[信息与通信]第四讲直流电机的驱动.pdf

机器人软硬件开发 第四讲直流电机驱动 主讲人：曾国强 课时：40 4.直流电机的驱动设计 如下所示为直流电机的等效模型： Ua:电源电压;Ra:电枢电阻;ia:电枢电流;La:电枢电感; ea:电枢反电动势;J:转动惯量; Ω:转动角速度 分析三种情况： 1.当Ua不等于0，但是电枢的转动角速度为0时，我们称之为 “堵转”。此时的电枢电流ia≈Ua/Ra。因此Ra是我们用来 衡量电机品质的一个重要参数。它代表了电机的能量转换效 率，显然Ra越小，效率越高，消耗在电机本身的能量就越 小。相对应的就越需要“堵转保护装置“ 。 2.电枢电感的影响, 由于电感的作用，显然当有电流的变化时， 将产生抵抗这种电流变化的电动势的产生，因此在特殊的情况 如：电机被瞬间断电时，由于电流变化量很大，因此会在电机 的供电线的两端产生瞬间的很高的与原电源极性相反的电压。 因此对于PWM驱动模式，它的影响将不可忽略。而对于线性 驱动方式则可以忽略。 3.反电动势的影响，反电动势只在电枢转动时产生，因此在特殊 情况下，电机突然的断电（PWM工作模式），由于惯性，电 枢仍然继续转动，因此会在供电线两端产生与原电源电压极性 相反的电压。 因此可知当工作与PWM模式时，在电源供电电压为低 电平时，会出现如上2，3所示的两种反向干扰脉冲，该干扰 脉冲的大小根据电机的不同幅度会有所不同，对于60w的电 机而言，通常高达100v以上，如果信号地与功率地直接互连 时，等效于在5v的逻辑电源两端连接上了反向的100v电 压，该电压将对5v供电的逻辑芯片造成致命性的破坏。 直流电动机调速系统的控制方法 直流电动机转速n的表达式： 转速n= （U-IR）/ （KΦ） 其中：U:电枢端电压；I：电枢电流；R：电枢电阻； Φ：每极的磁通量；K：电动机的结构参数。 改变ｎ的两种方法： １．改变励磁磁通 ２．调节电枢端电压 对于第一种方法的缺点：动态响应较差，低速时受磁极 饱和的限制，高速时受换向火花和换向器结构强度的限制。因 此使用较少。 对于第二种方法又有两种工作模式：线性放大驱动模式 和ＰＷＭ开关工作模式。 4.1线性放大驱动模式 右图三种驱动 方式均为不可 逆系统既电极 不能双向转动 (a)应用于ON/OFF控制，不能调速，但是驱动力矩大 (b)应用于速度控制，但是低速时，由于三机管压降的存在使得 电能损耗严重，效率低. (c)应用于大功率电机驱动场合，工作与高频区性能优秀，但也不能调 速，需要搭配成对的MOS管构成“H桥驱动”才可进行开关调速。 线性放大驱动的优点： 控制简单，输出波动小，线性好，干扰小。 线性放大驱动的缺点： 使半导体器件工作在线性区会将大部分的电功率转换为热能，效率 低，因此只适用于小功率电机驱动场合。 如下介绍一个工程应用中的线性放大驱动的直流电机驱动系统 运放：ＯＰ-07，输入电压：0-+/-14v 电源电压:+3v-+18v R1=R3=20k;R2=5k,R4=5k; 单片机最小配置电路 Vo=(1+R4/R3)*R2/(R1+R2)*Vi 截止频率为f则: R1=2*pi* √2/ （f*c) R2=R1/2; 实际电路中