直流电机如何控制

直流电机凭借其结构简单、扭矩特性优异以及调速方便等突出优点，在工业自动化、新能源汽车、家用电器等诸多领域占据着核心地位。其控制技术的核心在于对电机转速和转向的精确调节，这主要通过改变施加在电机两端的电压或电流来实现。本文将从最基本的电压控制原理切入，逐步深入到脉宽调制等先进技术，并系统阐述速度与位置的闭环控制策略，旨在为读者构建一个全面而深入的直流电机控制知识体系。

       直流电机，作为一种将直流电能转换为机械能的装置，其控制技术的发展和精进是现代工业进步的缩影。从精密的机器人关节到庞大的龙门机床，从疾驰的电动汽车到日常的家用电器，直流电机控制系统的性能直接决定了整个设备的动态响应、能效水平以及运行精度。因此，深入理解并掌握直流电机的控制原理与方法，对于相关领域的工程师和技术爱好者而言，是一项至关重要且极具价值的知识储备。

一、直流电机的基本控制原理

       直流电机的运行遵循着基本的电磁作用定律。其核心原理在于，通过控制输入电枢绕组的电流大小和方向，来精确调控产生的电磁转矩，进而实现对电机转速和旋转方向的控制。当电枢绕组中有电流流过时，在磁场中会受到安培力的作用，从而产生驱动转子旋转的转矩。这个转矩的大小与电枢电流以及气隙磁通的乘积成正比。因此，控制电枢电流就成为控制电机输出扭矩和转速的最直接手段。

       在实际应用中，根据直流电机的励磁方式不同，例如他励、并励、串励和复励，其控制特性也会有所差异。但他励直流电机因其励磁电路和电枢电路可以独立控制，具有最优良的调速性能，因而在需要高精度控制的场合应用最为广泛。本文后续的讨论将主要围绕他励直流电机展开。

二、最基础的调速方法：调节电枢电压

       在励磁磁通保持恒定的情况下，直流电机的转速近似与施加在电枢两端的电压成正比。这意味着，通过平滑地改变电枢电压，就能在宽广的范围内实现对电机转速的无级调速。这是直流电机相较于交流电机的一大优势。早期常采用的可控硅整流装置或大功率线性稳压电源来提供可调的直流电压，虽然原理直观，但这类方法存在效率较低、设备体积庞大、响应速度慢等缺点。

三、革命性的控制技术：脉宽调制

       脉宽调制技术的出现，是直流电机控制领域的一场革命。其核心思想并非直接改变电压的幅度，而是通过一个高频率的开关电路，控制电源接通和断开的时间比例，从而在电机两端获得一个平均电压可变的等效直流电压。具体来说，在一个固定的开关周期内，电源接通的时间所占的比例称为占空比。占空比越大，输出的平均电压就越高，电机转速也就越快；反之亦然。

       这种开关式控制方式使得功率器件大部分时间工作在全然导通或全然关断的状态，其自身的功率损耗极小，因此系统效率可以高达百分之九十以上。同时，由于开关频率通常远高于电机的机械响应频率，电机电感的平滑作用使得电枢电流连续平稳，不会产生剧烈的转矩脉动，保证了运行的平稳性。

四、实现脉宽调制的核心：H桥电路

       要实现电机的正反转控制以及有效的制动，单一的开关管是无法胜任的。这时，H桥电路便成为了标准配置。H桥由四个开关管构成桥式结构，电机作为负载连接在桥臂中间。通过精确控制这四个开关管的通断组合，可以轻松实现电机的正转、反转以及能耗制动等功能。结合脉宽调制技术对桥臂进行控制，就能在双向控制的基础上，实现对转速的精确调节。现代专用的电机驱动芯片内部通常都集成了完整的H桥电路以及相应的控制逻辑和保护电路。

五、开环控制与闭环控制

       开环控制是指控制系统输出指令，但不检测实际的输出结果。在直流电机控制中，这意味着给定一个固定的脉宽调制占空比，但不去理会电机是否达到了预期的转速。这种控制方式简单，但无法克服负载变化、电源电压波动等因素带来的转速偏差，控制精度和稳定性较差。

       闭环控制，也称为反馈控制，则是通过传感器实时检测电机的实际转速或位置，并将其与期望的目标值进行比较，根据产生的偏差信号来实时调整控制量。这种“检测-比较-纠正”的机制，使得系统能够自动抵抗内外部的干扰，始终将电机稳定在目标状态附近，从而获得极高的控制精度和动态性能。

六、速度闭环控制：让转速稳定如磐石

       速度闭环是直流电机控制中最常见、最核心的闭环应用。其系统构成主要包括速度检测装置、控制器以及功率驱动器。速度检测通常采用光电编码器或测速发电机，将机械转速转换为电信号反馈回来。控制器是系统的大脑，它接收目标转速与反馈转速的差值，并按照一定的控制算法计算出控制量。最经典的控制器是比例积分微分控制器，它能综合考虑当前偏差、历史累积偏差以及偏差的变化趋势，从而产生快速、平稳且无静差的控制效果。

七、位置闭环控制：精准到达指定角度

       当应用场景要求电机转子精确停止在某个特定角度时，就需要引入位置闭环控制。位置闭环通常建立在速度闭环的基础之上，构成串级控制结构。外环是位置环，负责计算目标位置与实际位置的偏差，并输出一个速度指令给内环的速度控制器。内环的速度控制器则负责快速跟踪这个速度指令，最终驱动电机准确到达并稳定在目标位置。机器人的关节控制、数控机床的进给系统等都是位置闭环控制的典型应用。

八、核心控制器件：比例积分微分控制器深度剖析

       比例积分微分控制器是闭环控制系统中应用最为广泛的调节器。其输出信号由比例、积分和微分三个部分线性组合而成。比例环节即时反映偏差的大小，决定系统的响应速度；积分环节累积历史偏差，用于消除稳态误差，实现无差调节；微分环节感知偏差的变化率，具有超前调节作用，能够有效抑制超调，提高系统稳定性。合理整定比例积分微分控制器的三个参数，是保证直流电机伺服系统获得优良动态和静态性能的关键。

九、现代控制策略：模糊控制与自适应控制

       对于复杂的、非线性的或被控对象模型不准确的系统，传统的比例积分微分控制器可能显得力不从心。这时，智能控制方法如模糊控制和自适应控制便展现出其优势。模糊控制模仿人的思维，不依赖于精确的数学模型，而是通过语言变量和模糊规则进行推理决策，对非线性系统有很好的控制效果。自适应控制则能在线辨识系统的参数变化，自动调整控制器参数，使系统始终保持在最优或次优的工作状态，特别适用于负载惯量变化大或环境参数漂移的场合。

十、微处理器与数字信号处理器：控制系统的智能大脑

       现代先进的直流电机控制系统无一例外地采用微处理器或数字信号处理器作为核心控制器。这些强大的数字芯片能够高速执行复杂的控制算法，如比例积分微分运算、模糊推理等，同时还能生成高精度的脉宽调制波形，处理多路传感器反馈信号，并实现通信、故障诊断等高级功能。数字控制的灵活性、可靠性和高性能，是模拟控制电路所无法比拟的。

十一、电流环：提升系统动态响应的内在回路

       在高性能的直流伺服驱动系统中，通常在速度环内部还会引入一个更快的电流闭环。电流环直接控制电枢电流，其响应速度远高于由机械惯性决定的速度环。电流环的引入，一方面可以限制电机的最大转矩，起到过流保护作用；另一方面，它使得电机能够快速响应转矩指令，将电机改造为一个理想的转矩源，极大地改善了速度环的动态跟踪性能和对负载扰动的抵抗能力。

十二、制动与能量回馈

       直流电机的快速制动是实现精准定位和安全运行的重要保障。常见的电气制动方法包括能耗制动和再生制动。能耗制动是将电机的动能通过外接电阻以热能形式消耗掉；而再生制动则是将动能转化为电能回馈给电网或储能装置，提高了系统的能效，在电动汽车和电梯等频繁启停的设备中意义重大。通过控制H桥的特定开关模式，可以方便地实现这两种制动方式。

十三、关键组件之传感器

       闭环控制的精度在很大程度上依赖于传感器的性能。用于速度检测的光电编码器可分为增量式和绝对式。增量式编码器结构简单，但断电后位置信息会丢失；绝对式编码器能够直接输出转子的绝对位置信息，无需寻零操作。测速发电机则能输出与转速成正比的模拟电压信号。对于位置检测，除了高精度的多圈绝对编码器外，电位器也可用于对精度要求不高的场合。

十四、抑制转矩脉动与噪声的策略

       即使是采用了脉宽调制技术，由于换向过程、磁路饱和、齿槽效应等因素，直流电机仍不可避免地存在一定的转矩脉动，这会导致转速波动和运行噪声。抑制措施包括改进电机本体的电磁设计、采用斜槽或斜极工艺、优化换向器与电刷材料。在控制策略上，可以采用电流前馈补偿、谐振控制器等先进算法，主动抑制特定频率的转矩脉动成分。

十五、面向未来的发展：无刷直流电机控制

       虽然本文重点讨论有刷直流电机，但必须提及其重要分支——无刷直流电机。无刷直流电机用电子换向器取代了机械电刷和换向器，具有寿命长、维护少、效率高、转速快等优点。其控制本质上是通过位置传感器检测转子磁极位置，从而控制逆变器各功率管的导通顺序，产生步进式的旋转磁场驱动永磁转子同步旋转。无刷直流电机的控制技术是当前电机驱动领域的研究热点和应用主流。

十六、实际应用中的选型与调试要点

       在实际工程项目中，直流电机控制系统的构建需要综合考虑多方面因素。电机选型需根据负载的转矩、转速、惯量要求确定额定参数。驱动器或控制器的功率等级必须与电机匹配，并留有余量。控制参数的整定，特别是比例积分微分参数的调整，需要结合理论计算和现场实验，常用的方法有临界比例度法、阶跃响应法等，以达到最佳的动态响应曲线。

十七、可靠运行的基石：保护电路设计

       一个健壮的控制系统必须包含完善的保护功能。常见的保护措施包括：过流保护，防止电机堵转或短路烧毁功率管；过压和欠压保护，确保电源工作在安全范围；过热保护，监控电机和驱动器的温度；以及互锁逻辑，防止H桥上下管直通造成短路。这些保护电路通常以硬件方式实现，确保响应的快速性和可靠性。

十八、总结与展望

       直流电机的控制是一门融合了电机学、电力电子技术、自动控制理论以及微处理器技术的综合性学科。从简单的电压调节到复杂的多闭环伺服控制，其技术内涵不断深化。随着半导体技术、数字信号处理技术和先进控制理论的持续发展，直流电机控制系统正朝着更高效率、更高精度、更高功率密度以及更智能化的方向演进，继续在工业4.0和智能制造的大潮中扮演不可或缺的关键角色。