直流伺服電動機知多少

01直流伺服電動機的特點

直流伺服電動機以其調速性能好、啟動力矩大、運轉平穩(wěn)、轉速高等特點，相當長的時間內，在電動機調速領域占據著重要地位。隨著電力電子技術的發(fā)展，特別是大功率電子器件問世以后，直流伺服電動機開始逐漸被交流伺服電動機取代。但在小功率場合，直流伺服電動機仍然有一席之地。下面主要介紹有刷直流電動機、無刷直流電動機的工作原理和直流伺服電動機的控制原理。

02有刷直流電動機的工作原理

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

當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，回到電源負極時，電流在線圈中的流向是a→b→c→d。由左手定則知，此時線圈產生逆時針方向的電磁力矩。當電磁力矩大于電動機的負載力矩時，轉子就逆時針轉動。

當轉子轉過180°后，線圈ab邊由磁鐵N極轉到靠近S極，cd邊轉到靠近N極。由于電刷與換向片接觸的相對位置發(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，此時線圈仍然產生逆時針方向的電磁力矩，轉子繼續(xù)保持逆時針方向轉動，如下圖所示。

電動機在旋轉過程中，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，始終產生同一方向的電磁力矩，使得電動機連續(xù)旋轉。同理，當外接電源反向連接，電動機就會順時針旋轉

03無刷直流電動機的工作原理

無刷直流電動機的結構如左圖所示，為了實現無刷換向，無刷直流電動機將電樞繞組安裝在定子上，而把永久磁鐵安裝在轉子上，該結構與傳統(tǒng)的直流電動機相反。由于去掉了電刷和整流子的滑動接觸換向機構，消除了直流電動故障的主要根源。

常見的無刷直流電動機為三相永磁同步電動機，其原理如下圖所示，無刷電動機的換向原理是：采用三個霍爾元件，用作轉子的位置傳感器，安裝在圓周上相隔120°的位置上，轉子上的磁鐵觸發(fā)霍爾元件產生相應的控制信號，該信號控制晶體管 VT1、VT2、VT3有序地通斷，使得電動機上的定子繞組 U、V、W 隨著轉子的位置變化而順序通電、換相，形成旋轉磁場，驅動轉子連續(xù)不斷地運動。無刷直流伺服電動機采用的控制技術和交流伺服電動機是相同的。

04直流伺服電動機的控制原理

直流伺服電動機的轉速控制通常采用脈寬調制 PWM方式，如左圖所示，方波控制信號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，晶體管VT導通，電源電壓施加在電動機上，產生電流im。由于電動機的繞組是感性負載，電流im有一個上升過程。Vb為低電平時，晶體管VT斷開，電源電壓斷開，但是電動機繞組中存儲的電能釋放出來，產生電流?im，電流?im?有一個下降的過程。

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

審核編輯：湯梓紅