直流电机控制（一）

做硬件会经常的和直流电机打交道，很多直流电机体积小，应用广泛，就我所涉及的领域，机器人就会设计很多直流电机的精确控制。这里参照《电力拖动自动控制系统——运动控制系统》一书，对直流电动机的控制从理论入手，结合所做项目设计的电机控制方法，让理论“接地气”，从而让技术人员走的更远，思考更有深度。

《电力拖动自动控制系统——运动控制系统》这本书其本质就涉及两大块的内容：直流电机的控制系统的设计，交流电机的控制系统的设计。直流电机的控制大家可能会很熟悉，单片机的pwm控制，调节占空比，从而调节转速……交流电机的控制技术的研究主要是由于交流电动机寿命长，维护成本低，可直接用于电网……这里从直流电机开始！

先来一个公式：直流电动机转速和其他参量之间的稳态关系

n=（U-IR）/(Keφ)

n——转速；

U——电枢电压；

I——电枢电流；

R——电枢回路总电阻；

φ——励磁磁通；
Ke——常数（由电机结构决定）；

首先电枢电流是由电机负载决定的，电机负载大，则电枢电流大。Ke是常数，有电机结构决定的，基本不会影响到调速。所以目前来看调速只能通过控制电枢电压，电枢回路的电阻，降低励磁磁通来决定了。

如果负载一定的话，我们通过调节U，R，φ，都可以调节转速，电阻调速简单，但耗能。励磁磁通的产生是由于励磁电流，有一些小的直流电机使用的是永磁体，所以改变磁通不是一个调速的好方法。

所以改变电枢电压调速成为现在直流调速的主体。其优点是调速性能更稳定，更平滑，更快。

调节电枢电压也就是调节电机输入的电压大小。电机作为一个执行器，我们希望它能够实现精确的速度控制，加速度控制（转矩控制）。我们设想一下，电机负载一定的情况，我们给出一个电压，电机稳态的转速理论上是可以确定的，但是受各种因素的影响，这种理想情况很难达到，所以结合经典自动控制理论，可以实现这一目的。经典自动控制理论最重要的思想是反馈调节，这个理论能做什么呢？这些理论都是作为设计，制造实际产品的工具，没有书上写的那么玄乎，我们重点知道他们能解决什么问题。首先经典自控理论所描述的方法是针对线性环节，先来一张闭环控制系统的原理框图：

每个矩形框里面都是一个环节，都可以用数学描述为一个方程。例如温度的自动控制系统框图可根据这个原理描述为：

经典控制理论的特点是以输入输出特性（主要是传递函数）为系统数学模型，采用频率响应法和根轨迹法这些图解分析方法，分析系统性能和设计控制装置。

重点是最后一句，分析系统的性能和设计控制装置，性能无非是，系统稳定性，动态特性，静态特性。我们所关心的是控制器，我们可以设计一款控制器是我们的执行器直流电机打到我们的要求就行了。