直流电机基本工作原理与基本结构（直流电机知识分享）
直流电机基本工作原理与基本结构（直流电机知识分享）使励磁强度不变，把其他因素认为机械常数，简称增益K1则电枢电路感应电压直流电机的控制可以直接使用之前的直流电机模型、电压、转矩和功率，于是有 级联闭环控制系统实现转数可变的驱动在一个级联的闭环控制系统中，会有不止一个反馈环节来构成闭环，而是会有好几个连续级联的结构，有点像俄罗斯套娃。都是外加扰动项，n* M* I*都是目标值。这是总体的驱动控制结构。可以适用于直流电机，同步电机以及异步电机的驱动控制。
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微型电机驱动控制结构：一般说来，微型电机驱动时所关心的主要功能，就是其微电机输出轴的转矩M以及转数n。这两个参数共同作用，在合理机械结构的延展下，微电机就可以作为动力源，驱动各种设备，也就是一般自动化设备结构中的执行器。实质上，它就是将输入信号对应地以转矩以及转数的形式输出。
我们知道电动机输入信号是电压或是电流，对这些电信号在时域上合理编排，并且输出正确的电信号序列，就是控制器的功能。
三相驱动系统框图
上图是一个三相驱动系统，包含三相电源，整流逆变电路，数字控制器，角度编码器以及微型电动机，这也构成了一个基本的闭环反馈控制结构。中间的整流逆变电路即能够实现AC/DC以及DC/AC，即交流-直流，直流-交流的转换，在中间会用到PWM改变信号幅值以及频率。
级联闭环控制系统实现转数可变的驱动
在一个级联的闭环控制系统中，会有不止一个反馈环节来构成闭环，而是会有好几个连续级联的结构，有点像俄罗斯套娃。
都是外加扰动项，n* M* I*都是目标值。这是总体的驱动控制结构。可以适用于直流电机，同步电机以及异步电机的驱动控制。
直流电机的受控模型直流电机的控制可以直接使用之前的直流电机模型、电压、转矩和功率，于是有
使励磁强度不变，把其他因素认为机械常数，简称增益K1则电枢电路感应电压
考虑电枢电流iA暂态，电枢电感为LA，电压方程应为：
可以改写为：
同理，设增益K2有
并考虑转子机械动力学方程：
转子的转动惯量J，机械转数Ω=2πn，负载转矩ML：
如果把电枢电压UA视为控制输入，负载转矩ML视为扰动输入，则设电枢时间常数为
电枢增益
机械时间常数
对该线性系统做拉普拉斯变换：
整理可得：
系统输入电压输出电流的传递函数Gs(s)以及扰动的传递函数Gz(s)，它们之间有关系：
于是可以画出恒定励磁下的直流电机的传递函数框图
直流电机的传递函数框图
其中TA是一阶环节
的时间常数，
表示积分环节。可见，微型电机本身就有一个反馈环节，有可能自治稳定。但是由于微电机系统本身具有较大转动惯量，所以自带的转数反馈用于产生感应电压 Ui的影响，相对于快速变化的电流/转矩而言过小，可以忽略。
如果我们希望电流完全受控，那就要引入一个完整的控制环节，比如使用PI控制器，其比例积分增益为KP，积分时间常数为Ti。
直流电机的电流环传递函数框图
其传递函数为：
由于控制信号会有延迟，但是影响不大，延迟时间Tst可以约化为一阶环节：
忽略负载转矩的扰动影响，则原来的电压电流传递函数Gs(s)可以进一步化为时间常数分别为T1T2的极点形式：
以一些合理参数为例，其伯德图为：
直流电机电压电流传递函数伯德图
所以电流控制开环传递函数为：
假设延迟时间Tst<<T1 T2 TM并且T1>T2，故取Ti=T1，则：
则电流环闭环传递函数为：
电流闭环增益
时间常数
，其在不同比例积分增益Kp下有不同的闭环增益和闭环时间常数。
直流电机电流环增益变大的伯德图
可知，通过提高KP可以增大电流环带宽。
如果想对直流电机的转数进行控制，可以在电流环外面再套上一圈转数环(速度环)，进行反馈控制。可以再度使用一个PI控制器，并忽略电机本身的转速反馈影响，于是有速度环的框图。
直流电机的速度环框图
把延迟的积分环节融入控制环，速度环的开环传递函数为：
如果选取时间常数使用对称最优，那么只有当Ti n>Tg i时，系统才能稳定，否则开环传递函数的相位会有φK<-π。可以从伯德图中看出
直流电机速度环开环伯德图
那么如何求出合适的比例积分增益以及时间常数呢？
首先考察这个齐次项
，它的相角为：φ0=arctan(Ti nω)-arctan(Ti nω)
对其求导，可知其最大相角的频率为
速度环开环传递函数的穿越频率ωd，选为最大频率，即|FK n(ωm)|=1。于是相角差为：ψd=φK(ωd) π=ψ0(ωm)
设比例积分时间常数和电流环时间常数有关系Ti n=a²Tg i，则
于是相角差：
反求出：
舍去负根，则：a=a(ψd)=tan(ψd) sec(ψd)
而开环传递函数的穿越频率可得|Fk n(ωd)|=1 ，可求：
于是速度环开环传递函数为：
则速度环闭环传递函数为：
则闭环传递函数伯德图为：
直流电机速度环闭环伯德图
可见，穿越频率决定了带宽大小
最后考虑位置环的反馈控制，由于速度环形成的闭环控制回路已经近似具备低通滤波器的效果，因此考虑再进行一次一阶系统的简化近似
在位置环使用最简单的比例控制器，其开环传递函数为：
于是它的闭环传递函数为：
不过只使用比例控制器会有稳态误差，对转子位置角精度不严格要求的情况下可以这么设计。其闭环伯德图为
直流电机位置环闭环伯德图
最后，让我们综合一下前面所有的闭环控制，可以得到一张完整的嵌套式控制回路。
直流电机级联闭环控制结构(标出反馈环结构)
直流电机的控制相对来说比较简单，所有的控制结构都可以是线性系统，可以使用经典控制理论诠释和设计
