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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，方向是由N极指向S极。
2、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；Tf负载转矩，单位为Nm；J电机转子及负载的转动
3、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
4、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
5、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
6、。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
7、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。,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，
8、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，
9、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
10、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。,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
11、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:P
12、ulse-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T
13、2、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
14、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,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
15、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
16、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，
17、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,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
18、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 焦耳 电机旋转的动能为 焦耳 重物下落的势能为 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,解此式，可得能量回馈后电容上的电压为 在上面的计算中C滤波电容的数值 单
19、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，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。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 rad/s=314 rad/s本例中，若电机及其负载的转动惯量增加
20、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,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从上式可以看出，减速时间越
21、短，电阻瞬间消耗功率越大。,5.电流回路和速度回路,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,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
22、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。,KP电流控制器增益；KpA功率放大器电压放大倍数；KL滤波器增益；TL滤波器时间常数。Us 电网电压波动引起的绕组电压变化,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。,回路输入输出间的静态关系当Ui的幅值及极性改变时，Ia按比例随之改变。由于，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；,电流回路对输入指令的响应,电流回路对扰动的抑制作用,没有电流回
23、路，则即扰动直接作用到输出端有了电流反馈后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,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
24、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。,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”,速度回路为比例控制,C1=0；R3/R1=Kvp
25、,速度回路对输入指令的响应,静态特性：建立了速度对指令的跟随关系当U的幅值及极性改变时，按比例随之改变。,动态特性：动态响应速度由时间常数决定；没有速度回路时：有速度回路时：由于，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，T越小，速度的响应越快。,速度回路对扰动的抑制作用,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：存在静态误差。KVP越高，这种抑制作用越强。由于，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
26、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。,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最大转速之内连续工作。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 电机能输出的最大转矩，单位为 Nm。这是一个很临界的参数 额定转速n 电机正常工作时允许的最高转速,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,用电机统一理论说明直流伺服电机工作原理。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？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。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？线性功率放大器和PWM功率放大器哪个效率更高些？为什么？H桥PWM功率放大器如何实现直流伺服电机的四象限运行？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？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。,
