01直流伺服電動機的特點

直流伺服電動機以其調(diào)速性能好、啟動力矩大、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、轉(zhuǎn)速高等特點，相當(dāng)長的時間內(nèi)，在電動機調(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(zhuǎn)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(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(chǎn)生逆時針方向的電磁力矩。當(dāng)電磁力矩大于電動機的負載力矩時，轉(zhuǎn)子就逆時針轉(zhuǎn)動。

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(chǎn)生逆時針方向的電磁力矩，轉(zhuǎn)子繼續(xù)保持逆時針方向轉(zhuǎn)動，如下圖所示。

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

03無刷直流電動機的工作原理

無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)如左圖所示，為了實現(xiàn)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(zhuǎn)子上，該結(jié)構(gòu)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(gòu)，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(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，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(zhuǎn)子的位置變化而順序通電、換相，形成旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動轉(zhuǎn)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(shù)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(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(dǎo)通，電源電壓施加在電動機上，產(chǎn)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(chǎn)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(nèi)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(diào)速的。當(dāng)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(dāng)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(zhuǎn)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