直流伺服电动机知多少

01直流伺服电动机的特点

直流伺服电动机以其调速性能好、启动力矩大、运转平稳、转速高等特点，相当长的时间内，在电动机调速领域占据着重要地位。随着电力电子技术的发展，特别是大功率电子器件问世以后，直流伺服电动机开始逐渐被交流伺服电动机取代。但在小功率场合，直流伺服电动机仍然有一席之地。下面主要介绍有刷直流电动机、无刷直流电动机的工作原理和直流伺服电动机的控制原理。

02有刷直流电动机的工作原理

有刷直流电动机的工作原理如左图所示，图中的N和S是一对固定的永久磁铁，在两个磁极之间安装有电动机的转子，上面固定有线圈 abcd，线圈段有两个换向片（也称整流子）和两个电刷。

当电流从电源的正极流出，从电刷A、换向片 1、线圈、换向片2、电刷B，回到电源负极时，电流在线圈中的流向是a→b→c→d。由左手定则知，此时线圈产生逆时针方向的电磁力矩。当电磁力矩大于电动机的负载力矩时，转子就逆时针转动。

当转子转过180°后，线圈ab边由磁铁N极转到靠近S极，cd边转到靠近N极。由于电刷与换向片接触的相对位置发生了变化，线圈中的电流方向变为d →c→b→a。再由左手定则知，此时线圈仍然产生逆时针方向的电磁力矩，转子继续保持逆时针方向转动，如下图所示。

电动机在旋转过程中，由于电刷和换向片的作用，直流电流交替在线圈中正向、反向流动，始终产生同一方向的电磁力矩，使得电动机连续旋转。同理，当外接电源反向连接，电动机就会顺时针旋转

03无刷直流电动机的工作原理

无刷直流电动机的结构如左图所示，为了实现无刷换向，无刷直流电动机将电枢绕组安装在定子上，而把永久磁铁安装在转子上，该结构与传统的直流电动机相反。由于去掉了电刷和整流子的滑动接触换向机构，消除了直流电动故障的主要根源。

常见的无刷直流电动机为三相永磁同步电动机，其原理如下图所示，无刷电动机的换向原理是：采用三个霍尔元件，用作转子的位置传感器，安装在圆周上相隔120°的位置上，转子上的磁铁触发霍尔元件产生相应的控制信号，该信号控制晶体管 VT1、VT2、VT3有序地通断，使得电动机上的定子绕组 U、V、W 随着转子的位置变化而顺序通电、换相，形成旋转磁场，驱动转子连续不断地运动。无刷直流伺服电动机采用的控制技术和交流伺服电动机是相同的。

04直流伺服电动机的控制原理

直流伺服电动机的转速控制通常采用脉宽调制 PWM方式，如左图所示，方波控制信号Vb控制晶体管VT的通断，也就是控制电源电压的通断。Vb 为高电平时，晶体管VT导通，电源电压施加在电动机上，产生电流im。由于电动机的绕组是感性负载，电流im有一个上升过程。Vb为低电平时，晶体管VT断开，电源电压断开，但是电动机绕组中存储的电能释放出来，产生电流 im，电流 im 有一个下降的过程。

占空比就是在一段连续工作时间内脉冲（高电平）占用的时间与总时间的比值。直流电动机就是靠控制脉冲信号的占空比来调速的。当控制脉冲信号的占空比是60%时，也就是高电平占总时间的 60%时，施加在电动机定子绕组上的平均电压是 0.6U，当系统稳定运行时，电动机绕组中的电流平均值也是峰值的0.6。显然控制信号的占空比决定了施加在电动机上的平均电流和平均电压，也就控制了电动机的转速。无刷直流电动机的电流曲线如下图所示。

审核编辑：汤梓红