直流伺服电动机及其驱动
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直流伺服电动机 及其驱动
直流伺服电动机及其驱动
• 直流伺服电动机是应用最为广泛的执行电动机，具有速度高、体积小、质量轻、 效率高和转矩大等优良特性。其速度可以通过调节输入电压来控制，且调节范 围很宽，适用于各种控制系统。直流伺服电动机广泛地应用于机器人、数控机
• 直流伺服电动机主要由定子和转子两大部分组成。定子的主要作用是产生磁场 和作为电动机的机械支承。它由主磁板、换向极、机座、端盖、轴承、电刷装 置等组成。转子是机械能和直流电能相互转换的枢纽。它由电枢铁芯、电枢绕 组、换向器、转轴、风扇等组成。直流伺服电动机原理与普通直流电动机相同。
图3-16 直流电压线性调整原理
1.3 直流伺服电动机的驱动电路
1.脉冲宽度调制原理及产生电路
1）脉冲宽度调制原理
PWM分为单极性和双极性两种，如图3-17（a）所示为单极性PWM脉
源自文库
冲，其等效的直流电压为
Uo
t1
t1 t2
Ui
Ui
双极性PWM的输出电压在一个周期内正负相间，所以称为双极性。
其信号波形如图3-17(b)所示，输出电压Ｕo为
1.3 直流伺服电动机的驱动电路
图3-20 直流伺服电动机驱动电路
谢谢观看！
要使电动机运转，必须导通对角线上的一对晶体管。根据每对晶体 管的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电动机，从而 控制电动机的转向。如图3-19(b)所示，当VT1和VT4导通，VT2和 VT3截止时，电流就从电源正极经VT1—电动机—VT4回到电源负 极。设晶体管处于图3-19（b）所示状态时，电动机正转，则当晶 体管处于如图3-19（c）所示状态时，电动机可实现反转，在图3-1 9中箭头表示电流方向。
1.3 直流伺服电动机的驱动电路
图3-19 直流伺服电动机驱动电路原理
当H桥上两个同侧的晶体管同时导通时，电源将会短路，导致线路烧毁。为 了防止这种现象发生，在实际驱动电路中通常要增加部分硬件电路。如图3-20所 示，在基本H桥电路的基础上增加了4个与门和两个非门。4个与门同一个“使能” 导通信号相接，用这一个信号就能控制整个电路的开关。而两个非门通过提供一 种方向输入，可以保证任何时候在H桥的同侧都只有一个晶体管能导通。
Eb Cen
1.2 直流伺服电动机机械特性和调节特性
• 根据上面三个公式，可得到
n um TR Ce CTCe2
当电压一定时，转速n与转矩T成 反比，以n为纵轴，T为横轴，则 它们的关系是一条截距为um/Ce Φ ，斜率为－R/CTCeΦ2的直线， 这条直线就是机械特性曲线，即 T=f(n)曲线，如图3-15（a）所 示。当转矩T一定时，转速n与电 压um成正比，根据式（3-6）可 画出调节特性曲线，即n=f(um) 曲线，如图3-15（b）所示。
图3-18 PWM波形产生原理图
1.3 直流伺服电动机的驱动电路
2.常用驱动电路
PWM信号经过放大后推动功率晶体管，再由功率晶体管驱动直流伺 服电动机运行，因为直流伺服电动机经常需要正反转切换，所以通 常使用两对晶体管来驱动，如图3-19(a)所示为一个典型的直流伺 服电动机驱动电路。因为两对晶体管的电路形状类似于字母“H”， 所以称为H桥驱动电路。
图3-15 直流伺服电动特性曲线
1.3 直流伺服电动机的驱动电路
改变电压可以通过多种方式实现，常用的为线性调整和脉冲宽 度调制（pulse width modulation，简称为PWM）。直流电压线性调 整原理如图3-16所示，通过改变晶体管VT的基极电压来改变输出电 压。由于输入电压等于晶体管VT的压降Uce和电动机电压Um之和， 改变Ui即可改变Um，这时晶体管工作在放大状态，这种电路损耗很 大，只能应用在调速范围很小，并且电动机功率微小的场合。
Uo
t1Ui t2Ui t1 t2
t1 t1
t2 t2
Ui
Ui
1.3 直流伺服电动机的驱动电路
图3-17 PWM波形
1.3 直流伺服电动机的驱动电路
2）PWM产生电路 如图3-18（a）所示的比较器电路，其反相端输入一个三角波，同相端输入电动 机的控制电压。当三角波小于控制电压时，输出为1；当三角波大于控制电压时， 输出为零。由于三角波的波形是一个等腰三角形，输出的脉冲宽度由控制电压与 三角波之间的交点所决定，如图3-18（b）所示。
1.2 直流伺服电动机机械特性和调节特性
直流伺服电动机最主要的特性就是机械特性和调节特性。前者 是指电压一定时，转速和转矩之间的关系；后者是指转矩一定时， 电压和转速之间的关系。
直流伺服电动机的转矩T与电枢电流im成正比，即
T CTim
而电枢回路中的电压平衡式为
um Eb im R
反电动势Eb与电动机的转速n成正比，即
1.1 各种不同的直流伺服电动机
1.小惯量直流伺服电动机 无槽电枢伺服电动机如图3-14（a）所示。它将绕组固定在无槽的电枢铁芯上，以避免 在电枢铁芯上开槽，使电枢可以做到很小，从而实现了降低转动惯量的目的。空心杯伺 服电动机结构如图3-14（b）所示，它在固定的铁芯上安装有类似于杯子的转子，同时， 为了保证磁阻小，在空心杯转子内放置了固定内定子。因为转子很轻，所以转动惯量也 很小。盘形电枢伺服电动机如图3-14（c）所示。采用盘状的电枢，它的定子磁铁位于 盘形电枢的平面两侧，电枢绕组可以是印制或者用导线绕制。因为电枢的质量极小，所 以转动惯量很小。
图3-14 小惯量直流伺服电动机
1.1 各种不同的直流伺服电动机
• 2.大惯量宽调速电动机
• 对于一些需要很大转矩的场合，则使用大惯量宽调速电动机。其基本 结构与普通直流电动机一样，不同的是大惯量宽调速电动机具有良好 的加减速特性、大的热容量、绝缘等级高、寿命长等优点，大多使用 高性能稀土永磁材料制作定子。这些特点使其性能远远高于普通直流 电动机，具有高转矩、宽调速、动态特性好、快速响应能力强等优点。 大惯量宽调速电动机的功率通常小于600 W，并且采用电枢电压调节 转速。
直流伺服电动机及其驱动
• 直流伺服电动机是应用最为广泛的执行电动机，具有速度高、体积小、质量轻、 效率高和转矩大等优良特性。其速度可以通过调节输入电压来控制，且调节范 围很宽，适用于各种控制系统。直流伺服电动机广泛地应用于机器人、数控机
• 直流伺服电动机主要由定子和转子两大部分组成。定子的主要作用是产生磁场 和作为电动机的机械支承。它由主磁板、换向极、机座、端盖、轴承、电刷装 置等组成。转子是机械能和直流电能相互转换的枢纽。它由电枢铁芯、电枢绕 组、换向器、转轴、风扇等组成。直流伺服电动机原理与普通直流电动机相同。
图3-16 直流电压线性调整原理
1.3 直流伺服电动机的驱动电路
1.脉冲宽度调制原理及产生电路
1）脉冲宽度调制原理
PWM分为单极性和双极性两种，如图3-17（a）所示为单极性PWM脉
源自文库
冲，其等效的直流电压为
Uo
t1
t1 t2
Ui
Ui
双极性PWM的输出电压在一个周期内正负相间，所以称为双极性。
其信号波形如图3-17(b)所示，输出电压Ｕo为
1.3 直流伺服电动机的驱动电路
图3-20 直流伺服电动机驱动电路
谢谢观看！
要使电动机运转，必须导通对角线上的一对晶体管。根据每对晶体 管的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电动机，从而 控制电动机的转向。如图3-19(b)所示，当VT1和VT4导通，VT2和 VT3截止时，电流就从电源正极经VT1—电动机—VT4回到电源负 极。设晶体管处于图3-19（b）所示状态时，电动机正转，则当晶 体管处于如图3-19（c）所示状态时，电动机可实现反转，在图3-1 9中箭头表示电流方向。
1.3 直流伺服电动机的驱动电路
图3-19 直流伺服电动机驱动电路原理
当H桥上两个同侧的晶体管同时导通时，电源将会短路，导致线路烧毁。为 了防止这种现象发生，在实际驱动电路中通常要增加部分硬件电路。如图3-20所 示，在基本H桥电路的基础上增加了4个与门和两个非门。4个与门同一个“使能” 导通信号相接，用这一个信号就能控制整个电路的开关。而两个非门通过提供一 种方向输入，可以保证任何时候在H桥的同侧都只有一个晶体管能导通。
Eb Cen
1.2 直流伺服电动机机械特性和调节特性
• 根据上面三个公式，可得到
n um TR Ce CTCe2
当电压一定时，转速n与转矩T成 反比，以n为纵轴，T为横轴，则 它们的关系是一条截距为um/Ce Φ ，斜率为－R/CTCeΦ2的直线， 这条直线就是机械特性曲线，即 T=f(n)曲线，如图3-15（a）所 示。当转矩T一定时，转速n与电 压um成正比，根据式（3-6）可 画出调节特性曲线，即n=f(um) 曲线，如图3-15（b）所示。
图3-18 PWM波形产生原理图
1.3 直流伺服电动机的驱动电路
2.常用驱动电路
PWM信号经过放大后推动功率晶体管，再由功率晶体管驱动直流伺 服电动机运行，因为直流伺服电动机经常需要正反转切换，所以通 常使用两对晶体管来驱动，如图3-19(a)所示为一个典型的直流伺 服电动机驱动电路。因为两对晶体管的电路形状类似于字母“H”， 所以称为H桥驱动电路。
图3-15 直流伺服电动特性曲线
1.3 直流伺服电动机的驱动电路
改变电压可以通过多种方式实现，常用的为线性调整和脉冲宽 度调制（pulse width modulation，简称为PWM）。直流电压线性调 整原理如图3-16所示，通过改变晶体管VT的基极电压来改变输出电 压。由于输入电压等于晶体管VT的压降Uce和电动机电压Um之和， 改变Ui即可改变Um，这时晶体管工作在放大状态，这种电路损耗很 大，只能应用在调速范围很小，并且电动机功率微小的场合。
Uo
t1Ui t2Ui t1 t2
t1 t1
t2 t2
Ui
Ui
1.3 直流伺服电动机的驱动电路
图3-17 PWM波形
1.3 直流伺服电动机的驱动电路
2）PWM产生电路 如图3-18（a）所示的比较器电路，其反相端输入一个三角波，同相端输入电动 机的控制电压。当三角波小于控制电压时，输出为1；当三角波大于控制电压时， 输出为零。由于三角波的波形是一个等腰三角形，输出的脉冲宽度由控制电压与 三角波之间的交点所决定，如图3-18（b）所示。
1.2 直流伺服电动机机械特性和调节特性
直流伺服电动机最主要的特性就是机械特性和调节特性。前者 是指电压一定时，转速和转矩之间的关系；后者是指转矩一定时， 电压和转速之间的关系。
直流伺服电动机的转矩T与电枢电流im成正比，即
T CTim
而电枢回路中的电压平衡式为
um Eb im R
反电动势Eb与电动机的转速n成正比，即
1.1 各种不同的直流伺服电动机
1.小惯量直流伺服电动机 无槽电枢伺服电动机如图3-14（a）所示。它将绕组固定在无槽的电枢铁芯上，以避免 在电枢铁芯上开槽，使电枢可以做到很小，从而实现了降低转动惯量的目的。空心杯伺 服电动机结构如图3-14（b）所示，它在固定的铁芯上安装有类似于杯子的转子，同时， 为了保证磁阻小，在空心杯转子内放置了固定内定子。因为转子很轻，所以转动惯量也 很小。盘形电枢伺服电动机如图3-14（c）所示。采用盘状的电枢，它的定子磁铁位于 盘形电枢的平面两侧，电枢绕组可以是印制或者用导线绕制。因为电枢的质量极小，所 以转动惯量很小。
图3-14 小惯量直流伺服电动机
1.1 各种不同的直流伺服电动机
• 2.大惯量宽调速电动机
• 对于一些需要很大转矩的场合，则使用大惯量宽调速电动机。其基本 结构与普通直流电动机一样，不同的是大惯量宽调速电动机具有良好 的加减速特性、大的热容量、绝缘等级高、寿命长等优点，大多使用 高性能稀土永磁材料制作定子。这些特点使其性能远远高于普通直流 电动机，具有高转矩、宽调速、动态特性好、快速响应能力强等优点。 大惯量宽调速电动机的功率通常小于600 W，并且采用电枢电压调节 转速。