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1、第三章 伺服电机及其驱动技术,3.1 一般规律 3.2 直流永磁伺服电机及其驱动技术 3.3 交流永磁同步伺服电机及其驱动技术 3.4 直流无刷伺服电机及其驱动技术 3.5 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,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，
2、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： Fm=IW安匝 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 式中 Fs, Fr 定、转子磁势的幅值； s-r 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,式中 T电机转矩, 单位为Nm；
3、 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Kgm2； 电机位置，单位为rad 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,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
4、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,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。,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“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。,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
5、矩和转速。,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,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。,2. 工作原理,转矩的方向将使
6、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 保持不变。 而且如果能使 即定子磁势和转子磁势相互垂直，则能得到最大转矩。,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。,由于换向环
7、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,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。,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
8、。,力矩和电流的关系,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 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,电枢的等效电路 电枢回路电压方程式为： 式中 Ua、ia电枢电压、电
9、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,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。,控制特性 机械特性,动态特性,Tm称为机械时间常数; Te 称为电气时间常数 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。,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
10、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。,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 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
11、器是最常见的两种功率放大器。,线性功率放大器,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。,T1、T2是一对互补晶体管。 双电源供电。 当Ub为正时，T1导通，T2截止，加到电机电枢绕组上的电压为正， 电流ia产生正向力矩使电机正向旋转。 当Ub为负电压时，T1截止，T2导通，加到电枢绕组上的电压为为。电流ia产生反向力矩使电机反向旋转 电机在正向运行过程中需要减速时，可降低Ub电压值，这时由于电机转速不能突变，初始瞬时Ua维持原电压，
12、并出现Ua Ub的情况，这使T1截止，T2导通，产生反向电枢电流使电机工作在制动状态，电机开始减速，Ua逐渐下降，直到再次出现T2截止，T1导通的状态。,PWM功率放大器,PWM : Pulse-Width Modulation 脉宽调制 脉宽调制电路 H桥PWM功放电路 驱动电路 泵升电压限制电路,脉宽调制电路,实现电压控制信号到脉宽调制信号的转换。 占空比:(t2t1)/(Tt1) 脉宽调制信号的占空比由控制信号Uc的幅值决定。,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UcUt时，其输出为正，当UcUt时，其输出为负，这样在其输出端产生一
13、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。,功率晶体管和功率MOSFET,MOSFET :Metal-oxide semiconductor field effect transistor 金属氧化物半导体场效应晶体管 功率晶体管是电流控制器件，驱动较复杂。且由于存在结电容，工作频率不能太高。 功率MOSFET是电压控制器件，驱动较简单。且极间电容较小，能工作在较高频率下。,功率MOSFET,功率晶体管,H桥双极
14、性PWM功放电路,t,Us,改变 即可改变电机的转速 当 0.5时， 电机正转； 当 0.5时， 电机反转； 当 = 0.5时， 电机停止,电机两端得到的平均电压为 （ 0 1 ） 式中 = t1 / T 为 PWM 波形的占空比,第一象限运行（正向电动）： 在 0 t t1期间， Ug1 、 Ug4为正， T1 、 T4导通， Ug2 、 Ug3为零，T2 、 T3截止，电流 ia 沿回路1流通，电动机M两端电压UAB = +Us ； 在t1 t T期间， Ug1 、 Ug4为零， T1 、 T4截止， D2 、 D3续流， 并钳位使T2 、 T3保持截止，电流 ia 沿回路2流通，电动机M
15、两端电压UAB = Us ；,Us,第二象限运行（正向制动）： 如电机工作在第一象限时突然发出减速指令，则电机进入第二象限运行。此时， Ug1 、 Ug4的占空比减小，使得加到电枢两端的平均电压减小。 由于电机转速不能突变，造成eua的情况，从而使电流反向流动，产生制动力矩。 在 0 t t1期间， D 、 D1 导通续流，电流 ia 沿回路4流通， 在t1 t T期间， T3 、 T2导通， 电流 ia 沿回路3流通；,Us,第三象限运行（反向电动）： 在 0 t t1 期间， Ug2 、 Ug3为零，T2 、 T3截止， D1 、 D4 续流，并钳位使 T1 、 T4截止，电流 id 沿回
16、路4流通，电动机M两端电压UAB = +Us ； 在t1 t T 期间， Ug2 、 Ug3 为正， T2 、 T3导通， Ug1 、 Ug4为负，使T1 、 T4保持截止，电流 id 沿回路3流通，电动机M两端电压UAB = Us ；,双极性PWM功放电路特点,因功放管工作在开关方式，放大器效率高。 能实现伺服电机四象限运行。 “动力润滑”作用可一定程度上减小负载摩擦造成的死区的影响。 可在单电源下工作。 对周边电路有较强的电磁干扰.,栅极驱动电路,在桥式电路中常将上桥臂的功率管称为“高端”，下桥臂的功率管称为“低端”。 高端器件的源极在高电压和地之间浮动，而低端器件的源极总是接地的。 当T1导通而T2截止时，T1的源极为
