發(fā)那科 A06B-0142-B077 電機
張黔豫 180 6446 5927
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直流電動機是將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能的電動機。因其良好的調(diào)速性能而在電力拖動中得到廣泛應用。直流電動機按勵磁方式分為永磁、他勵和自勵3類，其中自勵又分為并勵、串勵和復勵3種。
勵磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關系，而由其他直流電源對勵磁繞組供電的直流電機稱為他勵直流電機，圖中M表示電動機，若為發(fā)電機，則用G表示。永磁直流電機也可看作他勵直流電機。并勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)，作為并勵發(fā)電機來說，是電機本身發(fā)出來的端電壓為勵磁繞組供電；作為并勵電動機來說，勵磁繞組與電樞共用同一電源，從性能上講與他勵直流電動機相同。串勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后，再接于直流電源，這種直流電機的勵磁電流就是電樞電流。復連直流電機有并勵和串勵兩個勵磁繞組，若串勵繞組產(chǎn)生的磁通勢與并勵繞組產(chǎn)生的磁通勢方向相同稱為積復勵。若兩個磁通勢方向相反，則稱為差復勵。
不同連磁方式的直流電機有著不同的特性。一般情況直流電動機的主要勵磁方式是并勵式、串勵式和復勵式，直流發(fā)電機的主要勵磁方式是他勵式、并勵式和和復勵式。
特點
(一)調(diào)速性能好。所謂“調(diào)速性能”，是指電動機在一定負載的條件下，根據(jù)需要，人為地改變電動機的轉(zhuǎn)速。直流電動機可以在重負載條件下，實現(xiàn)均勻、平滑的無級調(diào)速，而且調(diào)速范圍較寬。
(二)起動力矩大?？梢跃鶆蚨?jīng)濟地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。因此，凡是在重負載下起動或要求均勻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的機械，例如大型可逆軋鋼機、卷揚機、電力機車、電車等，都用直流電動機拖動。
但對實際直流電動機的分析也有指導意義。由上可見直流電動機有3種調(diào)速方法：調(diào)節(jié)勵磁電流、調(diào)節(jié)電樞端電壓和調(diào)節(jié)串入電樞回路的電阻。調(diào)節(jié)電樞回路串聯(lián)電阻的辦法比較簡便，但能耗較大;z4系列直流電動機且在輕負載時，由于負載電流小，串聯(lián)電阻上電壓降小，故轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)很不靈敏。調(diào)節(jié)電樞端電壓并適當調(diào)節(jié)勵磁電流，可以使直流電動機在寬范圍內(nèi)平滑地調(diào)速。端電壓加大使轉(zhuǎn)速升高，勵磁電流加大使轉(zhuǎn)速降低，二者配合得當，可使電機在不同轉(zhuǎn)速下運行。調(diào)速中應注意高速運行時，換向條件惡化，低速運行時冷卻條件變壞，從而限制了電動機的功率。串勵直流電動機由于它的機械特性(圖2)接近恒功率特性,低速時轉(zhuǎn)矩大，故廣泛用于電動車輛牽引，在電車中常用兩臺或兩臺以上既有串勵又有并勵的復勵直流電動機共同驅(qū)動。利用串、并聯(lián)改接的方法使電機端電壓成倍地變化(串聯(lián)時電動機端電壓只有并聯(lián)時的一半)，從而可經(jīng)濟地獲得更大范圍的調(diào)速和減少起動時的電能消耗。
1.無刷直流電動機：無刷直流電動機是將普通直流電動機的定子與轉(zhuǎn)子進行了互換。其轉(zhuǎn)子為永久磁鐵產(chǎn)生氣隙磁通：定子為電樞，由多相繞組組成。在結(jié)構(gòu)上，它與永磁同步電動機類似。
無刷直流電動機定子的結(jié)構(gòu)與普通的同步電動機或感應電動機相同．在鐵芯中嵌入多相繞組(三相、四相、五相不等)．繞組可接成星形或三角形，并分別與逆變器的各功率管相連，以便進行合理換相。轉(zhuǎn)子多采用釤鈷或釹鐵硼等高矯頑力、高剩磁密度的稀土料，由于磁極中磁性材料所放位置的不同．可以分為表面式磁極、嵌入式磁極和環(huán)形磁極。由于電動機本體為永磁電機，所以習慣上把無刷直流電動機也叫做永磁無刷直流電動機。
2.有刷直流電動機：有刷電動機的2個刷(銅刷或者碳刷)是通過絕緣座固定在電動機后蓋上直接將電源的正負極引入到轉(zhuǎn)子的換相器上，而換相器連通了轉(zhuǎn)子上的線圈，3個線圈極性不斷的交替變換與外殼上固定的2塊磁鐵形成作用力而轉(zhuǎn)動起來。由于換相器與轉(zhuǎn)子固定在一起，而刷與外殼(定子)固定在一起，電動機轉(zhuǎn)動時刷與換相器不斷的發(fā)生摩擦產(chǎn)生大量的阻力與熱量。所以有刷電機的效率低下?lián)p耗非常大。但是，他同樣具有，制造簡單，成本及其低廉的優(yōu)點！且在輕負載時，由于負載電流小，串聯(lián)電阻上電壓降小，故轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)很不靈敏。調(diào)節(jié)電樞端電壓并適當調(diào)節(jié)勵磁電流，可以使直流電動機在寬范圍內(nèi)平滑地調(diào)速。端電壓加大使轉(zhuǎn)速升高，勵磁電流加大使轉(zhuǎn)速降低，二者配合得當，可使電機在不同轉(zhuǎn)速下運行。調(diào)速中應注意高速運行時，換向條件惡化，低速運行時冷卻條件變壞，從而限制了電動機的功率。串勵直流電動機由于它的機械特性(圖2)接近恒功率特性,低速時轉(zhuǎn)矩大，故廣泛用于電動車輛牽引，在電車中常用兩臺或兩臺以上既有串勵又有并勵的復勵直流電動機共同驅(qū)動。利用串、并聯(lián)改接的方法使電機端電壓成倍地變化（串聯(lián)時電動機端電壓只有并聯(lián)時的一半），從而可經(jīng)濟地獲得更大范圍的調(diào)速和減少起動時的電能消耗。
直流無刷驅(qū)動器包括電源部及控制部：電源部提供三相電源給電機，控制部則依需求轉(zhuǎn)換輸入電源頻率。電源部可以直接以直流電輸入(一般為24V)或以交流電輸入(110V/220 V)，如果輸入是交流電就得先經(jīng)轉(zhuǎn)換器(converter)轉(zhuǎn)成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉(zhuǎn)入電機線圈前須先將直流電壓由換流器(inverter)轉(zhuǎn)成3相電壓來驅(qū)動電機。換流器(inverter)一般由6個功率晶體管(Q1～Q6)分為上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)連接電機作為控制流經(jīng)電機線圈的開關。控制部則提供PWM(脈沖寬度調(diào)制)決定功率晶體管開關頻度及換流器(inverter)換相的時機。直流無刷電機一般希望使用在當負載變動時速度可以穩(wěn)定于設定值而不會變動太大的速度控制，所以電機內(nèi)部裝有能感應磁場的霍爾傳感器(hall-sensor)，作為速度之閉回路控制，同時也做為相序控制的依據(jù)。但這只是用來做為速度控制并不能拿來做為定位控制。
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)順暢而且響應良好，P.I.D.控制的恰當與否也無法忽視。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現(xiàn)在電機轉(zhuǎn)速距離目標速度還差多少，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)絡也將被納入成為智能型P.I.D.控制的重要理論。
