什么是直流电机?直流电机控制原理是什么?

直流电机是电机中的一种类型，与此同时直流电机也是大家常谈论的一种机械装备。那么，直流电机到底是什么呢?为增进大家对直流电机的认识，本文将对直流电机、直流电机的控制原理予以介绍。如果你对直流电机具有兴趣，不妨继续往下阅读哦。

一、什么是直流电机

直流电机是一种将直流电能转换为机械能的电动机。直流电机的工作原理是通过电枢和永磁体或电磁体之间的相互作用实现转动。在直流电机中，电枢被放置在永磁体或电磁体的磁场中，当电枢中通电时，它就会受到磁场的作用而旋转。

直流电机的优点是转速范围广、转矩大、控制方便。直流电机可以通过改变电枢电流、永磁体或电磁体的磁通量、改变电枢和磁极之间的位置等方式来实现调速或精确控制转矩。因此直流电机被广泛应用于需要调速或精确控制转矩的场合，如机床、自动化生产线、电动车等。

直流电机主要分为分为永磁直流电机和电磁直流电机两种类型。其中，永磁直流电机使用永磁体作为励磁源，电磁直流电机则使用电磁体作为励磁源。由于永磁直流电机具有结构简单、效率高等优点，在一些应用场合中得到了广泛的应用。而电磁直流电机则具有转矩大、可靠性好等优点，适用于一些需要大转矩输出的场合。

直流电机的励磁方式主要包括以下几种：

1、永磁励磁：永磁励磁是利用永磁体作为电机的励磁源。这种励磁方式具有结构简单、无需外部电源、效率高等优点。永磁励磁适用于小功率的直流电机。

2、电枢励磁：电枢励磁是利用电枢中的电流产生的磁场作为励磁源。这种励磁方式具有结构简单、容易实现控制等优点。电枢励磁适用于小功率的直流电机，但是效率较低。

3、串励励磁：串励励磁是利用串联在电机电枢回路中的电磁体作为励磁源。这种励磁方式具有转速随负载变化小、启动转矩大等优点。串励励磁适用于大功率、要求转速稳定的直流电机。

4、并励励磁：并励励磁是同时利用串联在电机电枢回路中的电磁体和外部电源作为励磁源。这种励磁方式具有输出转矩大、调速范围宽等优点。并励励磁适用于要求大功率、广泛调速的直流电机。

5、复合励磁：复合励磁是同时采用串励和并励两种励磁方式的组合。这种励磁方式可以兼具串励和并励的优点，可以实现输出转矩大、调速范围宽等特点，适用于一些要求特殊的直流电机应用场合。

二、直流电机控制原理

直流无刷电机的控制原理，要让电机转动起来，首先控制部就必须根据hall-sensor感应到的电机转子所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器(inverter)中功率晶体管的顺序，inverter中之AH、BH、CH(这些称为上臂功率晶体管)及AL、BL、CL(这些称为下臂功率晶体管)，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到hall-sensor感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管);要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。

基本上功率晶体管的开法可举例如下：AH、BL一组→AH、CL一组→BH、CL一组→BH、AL一组→CH、AL一组→CH、BL一组，但绝不能开成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂(或上臂)就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。

当电机转动起来，控制部会再根据驱动器设定的速度及加/减速率所组成的命令(Command)与hall-sensor信号变化的速度加以比对(或由软件运算)再来决定由下一组(AH、BL或AH、CL或BH、CL或……)开关导通，以及导通时间长短。速度不够则开长，速度过头则减短，此部份工作就由PWM来完成。PWM是决定电机转速快或慢的方式，如何产生这样的PWM才是要达到较精准速度控制的核心。

高转速的速度控制必须考虑到系统的CLOCK 分辨率是否足以掌握处理软件指令的时间，另外对于hall-sensor信号变化的资料存取方式也影响到处理器效能与判定正确性、 实时性。至于低转速的速度控制尤其是低速起动则因为回传的hall-sensor信号变化变得更慢，怎样撷取信号方式、处理时机以及根据电机特性适当配置控制参数值就显得非常重要。或者速度回传改变以encoder变化为参考，使信号分辨率增加以期得到更佳的控制。电机能够运转顺畅而且响应良好，P.I.D.控制的恰当与否也无法忽视。之前提到直流无刷电机是闭回路控制，因此回授信号就等于是告诉控制部电机转速距离目标速度还差多少，这就是误差(Error)。知道了误差自然就要补偿，方式有传统的工程控制如P.I.D.控制。但控制的状态及环境其实是复杂多变的，若要控制的坚固耐用则要考虑的因素恐怕不是传统的工程控制能完全掌握，所以模糊控制、专家系统及神经网络也将被纳入成为智能型P.I.D.控制的重要理论。

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