直流电机控制(整理版)

直流电机控制
Compiler：Tony
序：因最近一个直流电机项目，在网上找了些资料，对这些资料不置过多评论，只想去其糟粕取其精华，遂将其整理，其一为自己以后翻查方便，其二可以方便他人学习。

摘要
运动控制系统是以机械运动的驱动设备──电机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子器件及功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。

这类系统控制电机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动控制的运动要求。

可以看出，控制技术的发展是通过电机实现系统的要求，电机的进步带来了对驱动和控制的要求。

电机的发展和控制、驱动技术的不断成熟，使运动控制经历了不同的发展阶段。

直流电机由于具有速度控制容易，启、制动性能良好，且在宽范围内平滑调速等特点而在冶金、机械制造、轻工等工业部门中得到广泛应用。

本文主要介绍直流电机结构工作原理、PWM调制原理、光电码盘工作原理、以及PID反馈控制简介。

关键词：直流电机；PWM；光电码盘；PID
目录
直流电机控制 (1)
第一章直流电机的结构及工作原理 (1)
1.1 直流电机的结构 (1)
1.1.1 定子 (1)
1.1.2 转子 (3)
1.2 直流电机工作原理 (4)
第二章PWM调制原理 (7)
2.1 PWM控制技术 (7)
2.2.1 PWM概念 (7)
2.2.2 冲量等效理论 (7)
2.2 使用PWM 控制技术控制直流电机 (8)
2.2.1 PWM控制直流电机转速 (9)
2.2.2 PWM控制直流电机正反转 (9)
第三章光电编码器在电机控制中的应用 (10)
3.1 光电编码器介绍 (10)
3.1.1 绝对式光电编码器 (11)
3.1.2 增量式光电编码器 (11)
3.2增量式编码器的工作原理 (12)
3.3光电编码器测量转速与正反转 (15)
3.3.1 使用使用增量式光电编码器来判别电机转速原理 (15)
3.3.2 使用增量式光电编码器来判别电机正反转原理 (17)
3.3.3 增量式光电编码器的反馈脉冲的四倍频原理 (17)
3.4光电编码器的应用电路 (18)
3.4.1 光电编码器在汽车方向盘上的应用 (18)
3.4.2 光电编码器在重力测量仪中的应用 (19)
第四章用PID算法反馈控制直流电机 (22)
4.1 PID算法简介 (22)
4.2 PID闭环控制 (23)
4.3 PID闭环控制性能评价 (24)
参考文献：百度文库 (24)
第一章直流电机的结构及工作原理
1.1 直流电机的结构
直流电机由静止的定子和旋转的转子两大部分组成，在定子和转子之间有一定大小的间隙(称气隙)。

图1-1 直流电机结构
1-直流电机总体图；2-后端盖；3-通风机；4-定子；
5-转子；6-电刷装置；7-前端盖
1.1.1 定子
直流电机定子的作用是产生磁场和作为电机的机械支撑。

主要由机座、主磁极、换向极和电刷装置等组成。

(1)机座
机座兼起机械支撑和导磁磁路两个作用。

它既用来作为安装电机所有零件的外壳，又是联系各磁极的导磁铁轭。

机座通常为铸钢件，也有采用钢板焊接而成的。

(2)主磁极
主磁极是一个电磁铁，如图2-8所示，由主极铁心和主极线圈两部分组成。

主极铁心一般用1-1.5mm厚的薄钢板冲片叠压后再用铆钉铆紧成一个整体。

小型电机的主极线圈用绝缘铜线（或铝线）绕制而成，大中型电机主极线圈用扁铜线
绕制，并进行绝缘处理，然后套在主极铁心外面。

整个主磁极用螺钉固定在机座内壁。

图1-2 主磁极
1-机座；2-主极螺钉；3-主极铁心；4-框架；5-主极绕组；6-绝缘垫衬
(3)换向极
换向极又称为附加极，它装在两个主极之间，用来改善直流电机的换向。

换向极由换向极铁心和换向极线圈构成。

换向极铁心大多用整块钢加工而成。

但在整流电源供电的功率较大电机中，为了更好地改善电机换向，换向极铁心也采用叠片结构。

换向极线圈与主极线圈一样也是用圆铜线或扁铜线绕制而成，经绝缘处理后套在换向极铁心上，最后用螺钉将换向极固定在机座内壁。

(4)电刷装置
电刷装置的作用是通过电刷与换向器表面的滑动接触，把转动的电枢绕组与外电路相连。

电刷装置一般由电刷、刷握、刷杆、刷杆座等部分组成，如图2-9所示。

电刷一般用石墨粉压制而成。

电刷放在刷握内，用弹簧压紧在换向器上，刷握固定在刷杆上，刷杆装在刷杆座上，成为一个整体部件。

图1-3 电刷装置
1-刷杆座；2-弹簧；3-刷杆；4-电刷；5-刷握；6-绝缘杆
1.1.2 转子
转子又称电枢，主要由转轴、电枢铁心、电枢绕组和换向器等组成。

(1)转轴
转轴的作用是用来传递转矩，一般用合金钢锻压而成。

(2)电枢铁心
电枢铁心是电机磁路的一部分，也是承受电磁力作用的部件。

当电枢在磁场中旋转时，在电枢铁心中将产生涡流和磁滞损耗，为了减小这些损耗的影响，电枢铁心通常用0.5mm厚的电工钢片迭压而成，电枢铁心固定在转子支架或转轴上。

电枢铁心冲片如图2-10所示，沿铁心外圈均匀地分布有槽，在槽内嵌放电枢绕组。

图1-4 电枢铁心冲片和铁心
1-电枢铁心；2-换向器；3-绕组元件；4-铁心冲片
(3)电枢绕组
电枢绕组的作用是产生感应电势和通过电流产生电磁转矩，实现机电能量转换。

它是直流电机的主要电路部分。

电枢绕组通常都用圆形或矩形截面的导线绕制而成，再按一定规律嵌放在电枢槽内，上下层之间以及电枢绕组与铁心之间都要妥善地绝缘。

为了防止离心力将绕组甩出槽外，槽口处需用槽楔将绕组压紧，伸出槽外的绕组端接部分用无纬玻璃丝带绑紧。

绕组端头则按一定规律嵌放在换向器钢片的升高片槽内，并用锡焊或氩弧焊焊牢。

(4)换向器
换向器的作里是机械整流，即在直流电动机中，它将外加的直流电流逆变成绕组内的交流电流；在直流发电机中，它将绕组内的交流电势整流成电刷两端的直流电势。

换向器的结构如图2-11所示。

换向器由许多换向片组成，换向片间用云母片绝缘。

换向片凸起的一端称升高片，用以与电枢绕组端头相连，换向片下部作成燕尾形，利用换向器套筒、V形压圈及螺旋压圈将换向片、云母片紧固成一个整体。

在换向片与换向器套筒、压圈之间用V形云母环绝缘，最后将换向器压装在转轴上。

图1-5 换向器
1-螺旋压圈；2-换向器套筒；3-V形压圈；4-V形云母环；5-换向铜片；6-云母片。

1.2 直流电机工作原理
直流电动机的工作原理是基于载流导体在磁场中受力产生电磁力形成电磁转矩的基本原理。

但要获得恒定方向的转矩，需将其外电路的直流电流变为绕组中的交流电流，即同样需要机械整流装置。

图1-6 直流电机的物理模型图
其中，固定部分有磁铁，这里称作主磁极；固定部分还有电刷。

转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。

(其中2个小圆圈是为了方便表示该位置上的导体电势或电流的方向而设置的)。

上图表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。

定子与转子之间有一气隙。

在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。

换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。

换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。

在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。

当给电刷加一直流电压，绕组线圈中就有电流流过，由电磁力定律可知导体会受到电磁力作用。

导体处于N极下与电刷A接触电流向里流，产生电磁力矩为逆时针；导体处于S极下与电刷B接触电流向外流，产生电磁力矩仍为逆时针。

转子在该电磁力矩作用下开始旋转。

如图1-7所示，当a、b电刷接在直流电源上，电机的轴上带着被拖动的负载。

图1-7 直流电动机的工作原理
(a)起始位置；(b)转过半周时的位置
当直流电流从电刷a流人，经换向片1、线圈abcd、换向片2，由电刷b流出时，如图1—3(a)所示，载流导体在磁场中将受到电磁力的作用，据左手定则，使线圈沿逆时针方向转动。

当电枢转过半周时，如图1—3(b)所示，dc处于n极下，ab处于s极下，此时电流仍从电刷a流入，经换向片2、线圈dcba、换向片1，最后由电刷b流出，据左手定则，此时线圈仍然沿逆时针方向转动。

因此，电枢将沿一个恒定方向转动。

实际上，直流电动机的电枢上有许多线圈，这些线圈产生的电磁转矩合成为一个总的电磁转矩，拖动负载转动。

总之，在上述直流电动机的工作过程中，单从电枢线圈的角度看，每个导体中的电流方向是交变的；但从磁极看，每个磁极下导体中电流的方向是固定的，即不管是哪个导体运行到该极下，其中的电流方向总是相同的。

因此，直流电动机可获得恒定方向的电磁转矩，使电机持续旋转。

这就是直流电动机的工作原理。

第二章PWM调制原理
2.1 PWM控制技术
2.2.1 PWM概念
脉冲宽度调节（PWM）是英文Pulse Width Modulation的缩写，简称脉宽调制。

它通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值）。

脉宽调制是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

2.2.2 冲量等效理论
在采样控制理论中，有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

冲量指窄脉冲的面积。

效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同，低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

例如用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，将正弦半波N等分，看成N 个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等，如图2-1中a图所示；将这些脉冲序列用矩形脉冲代替，等幅、不等宽，二者中点重合，各矩形脉冲的面积（冲量）与a图中对应的脉冲相等，其宽度按正弦规律变化，如图2-1中b图所示。

可以看出，等幅值、不同宽度的一系列矩形脉冲与正弦半波的作用是等效的。

要改变等效输出正弦波的幅值，按同一比例改变各矩形脉冲宽度即可。

因此可以用等幅值、不同宽度的一系列脉冲来等效模拟信号波形。

对于直流电压或电流，可以简单地用一系列等幅值、等宽度的脉冲来等效。

而要改变电压或电流大小，只要使用高分辨率的计数器，调整输出方波的占空比（在一串理想的脉冲序列中，正脉冲的持续时间与脉冲周期的比值），即可对模拟电平信号进行编码，实现数字系统对模拟电压或电流大小的精确控制。

PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。

电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。

通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。

只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM 进行编码。

大多数负载（无论是电感性负载还是电容性负载）需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1KHz到200KHz之间。

图2-1 PWM与正弦波冲量等效
2.2 使用PWM 控制技术控制直流电机
PWM信号只有两种状态，高电平和低电平，对于一个给定的周期来说，高电平所占的时间和总的一个周期时间之比叫做占空比，电机的速度与施加的平均电压成正比，输出转矩则与电流成正比。

直流电机高效运行的最常见方法是施加一个 PWM（脉宽调制）方波，其通-断比率对应于所需速度。

即直流电机的转速正比于在一个周期内PWM的电压有效值。

电机起到一个低通滤波器作用，
将 PWM 信号转换为有效直流电平。

PWM 驱动信号很常用，因为使用微处理器的控制器很容易产生 PWM 信号。

虽然用精确的脉冲宽度可以调节电机的速度，实际应用中的 PWM 频率却是可变的。

驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。

2.2.1 PWM 控制直流电机转速
改变加到直流电机电枢两端的直流驱动电压，即可改变电机的转速；改变该驱动电压的极性，即可改变电机的旋转方向。

使用PWM(脉宽调制)方法，可以方便地改变加给电机电枢的平均电压的大小，其基本原理可由图2-2说明。

设U i 是三极管基极的控制电压，U M 为电机两端的直流电压，它们的波形如图2所示，在一个周期T 内，它的平均电压UM 为 T t U cc M U 1⨯=△ 令D T
t =1△，称矩形波的占空比，可知，改变控制信号的占空比就可以改变电机的转速。

图2-2 PWM 控制直流电机转速
2.2.2 PWM 控制直流电机正反转
改变加给电枢的直流电压极性，即能改变电机旋转方向；方案之一是使用直流继电器来改变供电极性，另一种方案使用两组晶体三极管构成切换电路，如图2-3所示，全桥式驱动电路的4只开关管都工作在斩波状态，T1、T2为一组，T3、T4 为另一组，两组开关的状态互补，一组导通则 另一组必须关断。

当T1、T2导通时，T3、 T4关断，电机两端加正向电压，可以实 现电机的正转或反转制动；当T3、T4导 通时，T1、T2关断，电机两端为反向电 压，电机反转或正转制动。

+UCC Ui Um
M Ui
t
Um
Ucc
T
t
Δt1 +Ucc
+5V C
图2-3 PWM控制直流电机正反转
(1)当A=1(高电平)：则B=0 →T1导通→T2导通；C=1 →T3 截上→T4截上；于是
电流i1流经由机M的路径为：Ucc→T1→M→T2→地，电机正转。

(2)若A=0(低电平)：则B=1 →T1截上→T2截上；C=0 →T3导通→T4导通；于是
电流i2的流径电机M的路径为：Ucc→T3→M→T4→地，电机反转。

第三章光电编码器在电机控制中的应用
3.1 光电编码器介绍
光电编码器是一种旋转式位置传感器，光电编码器是通过读取光电编码盘上的图案或编码信息来表示与光电编码器相连的电机转子的位置信息的。

在现代伺服系统中广泛应用于角位移或角速率的测量，它的转轴通常与被测旋转轴连接，随被测轴一起转动。

它能将被测轴的角位移转换成二进制编码或一串脉冲。

根据光电编码器的工作原理可以将光电编码器分为绝对式光电编码器与增量式光电编码器两种类型。

增量式光电编码器具有结构简单、体积小、价格低、精度高、响应速度快、性能稳定等优点，应用更为广泛。

在高分辨率和大量程角速率／位移测量系统中，增量式光电编码器更具优越性。

绝对式编码器能直接给出对应于每个转角的数字信息，便于计算机处理，但当进给数大于一转时，须作特别处理，而且必须用减速齿轮将两个以上的编码器连接起来，组成多级检测装置，使其结构复杂、成本高。

3.1.1 绝对式光电编码器
绝对式光电编码器如图所示，他是通过读取编码盘上的二进制的编码信息来表示绝对位置信息的。

编码盘是按照一定的编码形式制成的圆盘。

图3-1是二进制的编码盘，图中空白部分是透光的，用“0”来表示;涂黑的部分是不透光的，用“1”来表示。

通常将组成编码的圈称为码道，每个码道表示二进制数的一位，其中最外侧的是最低位，最里侧的是最高位。

如果编码盘有4个码道，则由里向外的码道分别表示为二进制的23、22、21和20，4位二进制可形成16个二进制数，因此就将圆盘划分16个扇区，每个扇区对应一个4位二进制数，如0000、0001、 (1111)
图3-1 绝对式光电编码器
按照码盘上形成的码道配置相应的光电传感器，包括光源、透镜、码盘、光敏二极管和驱动电子线路。

当码盘转到一定的角度时，扇区中透光的码道对应的光敏二极管导通，输出低电平“0”，遮光的码道对应的光敏二极管不导通，输出高电平“1”，这样形成与编码方式一致的高、低电平输出，从而获得扇区的位置脚。

3.1.2 增量式光电编码器
增量式编码器是指随转轴旋转的码盘给出一系列脉冲，然后根据旋转方向用计数器对这些脉冲进行加减计数，以此来表示转过的角位移量。

增量式光电编码
器结构示意图如图3-2所示。

图3-2增量式光电码盘结构示意图
光电码盘与转轴连在一起。

码盘可用玻璃材料制成，表面镀上一层不透光的金属铬，然后在边缘制成向心的透光狭缝。

透光狭缝在码盘圆周上等分，数量从几百条到几千条不等。

这样，整个码盘圆周上就被等分成n个透光的槽。

增量式光电码盘也可用不锈钢薄板制成，然后在圆周边缘切割出均匀分布的透光槽。

3.2增量式编码器的工作原理
增量式编码器的工作原理如图3-3所示。

它由主码盘、鉴向盘、光学系统和光电变换器组成。

在图形的主码盘（光电盘）周边上刻有节距相等的辐射状窄缝，形成均匀分布的透明区和不透明区。

鉴向盘与主码盘平行，并刻有a、b两组透明检测窄缝，它们彼此错开1/4节距，以使A、B两个光电变换器的输出信号在相位上相差90°。

工作时，鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一起转动，光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。

当主码盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线被全部遮住，光电变换器输出电压为最小；当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输出电压为最大。

主码盘每转过一个刻线周期，光电变换器将输出一个近似的正弦波电压，且光电变换器A、B的输出电压相位差为90°。

图3-3增量式编码器工作原理图3-4光电编码器的输出波形
光电编码器的光源最常用的是自身有聚光效果的发光二极管。

当光电码盘随工作轴一起转动时，光线透过光电码盘和光栏板狭缝，形成忽明忽暗的光信号。

光敏元件把此光信号转换成电脉冲信号，通过信号处理电路后，向数控系统输出脉冲信号，也可由数码管直接显示位移量。

光电编码器的测量准确度与码盘圆周上的狭缝条纹数n有关，能分辨的角度α为：α=360°/n；分辨率=1/n ，例如：码盘边缘的透光槽数为1 024个，则能分辨的最小角度α=360°/1 024=0.352°。

为了判断码盘旋转的方向，必须在光栏板上设置两个狭缝，其距离是码盘上的两个狭缝距离的（m+1/4）倍，m为正整数，并设置了两组对应的光敏元件，如图1中的A、B光敏元件，有时也称为cos、sin元件。

当检测对象旋转时，同轴或关联安装的光电编码器便会输出A、B两路相位相差90°的数字脉冲信号。

光电编码器的输出波形如图3-4所示。

为了得到码盘转动的绝对位置，还须设置一个基准点，如图3-5中的“零位标志槽”。

码盘每转一圈，零位标志槽对应的光敏元件产生一个脉冲，称为“一转脉冲”，见图3-4中的C0脉冲。

图3-5 增量式光电编码器
图3-6给出了编码器正反转时A、B信号的波形及其时序关系，当编码器正转时A信号的相位超前B信号90°，如图4(a)所示；反转时则B信号相位超前A信号90°，如图4(b)所示。

A和B输出的脉冲个数与被测角位移变化量成线性关系，因此，通过对脉冲个数计数就能计算出相应的角位移。

根据A和B之间的这种关系正确地解调出被测机械的旋转方向和旋转角位移/
速率，就是所谓的脉冲辨向和计数。

脉冲的辨向和计数既可用软件实现也可用硬件实现。

图3-6 正反转波形及时序
3.3光电编码器测量转速与正反转
3.3.1 使用使用增量式光电编码器来判别电机转速原理
可以利用定时器/计数器配合光电编码器的输出脉冲信号来测量电机的转速。

具体的测速方法有M法、T法和M/T法3种。

M法又称之为测频法，其测速原理是在规定的检测时间Tc内，对光电编码器输出的脉冲信号计数的测速方法，如图3-7所示，例如光电编码器是N线的，则每旋转一周可以有4N个脉冲，因为两路脉冲的上升沿与下降沿正好使编码器信号4倍频。

现在假设检测时间是Tc，计数器的记录的脉冲数是M1，则电机的每分钟的转速为。

图3-7 M法测速原理
在实际的测量中，时间Tc内的脉冲个数不一定正好是整数，而且存在最大半个脉冲的误差。

如果要求测量的误差小于规定的范围，比如说是小于百分之一，那么M1就应该大于50。

在一定的转速下要增大检测脉冲数M1以减小误差，可以增大检测时间Tc单考虑到实际的应用检测时间很短，例如伺
服系统中的测量速度用于反馈控制，一般应在0.01秒以下。

由此可见，减小测量误差的方法是采用高线数的光电编码器。

M法测速适用于测量高转速，因为对于给定的光电编码器线数N机测量时间Tc条件下，转速越高，计数脉冲M1越大，误差也就越小。

T法也称之为测周法，该测速方法是在一个脉冲周期内对时钟信号脉冲进行计数的方法，如图3-8所示。

例如时钟频率为fclk,计数器记录的脉冲数为M2，光电编码器是N线的，每线输出4N个脉冲，那么电机的每分钟的转速为
为了减小误差，希望尽可能记录较多的脉冲数，因此T法测速适用于低速运行的场合。

但转速太低，一个编码器输出脉冲的时间太长，时钟脉冲数会超过计数器最大计数值而产生溢出；另外，时间太长也会影响控制的快速性。

与M法测速一样，选用线数较多的光电编码器可以提高对电机转速测量的快速性与精度。

图3-8 T法测速原理
M/T法测速是将M法和T法两种方法结合在一起使用，在一定的时间范围内，同时对光电编码器输出的脉冲个数M1和M2进行计数，则电机每分钟的转速。

实际工作时，在固定的Tc时间内对光电编码器的脉冲计数，在第一个光电编码器上升沿定时器开始定时，同时开始记录光电编码器和时钟脉冲数，定时器定时Tc时间到，对光电编码器的脉冲停止计数，而在下一个光电编码器的上升沿到来时刻，时钟脉冲才停止记录。

采用M/T法既具有M法测速的高速优点，又具有T法测速的低速的优点，能够覆盖较广的转速范围，测量的精度也较高，在电机的控制中有着十分广泛的应用。

3.3.2 使用增量式光电编码器来判别电机正反转原理
增量式光电编码器输出两路相位相差90o的脉冲信号A和B，当电机正转时，脉冲信号A的相位超前脉冲信号B的相位90o，此时逻辑电路处理后可形成高电平的方向信号Dir。

当电机反转时，脉冲信号A的相位滞后脉冲信号B的相位90o，此时逻辑电路处理后的方向信号Dir为低电平。

因此根据超前与滞后的关系可以确定电机的转向。

其转速辩相的原理如图3-9所示
图3-9转向判别原理图
3.3.3 增量式光电编码器的反馈脉冲的四倍频原理
在使用增量式编码器时，通过计相位相5差的两路正交脉冲信号A和B的上升沿与下降沿已达到将增量式编码器的反馈脉冲四倍频的目的。

这样在不增加增量式光电编码器的线数的情况下，就可以获得更精度高的位置脉冲信息，以实现对电机位置的精确控制。

其工作原理与脉冲的相位关系如图3-10所示。

图3-10 脉冲四倍频相位关系图。