01直流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

直流伺服電動(dòng)機(jī)以其調(diào)速性能好、啟動(dòng)力矩大、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、轉(zhuǎn)速高等特點(diǎn)，相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，在電動(dòng)機(jī)調(diào)速領(lǐng)域占據(jù)著重要地位。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是大功率電子器件問世以后，直流伺服電動(dòng)機(jī)開始逐漸被交流伺服電動(dòng)機(jī)取代。但在小功率場(chǎng)合，直流伺服電動(dòng)機(jī)仍然有一席之地。下面主要介紹有刷直流電動(dòng)機(jī)、無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理和直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制原理。

02有刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理

有刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理如左圖所示，圖中的N和S是一對(duì)固定的永久磁鐵，在兩個(gè)磁極之間安裝有電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子，上面固定有線圈 abcd，線圈段有兩個(gè)換向片（也稱整流子）和兩個(gè)電刷。

當(dāng)電流從電源的正極流出，從電刷A、換向片 1、線圈、換向片2、電刷B，回到電源負(fù)極時(shí)，電流在線圈中的流向是a→b→c→d。由左手定則知，此時(shí)線圈產(chǎn)生逆時(shí)針方向的電磁力矩。當(dāng)電磁力矩大于電動(dòng)機(jī)的負(fù)載力矩時(shí)，轉(zhuǎn)子就逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過180°后，線圈ab邊由磁鐵N極轉(zhuǎn)到靠近S極，cd邊轉(zhuǎn)到靠近N極。由于電刷與換向片接觸的相對(duì)位置發(fā)生了變化，線圈中的電流方向變?yōu)閐 →c→b→a。再由左手定則知，此時(shí)線圈仍然產(chǎn)生逆時(shí)針方向的電磁力矩，轉(zhuǎn)子繼續(xù)保持逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，如下圖所示。

電動(dòng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)過程中，由于電刷和換向片的作用，直流電流交替在線圈中正向、反向流動(dòng)，始終產(chǎn)生同一方向的電磁力矩，使得電動(dòng)機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。同理，當(dāng)外接電源反向連接，電動(dòng)機(jī)就會(huì)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)

03無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理

無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如左圖所示，為了實(shí)現(xiàn)無刷換向，無刷直流電動(dòng)機(jī)將電樞繞組安裝在定子上，而把永久磁鐵安裝在轉(zhuǎn)子上，該結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)相反。由于去掉了電刷和整流子的滑動(dòng)接觸換向機(jī)構(gòu)，消除了直流電動(dòng)故障的主要根源。

常見的無刷直流電動(dòng)機(jī)為三相永磁同步電動(dòng)機(jī)，其原理如下圖所示，無刷電動(dòng)機(jī)的換向原理是：采用三個(gè)霍爾元件，用作轉(zhuǎn)子的位置傳感器，安裝在圓周上相隔120°的位置上，轉(zhuǎn)子上的磁鐵觸發(fā)霍爾元件產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，該信號(hào)控制晶體管 VT1、VT2、VT3有序地通斷，使得電動(dòng)機(jī)上的定子繞組 U、V、W 隨著轉(zhuǎn)子的位置變化而順序通電、換相，形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷地運(yùn)動(dòng)。無刷直流伺服電動(dòng)機(jī)采用的控制技術(shù)和交流伺服電動(dòng)機(jī)是相同的。

04直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制原理

直流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制通常采用脈寬調(diào)制 PWM方式，如左圖所示，方波控制信號(hào)Vb控制晶體管VT的通斷，也就是控制電源電壓的通斷。Vb?為高電平時(shí)，晶體管VT導(dǎo)通，電源電壓施加在電動(dòng)機(jī)上，產(chǎn)生電流im。由于電動(dòng)機(jī)的繞組是感性負(fù)載，電流im有一個(gè)上升過程。Vb為低電平時(shí)，晶體管VT斷開，電源電壓斷開，但是電動(dòng)機(jī)繞組中存儲(chǔ)的電能釋放出來，產(chǎn)生電流?im，電流?im?有一個(gè)下降的過程。

占空比就是在一段連續(xù)工作時(shí)間內(nèi)脈沖（高電平）占用的時(shí)間與總時(shí)間的比值。直流電動(dòng)機(jī)就是靠控制脈沖信號(hào)的占空比來調(diào)速的。當(dāng)控制脈沖信號(hào)的占空比是60%時(shí)，也就是高電平占總時(shí)間的 60%時(shí)，施加在電動(dòng)機(jī)定子繞組上的平均電壓是 0.6U，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)繞組中的電流平均值也是峰值的0.6。顯然控制信號(hào)的占空比決定了施加在電動(dòng)機(jī)上的平均電流和平均電壓，也就控制了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。無刷直流電動(dòng)機(jī)的電流曲線如下圖所示。

審核編輯：湯梓紅