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直流电机伺服原理及其驱动控制
张艳婷
（北京工商大学 机械工程学院， 北京 100048）
摘要：直流有刷电机是广泛应用的一种电机，它将电能转化为旋转动能。其价格低廉，控制方便，因此在玩具及小型机构中都能见到其身影。本文详述了有刷直流电机的结构、工作原理以及对其驱动方式的讨论。
关键词：直流电机； 微控制器； 伺服； 驱动； PWM控制； 中图分类号： 文献标识码：
伺服系统—是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标值(或给定值)的任意变化的自动控制系统。 在自动控制系统中，使输出量能够以一定的准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为随动系统，亦称伺服系统。
伺服的主要任务是按控制命令的要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力距、速度和位置控制得非常灵活方便。
直流电机伺服系统中，以微控制器作为控制核心，处理来自反馈环节的输入信号，由控制程序控制输出PWM驱动直流电机驱动模块，实现对直流电机的调速。
1 直流电机的结构
定义输出或输入为直流电的旋转电机，称为直流电机。它能够实现直流电能和机械能互相转换。
直流电机的结构由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部
分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。
1.1 定子 （1）主磁极
主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。铁心一般用0.5mm～1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座。 （2）换向极
换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成，换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。 （3）机座
电机定子的外壳称为机座，机座的作用有两个：一是用来固定主磁极。二是机座本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。 （4）电刷装置
电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的，如图1所示。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。
图1 直流电机电刷装置
1—刷握2—电刷 3—压紧弹簧 4—刷辫
1.2 转子(电枢) （1）电枢铁心
电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。一般电枢铁心采用由0.5mm厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。 （2）电枢绕组
电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件，所以叫电枢。它是由许多线圈按一定规律连接而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止离心力将线圈边甩出槽外，线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。 （3）换向器
在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以 电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。 （4）转轴
转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。
直流电机伺服原理及其驱动控制
