧形的换向片上。换向片与一对静止的电刷B1、B2接触，B1接电源正极，B2接电源负极。电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。

2、直流电动机的工作原理

  

    如上图左图所示，则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到如上图右图所示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。

　　此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。

　　将直流电动机的工作原理归结如下：

　　将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流流过。

　　电机内部有磁场存在。

　　载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力 f 的作用

　　所有导体产生的电磁力作用于转子，使转子以n（转/分）旋转，以便拖动机械负载。

3、直流电机的结构

电机 包括 定子（电磁部分，机械部分）和转子（机械部分，电磁部分 ）

 定子的主要部件包括：直流电机的定子由主磁极、机座、换向极、端盖和电刷装置等部件组成。

主磁极 主磁极的作用是建立主磁场。绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。主磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为极靴，它的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并使励磁绕组容易固定。为了减少转子转动时由于齿槽移动引起的铁耗，主磁极铁心采用1～1.5mm的低碳钢板冲压一定形状叠装固定而成。主磁极上装有励磁绕组，整个主磁极用螺杆固定在机座上。主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按 N，S 极交替出现。

机座 ——机座有两个作用，一是作为主磁极的一部分，二是作为电机的结构框架。 机座中作为磁通通路叠部分称为磁轭。机座一般用厚钢板弯成筒形以后焊成，或者用铸钢件（小型机座用铸铁件）制成。机座的两端装有端盖。

换向极 ——换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的作用是改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。换向极结构和主磁极类似，是由换向极铁心和套在铁心上的换向极绕组构成，并用螺杆固定在机座上。换向极的个数一般与主磁极的极数相等，在功率很小的直流电机中，也有不装换向极的。换向极绕组在使用中是和电枢绕组相串联的，要流过较大的电流，因此和主磁极的串励绕组一样，导线有较大的截面。

端盖 —— 端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，将定转子连为一体。同时端盖对电机内部还起防护作用。

电刷装置——电刷装置是电枢电路的引出（或引入）装置，它由电刷，刷握，刷杆和连线等部分组成，下图所示，电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在刷握内用弹簧以一定的压力按放在换向器的表面，旋转时与换向器表面形成滑动接触。刷握用螺钉夹紧在刷杆上。每一刷杆上的一排电刷组成一个电刷组，同极性的各刷杆用连线连在一起，再引到出线盒。刷杆装在可移动的刷杆座上，以便调整电刷的位置。

直流电机的转动部分称为转子，又称电枢。转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、轴承、风扇等。

电枢铁心 —— 电枢铁心既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组支撑部分；电枢绕组就嵌放在电枢铁心的槽内。为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用厚0.5mm且冲有齿、槽的型号为DR530或DR510的硅钢片叠压夹紧而成，如下图所示。小型电机的电枢铁心冲片直接压装在轴上，大型电机的电枢铁心冲片先压装在转子支架上，然后再将支架固定在轴上。为改善通风，冲片可沿轴向分成几段，以构成径向通风道。

电枢绕组——电枢绕组由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，他是直流电机的电路部分，也是感生电动势，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。线圈用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，分上下两层嵌放在电枢铁心槽内，上下层以及线圈与电枢铁心之间都要妥善地绝缘（下图），并用槽楔压紧。大型电机电枢绕组的端部通常紧扎在绕组支架上。

换向器——前面已经指出，在直流发电机中，换向器起整流作用，在直流电动机中，换向器起逆变作用，因此换向器是直流电机的关键部件之一。换向器由许多具有鸽尾形的换向片排成一个圆筒，其间用云母片绝缘，两端再用两个V形环夹紧而构成，如下图所示。每个电枢线圈首端和尾端的引线，分别焊入相应换向片的升高片内。小型电机常用塑料换向器，这种换向器用换向片排成圆筒，再用塑料通过热压制成。

 

直流电机的驱动电路电路图为：

    直流电机的驱动芯片是ULN2003，ULN2003是一个单片高电压、高电流的达林顿晶体管阵列集成电路。它是由7对NPN达林顿管组成的，它的高电压输出特性和阴极箝位二极管可以转换感应负载。单个达林顿对的集电极电流是500mA。达林顿管并联可以承受更大的电流。此电路主要应用于继电器驱动器，字锤驱动器，灯驱动器，显示驱动器（LED气体放电），线路驱动器和逻辑缓冲器。
  ULN2003的每对达林顿管都有一个2.7kΩ串联电阻，可以直接和TTL或5V CMOS装置。
  主要特点
  * 500mA 额定集电极电流（单个输出）
  * 高电压输出：50V
  * 输入和各种逻辑类型兼容
 * 继电器驱动器 

ULN2003芯片的逻辑图为：

当相应的B引脚输入1时，对应的C引脚输出0，而当 相应的B引脚输入0时，对应的C引脚输出1.

  实际物理连线图如下：

          

 示例程序如下：

   #include "reg52.h"

   sbit motor = P1^0;

   typedef unsigned char u8;
   typedef unsigned int u16;

 

 


   void delay(u16 x)
   {
   	  while(x--);
   }

   void main()
   {
   
   u8 i;

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

   motor = 0; //电机先停止
   
   for(i = 0; i < 100; i ++) //运行一段时间
   {
   motor = 1;
   delay(5000);
   }

   motor = 0; //电机最终停止

   while(1) //空跑
   {
  
   }
   	  
   }