直流伺服电机及其驱动技术

x(t)
y(t)
t
轨迹跟踪系统 电机也必须有四象限运行能力
四象限运行能力是伺服电机与一般电机区别的一 个重要标志。 它要求电机能提供方向及大小均可控制的转矩和 它要求电机能提供方向及大小均可控制的转矩和 转速。 转速。
对伺服电机的基本要求
力矩和速度的可控性 快速响应能力 宽调速范围 较高的过载能力 具有频繁起、制动的能力
2. 工作原理
N
定子磁极
源自文库
dT
v dFr
电流流进 转子铁芯 电流流出
π
2
θ r −θ s
v Fs
S
dT = dFr ⋅ Fs ⋅ sin(θ r − θ s )
转矩的方向将使转子逆时针旋转。当转子旋转以后，夹角的变化将使转 矩的大小及方向都发生变化，这将使电机转子来回摆动。 要想维持电机单方向稳定转动，必须维持dFr的方向不变；使 要想维持电机单方向稳定转动，必须维持dFr的方向不变；使 θ r − θ s保持 不变。 π θr − θs = 而且如果能使 2 即定子磁势和转子磁势相互垂直，则能得到最大转矩。 定子磁势和转子磁势相互垂直，则能得到最大转矩。
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
1、电机统一理论
ua1 ua 2 ua 3
Tf
Tf1
Tf 2
Tf 3
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 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 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。 速将降低，这个特性可由速度回路加以改善。
•
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 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。
d θ& T = J + T dt
f
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。
3. 伺服电机的四象限运行
θ&
Ta + Tc Ta − Tc Tc − Ta
−Tc − Ta
& dθ T = J +Tf dt
Tc
−Tc
&& Ta = Jθ Tc = T f
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 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。
v v v T =F ×F T = Fs⋅ Fr⋅sin(θs −θr ) s r
式中 Fs, Fr ——定、转子磁势的幅值； ——定、转子磁势的幅值； θs-θr ——定、转子磁势之间的夹角。 θs- ——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。 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。 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 θ& T = J + T dt
θ&
f
式中 T—电机转矩, 单位为[Nm]； 电机转矩, 单位为[Nm]； Tf—负载转矩，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]； 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] 电机位置，单位为[rad]
dia ua = L + ia R + e dt & dθ T=J + Tf dt T = K t ia & e = Keθ
& = ua − R T θ f K e Kt K e
& = ua − R T θ f K e Kt K e
& θ
Tf 3 > Tf 2 > Tf 1
& θ
ua 3 > ua 2 > ua1
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。
因为 Fs =常量，Fr =IW，所以当线圈匝数W保持 =常量，Fr =IW，所以当线圈匝数W 一定时，有
T=Kt I
即力矩完全由电流控制， 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。 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 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]。 有关，其单位为[Nm/A]。
θ&
θ&
& T −,θ +
& T +,θ +
Ta + Tc Ta − Tc Tc − Ta
− Tc − T a
Tc
& T −,θ −
& T +,θ −
−Tc
电机的这种力矩一速度关系可以4象限形式表示出来 电机的这种力矩一速度关系可以4象限形式表示出来 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“ 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 态称为电动状态； 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；“ 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。 制动状态。
v Fr
v Fs
电枢有5 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 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。
1 Ke
JR Tm = Kt Ke
L Te = R
Tm称为机械时间常数; Te 称为电气时间常数 Tm称为机械时间常数;
Te << Tm
1 Ke θ&( 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
1 R + SL
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 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 永磁体或铁芯线圈产生磁场的根源是存在着磁通势。 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 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：
ia
Kt
Tf
1 JS
θ&
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。 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 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。
电机的基本运动方程指出电机转矩、转速之间的关系。 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。 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
线性功率放大器
T1
+uS ia
& T −,θ +
θ&
& T +,θ +
ub
R1
ua
T2
R2
& T −,θ −
& T +,θ −
ia
−u S
线性功率放大可使电机在四象限下工作。 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。
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： 电枢回路电压方程式为：
dia Ua = L + Ria + e dt
式中 Ua、ia—电枢电压、电枢电流； Ua、ia— 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 dθ& L = 0; J =0 dt dt
我们最终的目的是控制电机的转速和转矩， 以实现电机的四象限运行。 通过什么量控制转速和转矩？ 要找出电枢电压、电流和转速、转矩的关 系。 转矩与转速间遵循电机基本运动方程，因 此关键是转矩的控制。
& dθ T = J +Tf dt
力矩和电流的关系
T = Fs ⋅ Fr ⋅ sin(θs −θr )
Fm=IW[安匝] 安匝]
式中Fm— 式中Fm—磁通势，或简称磁势； I—线圈中流过的电流； W—线圈匝数，或绕组匝数。 在同样铁芯下，线圈匝数越多，通过线圈的电流越大， 产生的磁通势越大。磁势的方向与线圈中的电流成右 螺旋关系。 磁势是即有大小又有方向的量，可用矢量表示。
电机统一理论指出：电机产生的转矩为
动态特性
dia ua = L + ia R + e dt & dθ T=J + Tf dt T = K t ia & e = Keθ
ua
e
1 R + SL
ia
T
Kt
Tf
1 JS
θ&
Ke
1 Ke G( s) θ&( s) = = = JL 2 JR ua ( s ) 1 + G ( s ) H ( s ) TmTe S 2 + Tm s + 1 s + s +1 K e Kt K e Kt
4. 功率放大器
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 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 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 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。 的两种功率放大器。
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 定律，这将在电枢绕组中产生感应电势e，其值为
& e = K eθ
即感应电势正比于电机转速, 系数Ke与电枢绕组匝数 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[ 及定子磁极磁势有关，其单位为[伏/弧度/秒] 弧度/ 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。 压方向相反，因此常称做反电势。