在闭环下控制直流电机的速度

有刷直流和无刷直流电机通常以开环驱动，利用电压产生特定速度。但是，当施加负载时，转速会根据电机的 特定速度 — 转矩特性而自然下降。许多应用可以承受这种自然下降而不会出现任何问题，如个人钻机或电动 螺丝刀。然而，对于高要求应用（例如，蠕动泵或某些手术电动工具），保持速度极其稳定并准确控制电机速 度至关重要。为了在直流电机中将此速度连续调节到所需值，可以使用带有闭环速度控制的控制器。在本文中， 我们将介绍闭环系统和开环系统之间的区别，并探索如何使用闭环速度控制来调节直流电机。

识别直流电机的速度转矩特性

直流电机具有特定的速度转矩特性，这意味着在给定电压下，电机将 按特定速度旋转，该速度会根据施加的转矩而降低。速度与电压呈线 性变化，电压翻倍将使速度翻倍（图 1）。

我们知道特定电压下电机的空载速度和堵转转矩后，即可找到此特征 曲线。如果未施加转矩，则电机将按以下公式计算得到的空载速度旋转 （不考虑旋转损耗）：

电机将在堵转转矩下停止，堵转转矩矩是电机在特定电压下可以提供的最大转矩；这可以用以下公式计算 得到：

直流电机中的开环速度控制

许多应用都要求对直流电机进行简单控制，以达到所要求的运动，这通常通过产生定义的电压周期来完成；这种 方式无法验证速度，因此预计电机按照其速度转矩特性正常运行。这被称为开环（图 2）。

在开环中，如果负载增加，电机速度将下降。一个很好的例子是使用 个人钻头，随着钻孔变得更加困难（电机负载增加），您会感觉到 钻机的速度降低。虽然这种驱动电机的方式是多种应用的理想选择， 但使用更强大的电机或添加齿轮箱可能是一种降低速度损失的解决 方案。然而，这种现象仍然存在，可能是关键应用的问题。

直流电机中的闭环速度控制

对于某些应用，保持稳定速度或在负载转矩增加时提供最大功率非常 重要。在这些情况下，您可以考虑使用具有闭环速度控制功能的控制 器。这种控制器将持续测量电机的实际速度，其反馈由霍尔传感器、 编码器或将监测电机 EMF 的任何过程提供。然后，控制器将此速度 与参考值进行比较，并根据所需的速度命令重新调整电压或电流以保持恒定速度。

可用电压和电流通常受给定应用的限制（热或电源限制），这会对电机可提供的速度和转矩产生限制。图 6 示出 了这些边界：

• 请注意，ωref 是命令生成的、并且由控制器确定为目标的参考速度。
• 从 A 点到 B 点，速度控制正常运行，并根据参考速度 ωref 保持速度稳定。
• 如果负载超过 B 点值（如 C 点所示），则电机将表现为在电压控制下控制；即，速度将随电机在最大可用 电压下的速度转矩特性而降低。这对应 ωavail，即最大可用速度。
• 如果负载大于 D 点的最大转矩值 Tmax，则电机将停止。该最大转矩是根据电机的扭矩常数和最大可用电流 Imax 用以下公式计算得到:

注意：目标速度和读取速度之间将保持较小的速度差，必须验证此错误值是否可接受。这被称为残差偏差。

重点领域的应用：外科手术手持工具

开环与闭环速度控制的讨论最好在以特定应用为基础时理解。 在这里，我们重点介绍手术手持工具，这些工具可在开环或闭 环中工作。Portescap 提供两种类型的控制器来适应每个外科手 术工具制造商的偏好。

通过速度控制（闭环）控制外科手术手持工具的 速度

使用速度控制时，用户将按下按钮来定义要求的速 度。当对钻孔或切割施加负载时，速度将保持稳定， 这意味着用户不必继续按下按钮来增加转矩。为此， 控制器将自动将电机速度保持在所要求的参考速度， 即使转矩增大到 B 点（图 7）也是如此。如图 7 所 示，从 B 点到 C 点，速度会根据电机在最大可用电压 下的速度转矩特性而降低。由于电流限制，电机将在 C 点停止。

通过电压控制（开环）控制外科手术手持工具的 速度

使用电压控制时，用户将按下按钮来定义要求的电压。当对钻孔或切割施加负载时，速度将下降；然后用户必须 进一步按下按钮以获得更大的转矩。速度调整将由用户连续完成。如图 7 所示，如果最大可用电压 (ωavail) 高于 用于达到最大电机转速 (ωmax) 的电压，则最大电机功率将受到限制。对于参考速度，我们将在 M 点而不是 B 点 获得最大转矩。

结论

虽然直流电机通常在开环中驱动，但闭环速度控制为控制电机速度提供了有效的选择，特别是对于需要精确 速度控制的关键应用。了解在应用或产品中使用哪种速度控制方法可能很棘手，这就是为什么在流程的早期与 Portescap 这样值得信赖的电机供应商合作是关键。无论您是在设计下一代应用，还是专门寻找用于速度或电压 控制的控制器，Portescap 的工程师都可以随时为您提供帮助。

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