第三节 直流伺服电机及驱动控制讲解.ppt

第三节 直流伺服电机及驱动控制 伺服电机要求能够准确地执行频繁变化的位置或速度指令，即要求转矩大、转子转动惯量小，能以大的加速度进行起动、停止控制，具有响应速度快的特点，所以它不同于通常的驱动电机。 一、直流伺服电机的基本结构及类型特点 直流伺服电机按定子磁场产生方式可分为永磁式和他励式两类，在永磁式直流伺服电机中，磁极采用永磁材料制成，充磁后即可产生恒定磁场。在他励式直流伺服电机中，磁极由冲压硅钢片叠成，外绕线圈，靠外加励磁电流才能产生磁场。它们的性能相近。由于永磁式直流伺服电机不需要外加励磁电源，因而在机电一体化伺服系统中应用较多。 二、直流伺服电机调速原理 电枢回路中的电压平衡方程式为 电枢反电动势Ea与转速n之间存在如下关系： 电枢切割磁场磁力线所产生的电磁转矩M 直流伺服电机运行特性的一般表达式 直流电机的调速可采用三种方法： （1）通过改变电枢电压Ua进行调速； （2）在电枢回路中串入可调电阻Ra进行调速； （3）他励式直流伺服电机Ua保持恒定，在激磁回路中串入调节电阻调速（弱磁调速） 。在电枢回路中串入可调电阻Ra调速将引起功率损耗，效率低，机械特性变软，而且只能将转速调低；弱磁调速的调速范围小。所以，在伺服系统的调速中，这两种方法都很少采用。电枢电压调速具有起动力矩大，阻尼效果好，响应速度快且线性度好等特点. 三、直流伺服电机特性分析 （一）直流伺服电机静态特性 （二）直流伺服电机的动态特性 当? 1时，按照自动控制理论分析方法，此时可忽略电磁时间常数?d的影响，简化分析，认为过渡过程主要由机电时间常数巧决定。 四、直流伺服电机PWM驱动控制 直流伺服电机的驱动控制装置实际上是一个可控的大功率整流电路。 常用的有可控硅调压和脉冲宽度调制(PWM)调压两种驱动控制装置。 70年代以来，随着国际上电力电子技术(即大功率半导体技术)的飞速发展，推出了新一代的全控式电力电子器件，如可关断的晶闸管(GlO)、大功率晶体管(GTR)、场效应晶闸管（P-MOSFEL），以及近年来必威体育精装版推出的绝缘门极晶体管（IQBT）。这些全控式功率器件可使直流电源以1～10kHz的频率交替地导通和关断，通过改变脉冲电压的宽度来改变平均输出电压。正因为此，晶体管脉宽调速系统才又受到重视。它与可控硅调压调速相比，具有结构简单、功耗低、效率高、工作可靠等优点，因此在生产实际中得到了广泛的应用。 （一）PWM的的基本原理 电压的平均值Uav为 式中 ?=ton/T，?称为占空比；T开关周期，ton为一个周期内开关接通时间。改变脉冲的占空比?，电机两端电压的平均值也随之改变，因而电机的转速就可以得到调节。 改变占空比?的方法有两种 (1)脉冲频率不变(T不变)，改变脉冲宽度(ton改变)，从而改变占空比?，这就是脉冲宽度调制，英文名称是Pulse Width Modulation，简写为PWM。 (2)脉冲宽度不变(ton不变)，改变脉冲频率(T改变)，从而改变占空比?，这就是脉冲频率调制，英文名称是Pulse Frequency Modulation，简写为PFM。 目前，直流电机的调速电路中，以应用PWM控制方式为主。 （二）PWM驱动电路装置 1.电压—脉宽变换器 电压—脉宽变换器的作用是根据控制指令信号UI对脉冲宽度进行调制，以便用宽度随UI变化而变化的脉冲信号去控制大功率晶体管的导通时间，实现对电枢绕组两端电压的控制。UI为电压信号，在采用微型机作控制器的伺服系统中，UI由计算机通过D/A转换生成，经模拟量I/O通道接入。 当UI =0时，输出信号US为正负脉冲宽度相等的矩形脉冲。 当UI 0时，US的正脉宽大于负脉宽。 当UI 0时，US的负脉宽大于正脉宽。 当UI≥UTPP/2（UTPP是三角波的峰—峰值）时，US为一正直流信号，当UI≤UTPP/2时，US为一负直流信号。 目前已有集成化的电压—脉宽变换器芯片，如LM3524等。有些单片机本身就具有PWM输出功能，如80C552、8098等，其输出脉冲宽度及频率可由编程确定，应用起来非常方便。此外，通过软件编程结合D/A转换也可以形成脉宽调制信号。 2.开关功率放大器 1）当UI＝0时，US的正、负脉宽相等，即ton=T/2，此时UPV =0，绕组中的平均电流等于零，电动机不转。但在交流分量作用下，电动机在停止位置处高频微振，这种微振有动力润滑作用，可消除电动机启动时的静摩擦，减小启动电压。 2）当UI0时，US的正脉宽大 于负脉宽，即tonT/2，此时UPV 0，流过绕组中的电流平均值大于零，电动机正转，且随着UI增加，转速增加。 3）当UI0时，US的正脉宽小于负脉宽，即ton?T/2，此时UPV ?0，电枢绕组中的电流平均值也小于零，电动机反转，且反转转速随着