2.3　直流伺服電動機的控制方式

直流伺服電動機實質上就是他勵直流電動機。由直流電動機的電壓方程U=Ea+IaRa及電樞電動勢表達式Ea=CeΦn，可以得到直流伺服電動機的轉速表達式為

式中，Ua為電樞電壓；Ea為電樞感應電動勢；Ia為電樞電流；Ra為電樞回路總電阻；n為轉速；Φ為每極主磁通；Ce為電動勢常數。

上式表明：改變電樞電壓Ua和改變勵磁磁通Φ，都可以改變直流伺服電動機的轉速n。

因而直流伺服電動機的控制方式有兩種：一種方法是把控制信號作為電樞電壓來控制電動機的轉速，這種方式稱為電樞控制；另一種方法是把控制信號加在勵磁繞組上，通過控制磁通來控制電動機的轉速，這種控制方式稱為磁場控制（又稱為磁極控制）。電樞控制時直流伺服電動機的工作原理圖如圖2-9所示。

2.3.1　電樞控制

如圖2-9所示，在勵磁回路上加恒定不變的勵磁電壓Uf，以保證直流伺服電動機的主磁通Φ不變。在電樞繞組上加控制電壓信號。當負載轉矩TL一定時，升高電樞電壓Ua，電動機的轉速n隨之升高；反之，減小電樞電壓Ua，電動機的轉速n就降低；若電樞電壓Ua=0時，電動機則不轉。當電樞電壓的極性改變后，電動機的旋轉方向也隨之改變。因此把電樞電壓Ua作為控制信號，就可以實現對直流伺服電機轉速n的控制，其電樞繞組稱為控制繞組。

對于電磁式直流伺服電動機，采用電樞控制時，其勵磁繞組由外施恒壓的直流電源勵磁；對于永磁式直流伺服電動機則由永磁磁極勵磁。

下面分析改變電樞電壓Ua時，電動機轉速n變化的物理過程。

直流伺服電動機實質上就是他勵直流電動機。由直流電動機的轉速表達式及電磁轉矩表達式Te=CTΦIa，可以得到保持電動機的每極磁通為額定磁通ΦN時，直流電動機的機械特性方程為

式中，Ua為電樞電壓；Ra為電樞回路總電阻；n為轉速；ΦN為每極額定主磁通；Ce為電動勢常數；CT為轉矩常數；Te為電磁轉矩。

根據直流電動機的機械特性方程，可以繪制出直流電動機降壓調速時的機械特性曲線如圖2-10所示。圖中，曲線1、2、3分別為對應于不同電樞電壓時，直流電動機的機械特性曲線；曲線4為負載的機械特性曲線。從圖中可以看出，改變電樞電壓后，直流電動機的理想空載轉速n0隨電壓的降低而下降，電動機的轉速n也隨電壓的降低而下降。但是，電動機的機械特性的斜率不變，即電動機的機械特性的硬度不變。

設電樞電壓Ua為額定電壓UN（即Ua=UN）時，直流電動機拖動恒轉矩負載TL運行于固有特性曲線（即圖2-10中的曲線1）上的A點。運行轉速為nN。若電樞電壓由UN下調為U1，則電動機的機械特性變為人為機械特性（即圖2-10中的曲線2）。在降壓瞬間，由于慣性，轉速n不能突變，工作點由原來的A點平移到A'點；在A'點，T'e<TL，轉速n開始減小；隨著n的減小，Ea減小，電樞電流（）增大，電磁轉矩Te增大，工作點由A'點向B點移動；到達B點時，Te=TL，n=n1，電動機以較低的轉速穩速運行。

由圖2-10可以看出，在一定負載下，電動機的轉速會隨電樞電壓的降低而降低，因此這種調速方法最高轉速nmax=nN，調速方向是由nN向下調。

直流伺服電動機普遍采用電樞控制。電樞控制的直流伺服電動機的電樞電壓常稱為控制電壓，而電樞繞組也常稱為控制繞組。

目前大、中容量可控直流電源主要采用晶閘管可控整流電源，小容量時常采用電力晶體管PWM控制電源，如圖2-11和圖2-12所示。

采用晶閘管可控整流電源時，可根據電動機容量和控制性能的不同要求，選用三相或單相、全控橋式或半控橋式整流電路。電動機要求正反轉控制時，可采用電樞極性切換方式或勵磁極性切換方式，也可采用兩組橋式電路反并聯接法的無觸點切換方式。

采用晶閘管可控整流電源的優點是控制的快速性好、效率高，設備的占地面積小、噪聲低。缺點是晶閘管電路注入交流電網的電流中，含有一系列高次諧波，將對交流電網造成一定的諧波污染。

電力晶體管PWM控制電源的三角波調制頻率遠大于交流電源頻率，可以進行近似正弦波的PWM電流控制。這種控制方式的可貴之處在于，電力晶體管電路從電網輸入電流的諧波含量小，其波形近似為正弦波。因此小容量可控整流電源大多采用電力晶體管PWM可控電源。

2.3.2　磁場控制

磁場控制就是以勵磁電壓Uf作為輸入量，以直流伺服電動機的轉子位置、轉速等作為輸出量，當改變勵磁電壓的大小和極性時，電動機的轉子位置、轉速和轉向也將隨之變化。

當降低勵磁回路的電壓Uf時，勵磁電流If將減小，磁通Φ也將減小，直流伺服電動機的轉速n便升高。反之，當升高勵磁回路的電壓Uf時，勵磁電流If將增大，磁通Φ也將增大，直流伺服電動機的轉速n便降低。顯然，引起轉速變化的直接原因是磁通Φ的變化。在直流伺服電動機中，并不是采用改變勵磁回路調節電阻的方法來改變磁通Φ，而是采用改變勵磁電壓Uf的方法來改變磁通Φ。因此，可以把勵磁電壓Uf作為控制信號，來實現對直流伺服電動機轉速的控制。

由于勵磁回路所需的功率小于電樞回路，所以磁場控制時的控制功率小。但是，磁場控制有嚴重的缺點，例如在磁場控制時，勵磁電壓的調節范圍很小，過分弱磁會導致電動機運行不穩定以及換向惡化；由于勵磁繞組電感較大，磁場控制時的響應速度較慢等。所以，在自動控制系統中，磁場控制很少被采用，或只用于小功率電動機中。