前言

系列文章将更新直流有刷电机的工作原理、仿真控制以及应用STM32开发板及驱动板完成对直流有刷电机的实际控制。

一、直流有刷电机简介

直流有刷电机（Brushed DC Motor，BDC）：是一种内含电刷装置，可以将直流电能转换为机械能的发动机。
直流有刷电机由定子、转子、电刷以及换向器组成，如下图所示：

1、定子：产生恒定的磁场
2、转子：通电后受力可以在磁场中运动
3、电刷：将外部电流输入到转子绕组上
4、换向器：改变转子绕组上的电流流向，是电机可以持续转动的关键部件

二、直流有刷电机的工作原理

直流有刷电机的本质工作原理为：通电导体在磁场中的受力运动。由“左手定则”可判断通电导体在磁场中的受力方向。

如上图所示：C、D两个半圆周的铜片构成换向器，两个弹性铜片A、B靠在换向器两侧为电刷，电源通过电刷向内部线框供电。内部线框两侧有一对磁极N/S，磁力线由N到S，当内部线框有电流流过，两侧导线就会受到磁场力的作用，由“左手定则”可判断，左侧导线受到的磁场力F1和右侧导线受到的磁场力F2方向相反，线框在磁场力的作用下开始转动，电流的流向为：A->C->a1->a2->b2->b1->D->B。当转过90度时，换向器改变了内部电枢电流的方向，使线框左右两侧导线产生的磁场力方向不变，电机可以一直旋转下去，此时的电流方向为：A->D->a1->a2->b2->b1->C-B，如下图所示。

三、直流有刷电机的驱动及仿真

直流有刷电机的驱动很简单，在允许的电压范围内，给直流电机提供稳定的直流电源，即可驱动直流电机的转动。

3.1、Matlab/Simulink仿真

在Matlab/Simulink中搭建仿真模型如下：

仿真模型由直流电源与直流电机两部分构成，直流电机选择 5HP 240V 1750RMP Field：300V

供电电源设置为240V，励磁电源设置为300V，由电机的参数计算出该直流电机的带负载能力（此处设置为恒功率负载）为：

功率：5HP=3728.50W，转速：1750r/min，代入上式计算负载转矩TL：20.35

3.2、仿真结果分析

电机转速达到额定转速：1750r/min

电枢电流约为：21A

励磁电流约为：1.066A

电磁转矩约为：21.4

3.3、直流有刷电机的换向控制

根据直流有刷电机的工作原理可知，当转子线圈中电流的方向发生变化，线圈的受力情况也会发生改变，因此只要改变转子线圈中电流的方向，即可完成直流电机的换向控制。
将上述仿真模型的直流电源输入设置为：-240V；电磁转矩TL设置为：-20.35

3.4、仿真结果分析

电机达到额定转速：-1750r/min

电枢电流约为：-21A

励磁电流约为：1.066A

电磁转矩约为：-21.4

总结

分析了直流有刷电机的工作原理，通过Matlab/Simulink实现了直流有刷电机的驱动及换向控制，为后续章节的仿真及分析奠定基础。

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