51单片机之直流电机实验

1.直流电机的基本模型

下图是最简单的两极直流电机模型，其固定部分（定子）是两个静态磁极N、S；旋转部分(转子)为电枢线圈abcd，线圈的一端和末端分别接收两个相互绝缘的弧形换向片。换向片和一对静止电刷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连接。

2.直流电机的工作原理

如上图左图所示，电刷上有直流电流 A 通过线圈流入abcd，从电刷 B 根据电磁力定律，载流导体ab和cd受电磁力的影响，其方向可由左手定则确定，两段导体受力形成转矩，使转子逆时针旋转。如果转子转到上图右图所示的位置，刷子 A 接触换向片2，刷子 B 直流电流从电刷接触换向片1 A 流入，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左手定则还可以确定电磁力的方向，它们产生的扭矩仍然使转子逆时针旋转。这就是直流电机的工作原理。此外，电源是直流的，但由于刷子和换向器的作用，流过线圈的电流是交流的，而扭矩的方向是不变的。

将直流电机的工作原理归结如下：

通过电刷将直流电源连接到电枢绕组，使电枢导体有电流。

电机内部有磁场。

载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力 f 的作用

转子作用于所有导体产生的电磁力n(转/分)旋转以拖动机械负载。

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 ）

定子主要部件包括直流电机的定子主磁极、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。大多数直流电机的主磁极不是永久磁铁，而是由励磁绕组通过直流电流建立磁场。主磁极由主磁极铁芯和铁芯上的励磁绕组组成。主磁极铁芯靠近转子一端的扩展部分称为极靴，其作用是减少气隙磁阻，改善主磁极磁场分布，使励磁绕组易于固定。为减少转子旋转时齿槽移动引起的铁消耗，主磁极铁芯采用1~1.5mm低碳钢板冲压固定在一定形状。主磁极配有励磁绕组，整个主磁极用螺钉固定在座椅上。主磁极的数量必须是偶数，励磁绕组的连接必须使相邻主磁极的极性按照 N，S 极交替出现。

机座 ——底座有两个功能，一个是主磁极的一部分，另一个是电机的结构框架。 底座被称为磁通道的堆叠部分。底座一般用厚钢板弯曲成圆柱形，或用铸钢件（小底座用铸铁件）制成。底座的两端都有端盖。

换向极 ——换向极是安装在两个相邻主磁极之间的小磁极，其作用是改善直流电机的换向，使电机运行时不产生有害火花。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。换向极的数量一般等于主磁极的极数，在功率很小的直流电机中，也有不安装换向极的。换向极绕组在使用中与电枢绕组串联，需要流过较大的电流。因此，像主磁极的串励绕组一样，导线有较大的截面。

端盖 —— 端盖安装在座椅两端，通过端盖中的轴承支撑转子，将固定转子连接在一起。同时，端盖也保护了电机的内部。

电刷装置——刷装置是电枢电路的引入（或引入）装置，由刷、刷、刷杆和连接组成。如下图所示，刷是由石墨或金属石墨组成的导电块。用弹簧按压换向器表面，旋转时与换向器表面形成滑动接触。用螺钉夹住刷杆。每个刷杆上的一排刷子形成一个刷组，与极性刷杆连接在一起，然后引入出线盒。刷杆安装在可移动的刷杆座上，以调整刷子的位置。

直流电机的旋转部分称为转子，又称电枢。转子包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、轴承、风扇等。

电枢铁心 —— 电枢铁心不仅是主磁路的组成部分，也是电枢绕组的支撑部分；电枢绕组嵌入电枢铁心槽中。为了减少电枢铁芯内的涡流损耗，铁芯一般为0厚.5mm冲齿槽的型号是DR530或DR如下图所示，510硅钢片叠压夹紧。小电机的电枢铁心冲片直接压在轴上，大电机的电枢铁心冲片先压在转子支架上，再将支架固定在轴上。为改善通风，冲片可沿轴向分为几段，形成径向通风管。

电枢绕组——电枢绕组由一定数量的电枢线圈按一定规律连接而成。它不仅是直流电机的电路部分，也是感应电势并产生电磁转矩转换机电能量的部分。线圈用绝缘圆形或矩形截面的导线缠绕，上下两层嵌入电枢铁心槽中。上下两层与电枢铁心之间应妥善绝缘（下图），并用槽楔压紧。大型电机电枢绕组的端部通常紧固在绕组支架上。

换向器——前面已经指出，在直流发电机中，换向器起整流作用，在直流电机中起着逆变作用，所以换向器是直流电机的关键部件之一。换向器由许多鸽尾形的换向片排列成圆筒，由云母片绝缘，两端用两个V形环夹紧，如下图所示。每个电枢线圈的前端和别焊接到相应换向片的升高片中。塑料换向器常用于小型电机，用换向片排成圆筒，然后用塑料通过热压制成。

直流电机的驱动电路图如下：

直流电机的驱动芯片是ULN2003，ULN2003是达林顿晶体管阵列集成电路，单片高压高电流。它是由7对NPN由达林顿管组成，其高压输出特性和阴极钳位二极管可转换感应负载。单个达林顿对的集电极电流为500mA。并联的达林顿管能承受更大的电流。该电路主要用于继电器驱动器、字锤驱动器、灯驱动器（LED气体放电)、线路驱动器和逻辑缓冲器。
ULN2003年每对达林顿管都有2个.7kΩ串联电阻可直接与TTL或5V CMOS装置。
主要特点
* 500mA 额定集电极电流(单个输出)
* 高压输出：50V
* 与各种逻辑类型兼容
* 继电器驱动器

ULN2003芯片的逻辑图如下：

当相应的B引脚输入1时，相应的C引脚输出0，当 当相应的B引脚输入0时，相应的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
   {
  
   }
   	  
   }