电机控制2---带光电编码器式直流电动机模型及控制(1)

 

一、直流电动机

         1.直流电动机模型

           直流电动机包含定子和转子两部分，直流电动机输入电源为直流电压，定子为永磁铁，转子上包含线圈绕组，以及转轴和电刷。结构模型可参考下图。

                          

             直流电动机工作方式可描述如下：直流电动机电枢通入直流电，在线圈绕组中通过电流，绕组周围产生磁场，根据电枢磁场与定子磁场的方向可使转子旋转，旋转一定位置之后，电刷位置变化，接入直流电源方向变换，磁场换向，直流电动机转子保持上一旋转方向旋转。

            电枢电流决定了产生的励磁磁场的强度，直流电动机的励磁方式有他励、并励、串励、复励四种。并励励磁方式如下图

励磁电流为：                                                                                          （1）

       并励励磁时，励磁电流与输入电压呈正比关系。显然，调整输入电压，也就能调整励磁电流，从而达到改变励磁磁场强度，也就能间接地改变直流电动机转速。励磁电流指的是铁芯中流过的电流。

      电枢电流是线圈中电流，其与电磁转矩有直接联系。用公式表达为：        (2)

        Ia为电枢电流，p为磁极对数，N为线圈匝数，Φ为铁芯中的磁通量。可见电磁转矩与磁通量和电枢电流Ia相关。

       并励时，电枢电流与输入电压的关系为:              （3）

         Ui为输入电压，Ra为电枢电路电阻。

          电机控制主要集中三点，第一位电流环控制，在此基础之上有速度环控制，速度环可控稳定基础上在进行位置环控制。

           由前面讨论可知，电流环的控制实质是对输入电压的调整，再结合闭环控制，就实现了电流环控制。

 

二、光电编码器

               电流环、速度环、位置环控制一般采用闭环控制，用到闭环就需要使用特定的传感器测得电机当前的电枢电流信息、速度信息、位置信息。这就涉及到传感器技术。

                带光电编码器式直流电动机，如下图。

 

         光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器， 光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图1所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判定旋转方向，码盘还可提供相位相差90o的两路脉冲信号。 根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、尽对式以及混合式三种。 

          详细信息可以参考：光电编码器工作原理

 

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