直流伺服电机及其驱动技术

1 Ke
JR Tm Kt K e

L Te R
Tm称为机械时间常数; Te 称为电气时间常数
Te Tm
1 Ke ( s) ua ( s) (TmS 1)(TeS 1)

直流伺服电机的动态特性可由一个比例环节和两个惯性环 节的乘积表示。
ua
e
1 R SL
ia
T
Kt
Tf

式中 Ua、ia—电枢电压、电枢电流； L、R—电枢等效电感、等效电阻； e—反电势。
静态特性
电机的动态过程已经结束，进入恒速状态时的特性
dia d L 0; J 0 dt dt
dia ua L ia R e dt d TJ Tf dt T K t ia e Ke
•
2
3
1
3
2
4
电流流进
电流流出
电流流进
电流流出
6
4
1
5
5
6

由于换向环和电刷的作用，当电枢旋转时，每一个经过电 刷的绕组，其电流的方向都被自动改变，转子的合成磁势 维持方向不变。这保证了在转子旋转时定子磁势和转子磁 势总是相互垂直。
力矩的波动
2
1
3
电流流进
电流流出
6
4
5

由于换向片的数目是有限的，转子磁势的方向会有微小的 变化。这将导致力矩的波动。 当电机高速旋转时，由于电机转子和负载惯量的平滑作用， 这个影响可以忽略。 但当电机工作在低速状态时，可能会产生问题。 可增加绕组、换向片或定子的极对数解决这个问题。
3.2 永磁直流伺服电机及其 驱动技术
1、永磁直流伺服电机的结构 2、永磁直流伺服电机的工作原理 3、永磁直流伺服电机的特性 4、功率放大器 5、电流回路和速度回路
1、结构

由定子磁极、转子电枢和换向机构组成； 定子磁极一般为瓦状永磁体，可为两极或多极结构； 转子的结构有多种形式，最常见的是在有槽铁心内铺设绕 组的结构。铁芯由冲压成的硅钢片一类材料迭压而成； 换向机构由换向环和电刷构成。绕组导线连接到换向片上， 电流通过电刷及换向片引入到绕组中。
d T J Tf dt

负载的加速度要求和转动惯量对选择伺服 电机尺寸是很重要的。

如果要求负载以高加速度运动或负载的转 动惯量较大，即使负载转矩很小，也可能 需要大转矩的电机； 反之，如果负载要求的加速度很小或负载 的转动惯量较小，即使负载转矩很大，也 可能小转矩的电机就能满足要求。

因为 Fs =常量，Fr =IW，所以当线圈匝数W保持 一定时，有
T=Kt I

即力矩完全由电流控制，力矩大小及方向由电枢 电流大小及极性决定。 力矩系数 Kt与电枢绕组匝数及定子磁极的磁通势 有关，其单位为[Nm/A]。
反电势和转速的关系

电枢旋转时切割定子磁极的磁力线，根据电磁感应 定律，这将在电枢绕组中产生感应电势e，其值为
ua R T f K e Kt K e
ua R T f K e Kt K e

Tf 3 Tf 2 Tf 1

ua 3 ua 2 ua1
ua1 ua 2 ua 3
Tf
Tf1
Tf 2
Tf 3
Ua
控制特性

机械特性
由控制特性可见，同样负载条件下，转速和电压成线性关 系，转速的高低及方向完全由电枢电压的幅值和极性决定 由机械特性可见，同样电枢电压下，负载变大时，电机转 速将降低，这个特性可由速度回路加以改善。

3. 伺服电机的四象限运行

Ta Tc Ta Tc Tc Ta
Tc Ta
T
t
Tc
d T J Tf dt
Ta J Tc T f
Tc
t

图2-31 伺服系统常要求伺服电机即能正向运动，又能反 向运动；即能加速运动又能减速运动。这就要求 电机力矩的大小及方向都能改变。
4. 功率放大器
功 率 放 大 器
Ia Ua
U
M


功率放大器的输入是较小的信号功率，输出是以 电枢电压和电流表示的较高的功率。 功率放大是在控制信号作用下，将电源功率的一 部分转换到输出功率。功率放大器自身也消耗部 分功率。
对功率放大器的基本要求

功率放大的效率要高，即驱动器本身消耗的功率 要小。 能在可控条件下实现电机的四象限运行： 能输出幅值及极性均可改变的电压——实现电 机速度 大小及方向的控制。 能输出幅值及极性均可改变的电流——实现电 机力矩 大小及方向的控制。 线性功率放大器和PWM桥式功率放大器是最常见 的两种功率放大器。
即定子磁势和转子磁势相互垂直，则能得到最大转矩。

N

Fr
Fs

S

电枢有5个线圈，每个线圈 产生的磁势矢量相加得到 合成磁势。 合成磁势的方向依然随转 子旋转而改变。 这仅使电机力矩更大一些， 力矩的大小及方向改变的 问题依然存在。 假如我们在转子旋转时， 能通过电流换向，始终保 证电枢几何中性面以上的 全部绕组端子为电流流进， 下面的绕组端子为电流流 出，就能保证转子合成磁 势的方向不变，且与定子 磁势垂直。 这个工作是由换向机构完 成的。
e Ke


即感应电势正比于电机转速, 系数Ke与电枢绕组匝数 及定子磁极磁势有关，其单位为[伏/弧度/秒] 感应电势出现在电刷两端，与电刷上所加的电枢电 压方向相反，因此常称做反电势。
3. 工作特性
L R
ua
ia
电枢的等效电路
e

电枢回路电压方程式为：
dia Ua L Ria e dt
1 JS

Ke

由于存在着电气时间常数，电枢中的电流不能突变； 由于存在着机械时间常数，电机的转速不能突变；
小结
T=Kt

I
力矩完全由电流控制。
由控制特性和机械特性可见转速由电枢电 压控制，但受负载大小影响。

电机中存在着电气时间常数和机械时 间常数，受其影响，电枢中的电流和 电机转速均不能突变。
1、电机统一理论
伺服电机的定子和转子由永磁体或铁芯线圈构 成。 永磁体产生磁场，而铁芯线圈通电后也会产生 磁场。
定子磁场和转子磁场相互作用产生力矩，使电 机带动负载运动，从而通过磁的形式将电能转 换为机械能。




永磁体或铁芯线圈产生磁场的根源是存在着磁通势。 永磁体的磁通势是常量，大小由体积和材料导磁性能 决定，方向是由N极指向S极。 而铁芯线圈产生的磁通势遵循如下的关系式：


式中 Fs, Fr ——定、转子磁势的幅值； θs-θr ——定、转子磁势之间的夹角。 要想增大力矩，必须增大定、转子磁势。 当定子磁势与转子磁势相互垂直时，产生的转矩最大。 电机统一理论是所有电机工作的基础。
2．电机的基本运动方程
d T J Tf dt
T

J、Tf


三角波发生器输出一固定频率的三角波电压信号 Ut，并与控制信号Uc在比较器IC5中相比较。 当Uc﹥Ut时，其输出为正，当Uc﹤Ut时，其输出 为负，这样在其输出端产生一等幅的方波脉冲序 列信号Upwm，信号的占空比由控制信号Uc的幅 值决定。 这个信号经二极管D0的箍位作用削去负半周，然 后一路经IC6反相后输出到功率MOSFETT1、T4的 栅极驱动电路，另一路直接输出到T2、T3的栅极 驱动电路。
第三章 伺服电机及其驱动技术

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5
一般规律 直流永磁伺服电机及其驱动技术 交流永磁同步伺服电机及其驱动技术 直流无刷伺服电机及其驱动技术 两相混合式步进电机及其驱动技术
3.1 一般规律
1. 电机统一理论 2．电机的基本运动方程 3. 伺服电机的四象限运行

线性功率放大器
T1
uS ia
M
T ,
正向减速运动 制动状态

T ,
ub
R1
正向加速，匀速运动 电动状态
ua
T2
R2
T ,
T ,
反向减速运动 制动状态
T
ia
u S
反向加速，匀速运动 电动状态


线性功率放大可使电机在四象限下工作。图2-32 但因调速时两只晶体管工作在放大状态，管压降总是存在 的，电源功率有相当一部分变成了晶体管发出的热量，效 率较低。 晶体管是电流放大器件，驱动电路较复杂。 需要双电源供电。
式中 T—电机转矩, 单位为[Nm]； Tf—负载转矩，单位为[Nm]； J—电机转子及负载的转动惯量，单位为[Kgm∧2]； Θ—电机位置，单位为[rad]

图2-30
电机的基本运动方程指出电机转矩、转速之间的关系。 在负载一定条件下，只有改变电机转矩才能改变电机转速。 当电机转矩大于负载转矩时，电机产生加速运动； 当电机转矩小于负载转矩时，电机产生减速运动； 当电机转矩等于负载转矩时，电机恒速运动。 电机及负载转动惯量是影响速度变化的另一主要因素


T ,
正向减速运动 制动状态
T ,
正向加速，匀速运动 电动状态
Ta Tc Ta Tc Tc Ta
Tc Ta
T
t
Tc
T ,
T ,
反向减速运动 制动状态
T
Tc
t
反向加速，匀速运动 电动状态
图2-31



电机的这种力矩一速度关系可以4象限形式表示出来 图2-32 电机在做正向或反向的加速或匀速运动时，力矩和速度的 方向一致，电机产生驱动转矩“推”动电机旋转，这种状 态称为电动状态； 当电机做正向或反向的减速运动时，力矩和速度的方向相 反，电机产生制动转矩；“拉”动电机停止，这种状态称 为制动状态。