什么是直流電機?直流電機控制原理是什么?

直流電機是電機中的一種類型，與此同時直流電機也是大家常談?wù)摰囊环N機械裝備。那么，直流電機到底是什么呢?為增進(jìn)大家對直流電機的認(rèn)識，本文將對直流電機、直流電機的控制原理予以介紹。如果你對直流電機具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

一、什么是直流電機

直流電機是一種將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能的電動機。直流電機的工作原理是通過電樞和永磁體或電磁體之間的相互作用實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。在直流電機中，電樞被放置在永磁體或電磁體的磁場中，當(dāng)電樞中通電時，它就會受到磁場的作用而旋轉(zhuǎn)。

直流電機的優(yōu)點是轉(zhuǎn)速范圍廣、轉(zhuǎn)矩大、控制方便。直流電機可以通過改變電樞電流、永磁體或電磁體的磁通量、改變電樞和磁極之間的位置等方式來實現(xiàn)調(diào)速或精確控制轉(zhuǎn)矩。因此直流電機被廣泛應(yīng)用于需要調(diào)速或精確控制轉(zhuǎn)矩的場合，如機床、自動化生產(chǎn)線、電動車等。

直流電機主要分為分為永磁直流電機和電磁直流電機兩種類型。其中，永磁直流電機使用永磁體作為勵磁源，電磁直流電機則使用電磁體作為勵磁源。由于永磁直流電機具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高等優(yōu)點，在一些應(yīng)用場合中得到了廣泛的應(yīng)用。而電磁直流電機則具有轉(zhuǎn)矩大、可靠性好等優(yōu)點，適用于一些需要大轉(zhuǎn)矩輸出的場合。

直流電機的勵磁方式主要包括以下幾種：

1、永磁勵磁：永磁勵磁是利用永磁體作為電機的勵磁源。這種勵磁方式具有結(jié)構(gòu)簡單、無需外部電源、效率高等優(yōu)點。永磁勵磁適用于小功率的直流電機。

2、電樞勵磁：電樞勵磁是利用電樞中的電流產(chǎn)生的磁場作為勵磁源。這種勵磁方式具有結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)控制等優(yōu)點。電樞勵磁適用于小功率的直流電機，但是效率較低。

3、串勵勵磁：串勵勵磁是利用串聯(lián)在電機電樞回路中的電磁體作為勵磁源。這種勵磁方式具有轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化小、啟動轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點。串勵勵磁適用于大功率、要求轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的直流電機。

4、并勵勵磁：并勵勵磁是同時利用串聯(lián)在電機電樞回路中的電磁體和外部電源作為勵磁源。這種勵磁方式具有輸出轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點。并勵勵磁適用于要求大功率、廣泛調(diào)速的直流電機。

5、復(fù)合勵磁：復(fù)合勵磁是同時采用串勵和并勵兩種勵磁方式的組合。這種勵磁方式可以兼具串勵和并勵的優(yōu)點，可以實現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬等特點，適用于一些要求特殊的直流電機應(yīng)用場合。

二、直流電機控制原理

直流無刷電機的控制原理，要讓電機轉(zhuǎn)動起來，首先控制部就必須根據(jù)hall-sensor感應(yīng)到的電機轉(zhuǎn)子所在位置，然后依照定子繞線決定開啟(或關(guān)閉)換流器(inverter)中功率晶體管的順序，inverter中之AH、BH、CH(這些稱為上臂功率晶體管)及AL、BL、CL(這些稱為下臂功率晶體管)，使電流依序流經(jīng)電機線圈產(chǎn)生順向(或逆向)旋轉(zhuǎn)磁場，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，如此就能使電機順時/逆時轉(zhuǎn)動。當(dāng)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到hall-sensor感應(yīng)出另一組信號的位置時，控制部又再開啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)電機就可以依同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動直到控制部決定要電機轉(zhuǎn)子停止則關(guān)閉功率晶體管(或只開下臂功率晶體管);要電機轉(zhuǎn)子反向則功率晶體管開啟順序相反。

基本上功率晶體管的開法可舉例如下：AH、BL一組→AH、CL一組→BH、CL一組→BH、AL一組→CH、AL一組→CH、BL一組，但絕不能開成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因為電子零件總有開關(guān)的響應(yīng)時間，所以功率晶體管在關(guān)與開的交錯時間要將零件的響應(yīng)時間考慮進(jìn)去，否則當(dāng)上臂(或下臂)尚未完全關(guān)閉，下臂(或上臂)就已開啟，結(jié)果就造成上、下臂短路而使功率晶體管燒毀。

當(dāng)電機轉(zhuǎn)動起來，控制部會再根據(jù)驅(qū)動器設(shè)定的速度及加/減速率所組成的命令(Command)與hall-sensor信號變化的速度加以比對(或由軟件運算)再來決定由下一組(AH、BL或AH、CL或BH、CL或……)開關(guān)導(dǎo)通，以及導(dǎo)通時間長短。速度不夠則開長，速度過頭則減短，此部份工作就由PWM來完成。PWM是決定電機轉(zhuǎn)速快或慢的方式，如何產(chǎn)生這樣的PWM才是要達(dá)到較精準(zhǔn)速度控制的核心。

高轉(zhuǎn)速的速度控制必須考慮到系統(tǒng)的CLOCK 分辨率是否足以掌握處理軟件指令的時間，另外對于hall-sensor信號變化的資料存取方式也影響到處理器效能與判定正確性、 實時性。至于低轉(zhuǎn)速的速度控制尤其是低速起動則因為回傳的hall-sensor信號變化變得更慢，怎樣擷取信號方式、處理時機以及根據(jù)電機特性適當(dāng)配置控制參數(shù)值就顯得非常重要?；蛘咚俣然貍鞲淖円詄ncoder變化為參考，使信號分辨率增加以期得到更佳的控制。電機能夠運轉(zhuǎn)順暢而且響應(yīng)良好，P.I.D.控制的恰當(dāng)與否也無法忽視。之前提到直流無刷電機是閉回路控制，因此回授信號就等于是告訴控制部電機轉(zhuǎn)速距離目標(biāo)速度還差多少，這就是誤差(Error)。知道了誤差自然就要補償，方式有傳統(tǒng)的工程控制如P.I.D.控制。但控制的狀態(tài)及環(huán)境其實是復(fù)雜多變的，若要控制的堅固耐用則要考慮的因素恐怕不是傳統(tǒng)的工程控制能完全掌握，所以模糊控制、專家系統(tǒng)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也將被納入成為智能型P.I.D.控制的重要理論。

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