直流伺服电机及其驱动技术_物理_自然科学_专业资料。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
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，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 T?Fs?Fr T?Fs?Fr?sin(?s??r) ? 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。 ? 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 T ? J d? dt ? Tf T ? J、Tf 式中 T—电机转矩, 单位为[Nm]； 图2-30 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] ? 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 d? T ? J dt ? Tf ? 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 ? T Ta ? Tc Ta ? Tc Tc Tc ? Ta ?Tc ?Tc ? Ta d? t T ? J dt ?Tf t Ta ? J? Tc ? Tf ? 伺服系统常要图求2-伺31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。 ? T Ta ? Tc Ta ? Tc Tc Tc ? Ta ?Tc ?Tc ? Ta ? T ?,? ? T ?,? ? 正向减速运动 正向加速，匀速运动 t 制动状态 电动状态 T ?,? ? T ?,? ? T t 反向加速，匀速运动 电动状态 反向减速运动 制动状态 图2-31 ? 电机的这种力矩一速度关系可以4象限形图式2表-32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。 毛坯轮廓曲线 y 钢板 A B C o x 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 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，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 N 定子磁极 dT dFr 电流流进 转子铁芯 电流流出 ? 2 ?r ??s Fs S ?? d T ? d F r?F s?s in (r?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 ?r??保s 持 不变。 ? 而且如果能使 ?r ??s ? ? 2 即定子磁势和转子磁势相互垂直，则能得到转矩。 N Fr 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 Fs 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。 ? 2 3 1 电流流进 3 电流流出 2 电流流进 4 电流流出 6 4 5 1 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 电流流进 3 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。 ? 我们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。 T ? J d? dt ?Tf 力矩和电流的关系 T?F s?F r?sin(?s??r) ? 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 e ? K e? ? 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 e 电枢的等效电路 ? 电枢回路电压方程式为： Ua?Lddait?Rai?e ? 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 Ldia ?0;????J d? ?0 dt dt ua ? L d ia dt ? ia R ? e d? T ? J dt ? Tf T ? K tia e ? K e? ? ? ua Ke ? R Kt Ke Tf ? ? ua Ke ? R Kt Ke Tf Tf 3 ? Tf 2 ? Tf1 ? Tf 1 Tf 2 Tf 3 Ua 控制特性 ? ua3 ? ua2 ? ua1 ua1 ua2 ua3 Tf 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。 动态特性 ua ? L d ia dt ? ia R ? e T ? J d? dt ? Tf T ? K tia e ? K e? ua e 1 ia R ? SL Kt T Tf 1? JS Ke 1 1 ?(s)? G(s) ? ua(s) 1?G(s)H(s) JLs2? KeJRs?1?Tm TeS2K ?eTms?1 KeKt KeKt Tm ? JR KtKe Te ? L R ? Tm称为机械时间常数; Te 称为电气时间常数 1 Te??Tm ?(s) ? Ke 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 ia R ? SL Kt T Tf 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。 4. 功率放大器 功 率 Ia 放 U 大 Ua M 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桥式功率放大器是常见 的两种功率放大器。 线 ia ua M ia T2 ?uS T ?,? ? 正向减速运动 制动状态 ? T ?,? ? 正向加速，匀速运动 电动状态 T ?,? ? 反向加速，匀速运动 电动状态 T ?,? ? T 反向减速运动 制动状态 ? 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。 ? 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，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 uc ut 三角波发生器 IC5 uPWM D0 IC6 u23 u14 ? 实现电压控制信号到脉宽调制信号的 转换。 ? 占空比:(t2—t1)/(T—t1) ? 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。 功率晶体管和功率MOSFET C D B G E S 功率晶体管 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。 Us T 1 ug1 T2 ug2 H桥双极性PWM功放电路 D1 D3 1 3 A MB D2 D4 2 4 T3 ug3 T4 ug4 L R ua ia t di U ?L e dt 电机两端得到的平均电压为 Ua ? t1 T Us ? ?Us （0≤?1） 式中 ? = t1 / T 为 PWM 波形 的占空比 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 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两端电压UAB = –Us ； Us L R ua ia e 第二象限运行（正向制动）： ? 如电机工作在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e﹥ua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 uc IC5 uPWM ut D0 三角波发生器 ucc IC6 u23 IC1 故障信号u14 IC4 u14 T1 T3 D1 D3 ucc 1 3 u~ uS ug1 C A MB ug3 IC2 T2 T4 D2 D4 ug2 2 4 ug4 IC3 u23 Eu1 ug1 Eu4 ug4 Eu2 ug2 Eu3 ug3 T1 T3 D1 D3 1 3 uS ug1 C A MB ug3 T2 T4 D2 D4 ug2 2 4 ug4 ? 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的源极为高电压，这意味着T1的栅极必须比 这个高电压还高才能维持导通。因此T1的栅极电压必须也是个浮动电 压。 ? 光电隔离：在上面介绍的栅极驱动电路中，Eu1和Eu2是两 个独立电源（不共地）因此，Ug1是浮动电压。 ? 泵电压：在右上图中，当Q2导通时，Q1的源极接地，电容 Cboot由Vbias经D1充电，当Q1导通Q2截止时，Q1的源极电 压开始上升，电容上的电压好像是Q1的偏置电压，电平移 位电路使得其栅极电压随其源极电压浮动，从而产生浮动 的栅极电压。 ? 光电隔离电路使得控制电路与功率电路隔离，抑制干扰。 再生制动问题 T1 T3 D1 D3 1 3 LR ~ uS ug1 C A MB ug3 T2 T4 D2 D4 ua ia e ug2 2 4 ug4 ? 当电机运行在二、四象限即制动状态时Ua e。这说明电 机将电机运动的机械能转换为电能，并将它送回电源。 ? 由于整流二极管的单向性，这个电流不能回馈到电网，只 能向滤波电容C充电。电容对电流的积分效应使电源电压 升高。 ? 这种因能量回馈升高的电压称为“泵升电压”。泵升电压 过高可能会损坏并联在电源母线上所有器件，如功率管、 续流二极管和电容器等。 有两种情况使电机运动在制动状态 1）电机处于减速状态时：电机的速度下降是电枢电 压减小的结果。但是当电压突然变小时，电机的 惯量使其速度不能突变，也即反电势e不能突变。 这将出现Uae的情形，使电流反向流动从而产生 制动转矩。 2）电机具有垂直性负载且负载向下运动时：这时 伺服电机必须产生与运动方向相反的制动转矩平 衡重物下落产生的重力矩。 ? 在制动状态下，电机旋转过程中产生的动能和重 物下落时产生的势能转换为电能以电流的形式回 馈到供电电源。这种制动方式常称为再生制动。 附：泵升电压数值可借助于能量守恒定律近似估算 已知： ? 滤波电容中储存的电能为 Ec ? 1 2 cu 2 [焦耳] ? 电机旋转的动能为 ? 重物下落的势能为 EJ ? 1 J? 2 2 Em ? mgh [焦耳] [焦耳] ? 若用下标“1”和“2”分别表示能量回馈前、后各量的值。 则由能量守恒定律，有 ?即 E c 1 ? E J 1 ? E m 1 ? E C 2 ? E J 2 ? E m 2 ? ? 1 2 c u 1 2? 1 2j1 2? m g h 1? 1 2 c u 2 2? 1 2 J2 2? m g h 2 ? 解此式，可得能量回馈后电容上的电压为 u2?u1 2?C J(?1 2??2 2)?2m g(h c1?h2) ? 在上面的计算中 ? C—滤波电容的数值 单位为[F]； ? J—负载及电机转子的转动惯量 单位为[kgm2]； ? m—负载的质量 单位为[Kg]； ? ? —电机角速度 单位为[rad/s]； ? h—重物负载的高度 单位为[m]; ? g—重力加速度常数 单位[9.81m/s2]; ? u—电容上电压 单位[V]。 ? 上面的计算中忽略了电机中消耗的电能及一些摩擦产生的 热能，这些损耗相对来说比较小。 ? 例4-1一直流伺服电机采用PWM桥式功放电路驱动，功放 电路中滤波电容C=5000? F ，电容上的电压在能量回馈前 为100V，电机及其负载的转动惯量 J?2?10?3Kgm 。2负载做 非垂直性运动，求当电机转速从3000rpm降至零速时，C 上的电压升高至多少？ ? 解：3000rpm=3000 2 ? [ rad/s] =314 [rad/s] 60 ? u 2?u 1 2? C J(1 2? 0 )?1 0 0 2? 5 0 2 0 ? 0 1 ? 0 1 ? 0 3 ? 6? 3 1 4 2? 2 2 2 [ V ] ? 本例中，若电机及其负载的转动惯量增加一倍，即,则可 以算出u2=298V，可见转动惯量对泵升电压的影响是较大 的。 泵升电压限制电路 C uS R1 uS1 u R 2 th RL D2 T D1 ? 泵升电压通过电阻RL泄放掉。 ? 图中，比较器的反相输入端为一门坎电压Uth。同相输入端 的电压Us1由R1，R2对电容电压的分压得到。 ? 根据要限定的泵升电压设定Uth的值。当泵升电压在安全范 围之内时， 比较器输出负电压，功率管T处于截止状态； ? 当泵升电压达到限定值时，比较器输出正电压使功率管导 通，泵升电压通过电阻RL泄放掉。 ? 在泄放的瞬间，电阻RL所耗散的功率是比较大的。在例4-1 中，如果减速过程中电机及其负载的功能全部转换为RL中 耗散的热能，且减速时间为50ms。则电阻的瞬间向功率可 达 P?EJ ?1 2J?12?1 2?2?10?3?3142?1972(W ) td td 0.05 ? 从上式可以看出，减速时间越短，电阻瞬间消耗功率越大。 5. 电流回路和速度回路 ? ua3 ? ua2 ? ua1 u~ ua1 ua2 ua3 Tf T1 T3 D1 D3 1 3 uS ug1 C A MB ug3 T2 T4 D2 D4 ug2 2 4 ug4 ? 功率放大器可以从较小的电压信号控制较大的电枢电压和电 流，从而控制电机转速和转矩，但这种控制并不是很稳定的。 ? 比如从机械特性可以看出当负载变化时，电机速度会改变。 ? 比如当功率放大器电源变化时，电机的输出力矩也会改变。 ? 利用电流回路和速度回路不但可使控制电压对速度和力矩的 控制关系稳定下来，还可得到反馈所带来的其它好处。 电流回路 R1 ui R2 uif R3 -1 Uc PWM调制电路 + C4 R4 R5 2+ Us+ΔUs M ia Rf Rf ? 图为—采用比例控制的电流回路的原理图。比例控 制由运放1构成的电流控制器实现。 ? 运放1的另一个作用是实现电流指令信号与电流反 馈信号的相减； ? 运放1的输出即是前述的PWM功放电路的输入Uc； ? 电阻Rf用于检测电机电枢电流。出于减少功率损耗 的考虑，Rf的值一般都比较小。 ? 运放2一方面放大Rf上的电压,另一方面构成低通滤 波器用于滤除PWM高频噪声。 R1 ui R2 uif R3 -1 Uc PWM调制电路 + C4 R4 R5 2+ Us+ΔUs M ia Rf Rf ΔUs KKee Ui Uif - KKPP Uc KKPPAA Ua e - 1 R ? SL ia KKtt T 1 JS ω KL RRff TL S ? 1 KP—电流控制器增益；KpA—功率图放4大-30器电压放大倍数；KL—滤波器增益； TL—滤波器时间常数。 ΔUs —电网电压波动引起的绕组电压变化 ΔUs KKee Ui Uif - KKPP Uc KKPPAA Ua e - 1 R ? SL ia KKtt T 1 JS ω KL TLS ? 1 RRff 图4-30 △Us ui KP - 1/R - KPWM 1 ia T S ?1 e KL Rf ? 由于Te远小于Tm,分析电流回路时可忽略反电势e的影响； ? 由 Kpwm [A/V]代替KpA， Kpwm可实测得到； ? 由于TL远小于Te, 忽略滤波器时间常数。 电流回路对输入指令的响应 △Us ui KP - 1/R - KPWM 1 ia T S ?1 e KL Rf G(s)H(s)?KP?KPW M?Rf ?KL Tes?1 ia(s)? G(s) ? Ki ui(s) 1?G(s)H(s) Ts?1 i Ki ? Rf 1 ?KL Ti ?1?Kp?KPTW eM?Rf ?KL ? 回路输入输出间的静态关系 ia ? Kiui ? 当Ui的幅值及极性改变时，Ia按比例随之改变。 ? 由于 Ti ?? Te ，回路反馈作用使电流响应特性加 快，有 利于电机力矩的迅速建立及扰动的快速抑制； 电流回路对扰动的抑制作用 △Us ui KP - 1/R - KPWM 1 ia TS ?1 e KL Rf ? 没有电流回路，则 ?ia ??us /R ? 即扰动直接作用到输出端 ? 有了电流反馈后 ?ia ? ?us/R 1?KP?KPWM?KL?Rf ? 电流反馈抑制了扰动量造成的电流（力矩）变化 ? 回路的开环增益越高，这种抑制作用越强。 电流回路的作用 ? 建立了电机电流（力矩）与电流指令之间 稳定的跟随关系。 ? 能抑制电网电压波动对输出电流（力矩） 扰动，使其造成的电流（力矩）变化尽可 能小。 ? 反馈作用减小了电气时间常数的影响，加 快电流（力矩）对指令的响应速度。 ? 降低了回路内参数变化对输出力矩的影响。 速度回路 R1 u? R2 u? f D1 D2 R3 C1 - Ui 电流回路 ia + ? M TG Kg ? 图为一采用PI控制的速度回路的原理图。 ? 运算放大器将速度指令与速度反馈信号相比较，其误差经 PI运算后再经电流回路控制电机的转速。 ? TG（Tachometer Generator）为测速发电机，用于测量电 机的速度，其输出经电位器分压后送至速度控制器。 ? 电流回路实现控制器输出电压到电机电流（力矩）的转换。 ? 当速度指令改变例如增大时，惯性作用使电机速度不能突 变，速度的误差经PI控制器放大后使电流回路产生更大的 电流（力矩），驱动电机加速，直到达到速度指令要求的 新的速度； ? 当负载变化例如负载转矩增大时，电机的速度下降，回路 的反馈作用使速度误差增大，电流回路产生更大的电流 （力矩）使电机回复到原来的转速； ? D1,D2的作用是限制电流回路输入，即限制电机电流。 R1 u? R2 u? f D1 D2 R3 C1 - Ui 电流回路 ia + ? M TG β ω B A A＇ Tf1 Tf2 ? ua3 ? ua2 ? ua1 ua1 ua2 ua3 Tf Tf ? AA’是没有速度反馈时电机的机械特性曲线 ? AB是有速度反馈时电机的机械特性曲线。 ? 速度反馈对扰动的抑制作用：使机械特性“变硬” R1 u? R2 u? f 速度回路为比例控制 D1 D2 R3 C1 - Ui 电流回路 ia + ? M TG Kg C1=0； R3/R1=Kvp Uω Uωf- K vp Ui K i i Kt T Tf - 1 JS ω Kg 速度回路对输入指令的响应 Uω Uωf- K vp Ui Ki i Kt T Tf 1- JS ω Kg ?(s) ? G(s) ? K? T? ?J/ KvpKtKiKg u?(s) 1?G(s)H(s) T?S?1 K? ?1/ Kg ? 静态特性： ? ? K?u? 建立了速度对指令的跟随关系 ? 当Uω的幅值及极性改变时，ω按比例随之改变。 ?r _ Uω G1（S） Km ?n ω1 ?c Tm S ? 1 S Uω Uωf- K vp Ui K i i Kt T Tf - 1 JS ω Kg ? 动态特性：动态响应速度由时间常数决定； ? 没有速度回路时：Tm?JR/KtKe ? 有速度回路时： T??J/KvpKtKiKg ? 由于 T? ?? Tm ，动态响应比没有速度回路时快，这有利 于电机速度的迅速建立； ? KVP越高，Tω越小，速度的响应越快。 速度回路对扰动的抑制作用 Uω Uωf- Kvp Ui Ki i Kt T Tf 1- JS ω Kg ? 当没有速度回路时，负载力矩变化将直接产生速度变化； ? 当有速度回路且采用比例控制，扰动作用被抑制。 ? 稳态时：???Kvp?Ki1?Kt ?Kg ?Tf 存在静态误差。 ? KVP越高，这种抑制作用越强。 ? 由于 T? ?? Tm ，快速的动态响应有利于扰动的快速抑制； 速度回路的作用 ? 建立了电机速度与速度指令之间稳定的跟 随关系。 ? 能有效抑制负载变化造成的速度变化。 ? 反馈作用减小了机械时间常数的影响，加 快了速度对指令的响应速度。 ? 降低了回路内参数变化对电机速度的影响。 T ( Nm) Tp Tr 短时工作区 连续工作区 电机力矩—速度曲线 ? 特性曲线有两个区域：连 续工作区和短时工作区。 ? 在连续工作区内电机可以 在转速之内连续工作。 在短时工作区内，电机仅 能断续地工作 ? 连续输出力矩 Tr 也称作 额定力矩。指当不超过电 机绕组绝缘的热限制时， 电机所能连续输出的力矩。 单位为 Nm。 ? 峰值力矩Tp 电机能输出 的转矩，单位为 Nm。 这是一个很临界的参数 n(rpm) ? 额定转速n 电机正常工作 时允许的转速,单位为 rpm。 ? 速度—力矩曲线是选用伺 服电机的一个重要依据。 思考题 1. 用电机统一理论说明直流伺服电机工作原理。 2. 什么是伺服电机的四象限运行？它对电机驱动器提出什 么要求？ 3. 画出直流伺服电机的控制特性和机械特性曲线，并说明 这两个特性对电机速度控制的作用。 4. 直流伺服电机的动态特性由哪两个重要参数表示，这两 个参数各说明什么道理？ 5. 线性功率放大器和PWM功率放大器哪个效率更高些？为 什么？ 6. H桥PWM功率放大器如何实现直流伺服电机的四象限运 行？ 7. 在什么情况下电机会运行在制动状态，它对功率放大器 产生什么影响？ 8. 为什么需要速度回路和力矩回路？它们在电机速度和力 矩控制中各有什么作用。
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