2.3　直流伺服电动机的控制方式

直流伺服电动机实质上就是他励直流电动机。由直流电动机的电压方程 U = E _a + I _a R _a 及电枢电动势表达式 E _a = C _e Φ n ，可以得到直流伺服电动机的转速表达式为

式中， U _a 为电枢电压； E _a 为电枢感应电动势； I _a 为电枢电流； R _a 为电枢回路总电阻； n 为转速； Φ 为每极主磁通； C _e 为电动势常数。

上式表明：改变电枢电压 U _a 和改变励磁磁通 Φ ，都可以改变直流伺服电动机的转速 n 。

因而直流伺服电动机的控制方式有两种：一种方法是把控制信号作为电枢电压来控制电动机的转速，这种方式称为电枢控制；另一种方法是把控制信号加在励磁绕组上，通过控制磁通来控制电动机的转速，这种控制方式称为磁场控制（又称为磁极控制）。电枢控制时直流伺服电动机的工作原理图如图2-9所示。

2.3.1　电枢控制

如图2-9所示，在励磁回路上加恒定不变的励磁电压 U _f ，以保证直流伺服电动机的主磁通 Φ 不变。在电枢绕组上加控制电压信号。当负载转矩 T _L 一定时，升高电枢电压 U _a ，电动机的转速 n 随之升高；反之，减小电枢电压 U _a ，电动机的转速 n 就降低；若电枢电压 U _a =0时，电动机则不转。当电枢电压的极性改变后，电动机的旋转方向也随之改变。因此把电枢电压 U _a 作为控制信号，就可以实现对直流伺服电机转速 n 的控制，其电枢绕组称为控制绕组。

对于电磁式直流伺服电动机，采用电枢控制时，其励磁绕组由外施恒压的直流电源励磁；对于永磁式直流伺服电动机则由永磁磁极励磁。

下面分析改变电枢电压 U _a 时，电动机转速 n 变化的物理过程。

直流伺服电动机实质上就是他励直流电动机。由直流电动机的转速表达式 及电磁转矩表达式 T _e = C _T Φ I _a ，可以得到保持电动机的每极磁通为额定磁通 Φ _N 时，直流电动机的机械特性方程为

式中， U _a 为电枢电压； R _a 为电枢回路总电阻； n 为转速； Φ _N 为每极额定主磁通； C _e 为电动势常数； C _T 为转矩常数； T _e 为电磁转矩。

根据直流电动机的机械特性方程，可以绘制出直流电动机降压调速时的机械特性曲线如图2-10所示。图中，曲线1、2、3分别为对应于不同电枢电压时，直流电动机的机械特性曲线；曲线4为负载的机械特性曲线。从图中可以看出，改变电枢电压后，直流电动机的理想空载转速 n ₀ 随电压的降低而下降，电动机的转速 n 也随电压的降低而下降。但是，电动机的机械特性的斜率不变，即电动机的机械特性的硬度不变。

设电枢电压 U _a 为额定电压 U _N （即 U _a = U _N ）时，直流电动机拖动恒转矩负载 T _L 运行于固有特性曲线（即图2-10中的曲线1）上的 A 点。运行转速为 n _N 。若电枢电压由 U _N 下调为 U ₁ ，则电动机的机械特性变为人为机械特性（即图2-10中的曲线2）。在降压瞬间，由于惯性，转速 n 不能突变，工作点由原来的 A 点平移到 A' 点；在 A' 点， T' _e < T _L ，转速 n 开始减小；随着 n 的减小， E _a 减小，电枢电流（ ）增大，电磁转矩 T _e 增大，工作点由 A' 点向 B 点移动；到达 B 点时， T _e = T _L ， n = n ₁ ，电动机以较低的转速稳速运行。

由图2-10可以看出，在一定负载下，电动机的转速会随电枢电压的降低而降低，因此这种调速方法最高转速 n _max = n _N ，调速方向是由 n _N 向下调。

直流伺服电动机普遍采用电枢控制。电枢控制的直流伺服电动机的电枢电压常称为控制电压，而电枢绕组也常称为控制绕组。

目前大、中容量可控直流电源主要采用晶闸管可控整流电源，小容量时常采用电力晶体管PWM控制电源，如图2-11和图2-12所示。

采用晶闸管可控整流电源时，可根据电动机容量和控制性能的不同要求，选用三相或单相、全控桥式或半控桥式整流电路。电动机要求正反转控制时，可采用电枢极性切换方式或励磁极性切换方式，也可采用两组桥式电路反并联接法的无触点切换方式。

采用晶闸管可控整流电源的优点是控制的快速性好、效率高，设备的占地面积小、噪声低。缺点是晶闸管电路注入交流电网的电流中，含有一系列高次谐波，将对交流电网造成一定的谐波污染。

电力晶体管PWM控制电源的三角波调制频率远大于交流电源频率，可以进行近似正弦波的PWM电流控制。这种控制方式的可贵之处在于，电力晶体管电路从电网输入电流的谐波含量小，其波形近似为正弦波。因此小容量可控整流电源大多采用电力晶体管PWM可控电源。

2.3.2　磁场控制

磁场控制就是以励磁电压 U _f 作为输入量，以直流伺服电动机的转子位置、转速等作为输出量，当改变励磁电压的大小和极性时，电动机的转子位置、转速和转向也将随之变化。

当降低励磁回路的电压 U _f 时，励磁电流 I _f 将减小，磁通 Φ 也将减小，直流伺服电动机的转速 n 便升高。反之，当升高励磁回路的电压 U _f 时，励磁电流 I _f 将增大，磁通 Φ 也将增大，直流伺服电动机的转速 n 便降低。显然，引起转速变化的直接原因是磁通 Φ 的变化。在直流伺服电动机中，并不是采用改变励磁回路调节电阻的方法来改变磁通 Φ ，而是采用改变励磁电压 U _f 的方法来改变磁通 Φ 。因此，可以把励磁电压 U _f 作为控制信号，来实现对直流伺服电动机转速的控制。

由于励磁回路所需的功率小于电枢回路，所以磁场控制时的控制功率小。但是，磁场控制有严重的缺点，例如在磁场控制时，励磁电压的调节范围很小，过分弱磁会导致电动机运行不稳定以及换向恶化；由于励磁绕组电感较大，磁场控制时的响应速度较慢等。所以，在自动控制系统中，磁场控制很少被采用，或只用于小功率电动机中。