一种直流力矩电机伺服驱动器的设计与研究

一种直流力矩电机伺服驱动器的设计与研究
基于一种车载光电跟踪伺服系统的工程应用，文章介绍了基于直流力矩电机伺服驱动器的组成与设计实现，针对直流伺服电机驱动器小型化、模块化的需求，重点阐述了驱动器的工作原理与设计，系统论述了电流和速度环路的设计与调节，试验结果表明：该系统转速电流可调且具有过流保护功能，有着较强的快速响应性和抗扰性，有一定的工程应用价值。

标签：伺服系统；直流力矩电机；电机驱动器；转速调节；电流调节
Abstract：Based on the engineering application of a vehicle photoelectric tracking servo system，this paper introduces the composition and design of servo driver based on DC （direct current）torque motor，aiming at the demand of miniaturization and modularization of DC servo motor driver. The working principle and design of the driver are described in detail. The design and regulation of the current and speed loop are discussed systematically. The experimental results show that the speed and current of the system can be adjusted and have the function of over-current protection. It has strong fast response and immunity，and has certain engineering application value.
Keywords：servo system；DC （direct current）torque motor；motor driver；speed regulation；current regulation
引言
伺服系统广泛应用于工业和军事领域，一般多以电动机作为执行机构。

伺服电机包括直流电机和交流电机。

交流电机伺服输出功率大，但结构较为复杂、成本较高，适用于输出力矩大、负载惯性大的运动场合。

相比而言直流电机伺服输出功率相对较小且具有良好的调速性能，特别适用于负载转动惯量小且对转速范围要求较高的运动场合[1]。

本文基于一种光电跟踪设备的伺服系统，设计了一种直流力矩电机伺服驱动器。

1 伺服驱动器工作原理及组成
电动机作为伺服系统的执行机构，其输出力矩和转速应满足工程应用的要求。

通过电机原理可以得出，想要有效的调节转速和获得高性能的动态响应，最有效的办法是做好电枢电流控制即构造电流闭环。

但单闭环调速系统达不到伺服系统要求的精确转速和跟随特性。

因此伺服电机调速系统采用电流和速度双闭环控制系统来满足系统对速度的要求。

为满足不同的控制目标，系统中设置了转速和电流两个调节器，二者串联连接。

该伺服驱动器由电源及保护电路、速度调节器、电流调节器、功率驱动器组成，系统组成框图如图1所示。

速度给定信号与测速发电机输出的速度反馈信号
相比较，经速度调节器通过一定的控制校正算法输出；速度调节器的输出信号和电流传感器的反馈信号比较后，经电流调节器的控制算法调节后输出至功率驱动器；功率驱动器将给定的控制信号进行信号转换和功率放大，输出可以驱动电机的脉冲信号驱动电机带动负载进行转动；电源及保护电路主要是提供AC/DC、DC/DC电源变换及过压、欠压和过流等异常状态的监测及保护，对整个伺服系驱动器予以很好的支持。

2 驱动器的设计
2.1 功率驱动器件原理及硬件实现
功率驱动器是伺服电机的直驱部件，其性能直接决定伺服系统跟踪性能的优劣和工作可靠性。

系统的功率驱动器件选用SSA02型集成式PWM驱动模块。

该模块是基于脉宽调制电路[2]，具有很宽的输入电压范围，输出功率最高1kW，连续工作电流20A，峰值电流可达30A，可单向或双向驱动电机，模块内部集成了误差放大器，锯齿波振荡器，功率驱动器和功率放大器。

输入的误差信号与锯齿波发生器产生的锯齿波信号作比较，产生一组脉冲信号，其宽度随输入误差信号的大小而改变。

模块的功率放大采用H形桥式结构，由两只N沟道和两只P沟道的MOSFET功率管组成，功率管处于开关状态，调制信号经功率放大后直接驱动力矩电机带动负载进行转动，该模块的工作原理图及接线图分别如图2和图3所示。

该模块的技术指标如表1所示。

2.2 过流保护电路设计
电枢电流过大是引起功率驱动器被损毁的主要原因之一，在伺服驱动器中设计了过流保护电路，电路通过电流传感器对电枢电流实时进行监测，当超过额定值时，及时禁能驱动模块，关断MOSFET功率管。

电流传感器检测电枢电流，通过采样电阻产生电压信号，信号的大小与电枢电流大小成正比，该信号与给定安全电压信号进行比较，当电枢电流超过额定值时，比较器反转，输出故障电平信号，经延时电路延时数秒后输出禁能信号到驱动模块，延时电路的作用是忽略电流瞬时超额，既保证了系统正常工作又避免了因电流过大造成的MOSFET损坏[4]。

保护电路工作原理如图4所示。

2.3 电流调节器的设计与实现
在转速电流双闭环控制系统中，电流环是内环，具有控制电枢电流，拓展系统带宽，抵抗电网电压波动造成的扰动，改善电机动态性能等作用。

从系统的动态性能上看，在突加控制作用时电枢电流不能有太大超調，以保证电流在动态过程中不会超过额定值，应把电流环校正成典I型系统，而电流环对电网电压波动的调节作用是次要因素，Ⅰ型系统的抗干扰恢复时间在实际工程应用中可以接
受，因此按照典Ⅰ型系统来设计电流环[5]。

电流环环路传递函数如图5所示。

典Ⅰ型系统的开环传递函数为：
其中：T-系统的惯性时间常数；
K-系统的开环增益。

系统电流环的控制采用PI控制调节，其传递函数为：
其中Ki-电流调节器的比例系数；
τi-电流调节器的超前时间常数。

含有滤波环节的模拟式PI型电流调节器原理图如图6所示。

图中Ui为电流给定信号，-βId为电流传感器互感输出的负反馈信号，调节器的输出就是驱动器的控制信号Uc。

根据运放的工作原理，可以导出：
根据以上公式并结合工程经验，可以推出比例积分环节的具体参数。

2.4 速度调节器的设计与实现
速度环在调速系统中是外环，是电气与机械有机结合的重要组成。

测速发电机输出速率反馈信号与速率给定信号相比较作为速度调节器的输入。

速度调节器可以使电机转速快速地跟随给定信号的变化，能够很好的抵抗因负载变化而产生的电机力矩扰动。

调节器输出的幅值决定了电机最大工作电流。

为消除速度静态误差，在扰动作用点前必须有一个积分环节包含在转速调节器中，由于扰动作用点后已包括一个积分环节，因此系统速度环开环传递函数一共具有两个积分环节，应设计成典II型系统，这样系统不仅没有速度静差而且具有良好的抗扰性。

转速调节器也采用PI型调节器。

电流环是调速系统内环，可以视为速度环中的一个环节，电流环的闭环传递函数为：
速度调节器的传递函数为：
式中，Kn-速度调节器的比例系数；
τn-速度调节器的超前时间常数。

与电流调节器类似，速度调节器也采用模拟式PI型调节器，根据公式和工程经验不难得出速度调节器的比例积分参数。

3 试验验证
经系统联合调试，在功率电源为+28V下，当给定信号为+5V时，系统的闭环阶跃响应输出如图8所示。

在不同给定信号输入的条件下，电动机转速与给定信号的关系如表2所示。

经实测系统的响应速度和超调均符合预期，显示了系统具有较快的响应性和较强的稳定抗扰性。

在不同给定信号下，电动机输出转速线性度良好，满足设计要求。

4 结束语
本文介绍了一种直流力矩电机伺服驱动器的设计方案，基于SSA02型模块构成的电流转速双闭环控制结构调速性能优异，具有良好的动态及静态性能，通过试验及工程应用表明，该驱动器具有结构简单、可靠性高、体积小巧等优点，可广泛应用于各种直流力矩电机伺服控制系统中。

参考文献：
[1]秦继容，沈安俊.现代直流伺服控制技术及其系统设计[M].北京：机械工业出版社，1999.
[2]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009.
[3]王欣峰，张毅.直流伺服系统PWM功率放大器的改进方法[J].电力学报，2008，23（3）：198-199，239.
[4]乔建江.天气雷达天线伺服控制系统中PWM保护电路的设计[J].河北省科学院学报，2011（1）：35-38.
[5]陳伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2003.。