第三节 直流伺服电机及驱动控制
直流伺服电机的工作原理
直流伺服电机的工作原理
直流伺服电机是一种利用直流电源驱动的电动机。
其工作原理基于电磁感应的原理，主要包括电磁场产生、电力转换和闭环控制三个方面。
首先是电磁场产生，直流伺服电机内部有一组永磁体和一组电磁线圈。
当电流通过电磁线圈时，会产生一个磁场，该磁场将与永磁体的磁场相互作用，从而产生一个力矩。
可以通过改变电流的大小和方向来控制电磁场的强弱和极性，进而实现力矩的调节。
然后是电力转换的过程。
直流伺服电机通常通过直流电源供电，电源提供的直流电流经过控制器进行调节和分配。
控制器根据系统需求，通过改变电流的幅值和极性来控制伺服电机的运动。
电流经过电机的线圈时，会产生电流与磁场相互作用的力矩，从而驱动电机转动。
同时，电流也会通过电机的线圈产生电阻损耗和铜损耗。
最后是闭环控制，直流伺服电机通常配备反馈装置，如编码器或霍尔传感器。
这些传感器可以实时监测电机的转动角度和速度，并将信息反馈给控制器。
控制器通过对反馈信号的比较和计算，实时调整电流的输出，以使得电机的位置或速度达到预定的目标。
这种闭环控制可以保证伺服电机在不同负载和工况下的稳定性和精度。
综上所述，直流伺服电机的工作原理主要包括电磁场产生、电力转换和闭环控制三个方面。
通过调节电磁场的大小和方向，
利用电力转换将电能转化为力矩，然后通过闭环控制使电机按照预定目标进行位置或速度调节。
这种原理使得直流伺服电机在许多领域中得到广泛应用，包括工业自动化、机械加工、机器人技术等。
伺服电机的控制方式和运动控制系统
伺服电机的控制方式和运动控制系统伺服电机是一种能够根据控制信号精确地控制旋转角度、转速和位置的电机，广泛应用于工业自动化领域。
在实际应用中，为了使伺服电机能够实现精准的控制，需要配合合适的控制方式和运动控制系统。
下面将介绍伺服电机的控制方式和运动控制系统。
一、伺服电机的控制方式1. 位置控制位置控制是指通过控制伺服电机的旋转角度或线性位置来控制工件或设备的位置。
在位置控制中，通常需要通过编码器等反馈装置实时监测伺服电机的位置，从而调整控制信号，使电机按照设定的位置参数进行运动。
2. 速度控制速度控制是指通过控制伺服电机的转速来实现控制目标。
通过调节电机的输入电压、电流或脉冲信号，可以实现对电机转速的精准控制。
速度控制广泛应用于需要稳定速度输出的场合，如汽车行驶控制、风机调速等。
3. 力矩控制力矩控制是指通过控制伺服电机的输出扭矩来实现对负载的力矩控制。
在一些需要对工件施加精确力矩的场合，如加工中心、机器人等，力矩控制是非常重要的控制方式。
二、运动控制系统1. 传感器传感器是运动控制系统中的重要组成部分，用于实时监测电机的位置、速度、力矩等参数。
常用的传感器包括编码器、霍尔传感器、压力传感器等，它们可以将实时采集到的数据反馈给控制系统，实现对电机的闭环控制。
2. 控制器控制器是指控制电机运动的核心部件，根据传感器反馈的数据计算出控制信号，并输出给伺服电机，以实现对其位置、速度或力矩的精准控制。
控制器通常可分为单轴控制器和多轴控制器，用于不同数量的电机同时运动的控制。
3. 运动控制算法运动控制算法是指控制系统中用于计算控制信号的算法，包括位置环控制、速度环控制、力矩环控制等。
运动控制算法的设计和优化对系统的性能和稳定性有重要影响，需要根据具体的应用场景选择合适的算法。
综上所述，伺服电机的控制方式和运动控制系统是伺服系统中至关重要的组成部分，直接影响到系统的性能和稳定性。
通过选择合适的控制方式和运动控制系统，可以实现对伺服电机的精准控制，满足不同应用场景的需求。
直流伺服电机及其驱动技术
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。
e Ke
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
电枢的等效电路
e
电枢回路电压方程式为：
dia Ua L Ria e dt
即定子磁势和转子磁势相互垂直，则能得到最大转矩。
N
Fr
S
Fs
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。
动态特性
dia ua L ia R e dt d TJ Tf dt T K t ia e Ke
ua
e
直流伺服电机的控制与驱动
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直流伺服电机控制与驱动
机械工程
内容安排
1、直流伺服电机工作原理 2、直流伺服电机的驱动 3、直流伺服电机的选择
直流电机和直流伺服电机有什么区别：
伺服电机：有反馈的控制系统，它是直流供电， 有编码器反馈速度和位置信号，有良好的动态性 能。
直流电机：没有反馈信号，不能形成闭合回路。
直流伺服电机的特点 优点：具有较高的响应速度、精度和频率，优良 的控制特性等。便于调速，机械特性好。
（4）
这样我们通过控制加在电机上的电压来控制转 速
2、直流伺服电机的控制与驱动
直流伺服电机是直流供电，为了调节电机转速和方向，需 要对其直流电压的大小和方向进行控制。目前常用的驱动 方式是PWM（pulse width modulation）脉冲宽度调制的 英文缩写。它的含义是利用大功率晶体管的开关作用，使 得加到电机上电压的时间（占空比）发生变化，从而控制 电机电压的平均值来控制电机的转速。
Va = Vmax *a
其中Va指的是电机的平均速度，Vmax 指电机在通电时的最大速度， a= t1 /T 是指占空比 . 由上面的公式可见，当我们改变占空比a时，就可以得到不同的电机平均速度 Va，从而达到调速的目的。
3、直流伺服电动机的选择
选择依据是惯量匹配原则或者等效转矩来选择，只介绍第一种方法 惯量匹配原则 根据理论分析和实践证明，负载惯量和电机惯量的比值对伺服系统的性能
此时电机只能在某一个方向调速，称为不可逆调速。当需要电机 在正、反两个方向都能调速的时候，需要使用桥式降压电路
数控技术及编程
第五节 典型伺服系统
2. 螺距误差补偿 传动链中的滚珠丝杠螺距
累积误差直接影响工作台的位 移精度，为数控设备提供了自 动螺距误差补偿功能来解决这 个问题。
3. 细分线路 细分线路是把步进电机的一步再分得细一些。如十细分线路，将
原来输入一个进给脉冲步进电机走一步变为输入十个脉冲才走一步。
第五节 典型伺服系统
第六节 数控机床的进给传动部件
1. 滚珠丝杠螺母副的结构 滚珠的循环方式有外循环和内循环两种。滚珠在返回过程中与丝
杠脱离接触的为外循环，滚珠循环过程中与丝杠始终接触的为内循环。 循环中的滚珠叫工作滚珠，工作滚珠所走过的滚道叫工作圈数。 2．滚珠丝杠螺母副轴向间隙的调整
滚珠丝杠的传动间隙是轴向间 隙，消除间隙的方法常采用双螺母 结构，利用两个螺母的相对轴向位 移。
加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率 到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。 5).矩频特性与动态转距
矩频特性是描述步进电机连续 稳定运行时输出转矩与连续运行频 率之间的关系。
第二节 步进伺服驱动控制
二. 步进电动机的驱动与控制
1。工作方式 从一相通电换接到另一相通电称为一拍，
第五节 典型伺服系统
B、提高开环系统伺服精度 提高开环系统伺服精度从结构上讲有：改善步进电机的性能、减小
步距角、采用精密传动副、减小传动链中传动间隙等方法。 从控制方法上讲有：传动间隙补偿、螺距误差补偿、细分线路。 1. 传动间隙补偿
传动间隙补偿的基本方法为： 判别进给方向变化后，首先不向 步进电机输送反向位移脉冲，而 是将间隙值换算为脉冲数，驱动 步进电机转动，越过传动间隙， 待间隙补偿结束后再按指令脉冲 进行动作。
直流伺服电机的应用及原理
直流伺服电机的应用及原理1. 引言伺服电机是一种能够准确控制转速和位置的电机，在工业自动化领域有着广泛的应用。
而直流伺服电机是伺服电机中的一种常见类型，它具有响应快、控制精度高等特点。
本文将介绍直流伺服电机的应用领域以及其工作原理。
2. 应用领域直流伺服电机在各个行业中都有着广泛的应用，以下列举其中几个主要领域：•工业自动化：直流伺服电机常用于工厂生产线上的自动化设备中，如机械臂、输送带、自动装配等。
其快速响应和精确控制能力使其能够完成复杂的加工和装配任务。
•机器人技术：直流伺服电机是机器人技术中关键的驱动设备之一。
它可以驱动机器人的关节和末端执行器，实现精确的位置和速度控制，从而完成各种复杂的动作任务。
•雕刻机和CNC机床：直流伺服电机广泛应用于雕刻机和数控机床等设备中，通过精确的位置和速度控制，实现复杂的切削和加工。
•包装机械：直流伺服电机可以与包装机械设备配合使用，实现对包装过程中的运动轨迹、速度和力度的精确控制，提高生产效率和包装质量。
3. 工作原理直流伺服电机的工作原理基于电机的基本原理和反馈控制原理。
下面将简要介绍其工作原理的几个关键部分：•电机部分：直流伺服电机由电机本身和编码器构成。
电机通过转子内置的永磁体和定子之间的磁场相互作用来产生转矩。
编码器用于测量转子位置和速度，将反馈信号传递给控制器。
•控制器部分：控制器是直流伺服电机的主要控制装置，它接收编码器的反馈信号，并根据设定的控制算法计算控制信号，控制电机的转速和位置。
控制器一般包括位置环和速度环控制器，用于实现精确的位置和速度控制。
•回路闭合：作为反馈控制系统，直流伺服电机的控制回路需要保持闭合。
控制器通过不断比较设定值和实际值，然后对电机施加合适的控制信号来调整电机的转速和位置，从而实现目标控制效果。
4. 优点与局限性直流伺服电机具有以下优点：•控制精度高：直流伺服电机通过反馈控制系统实现精确的位置和速度控制，控制精度高，能够满足复杂的运动控制需求。
直流伺服电机驱动原理
直流伺服电机驱动原理在现代工业中，电机驱动系统通常需要对转速和位置进行高精度控制，以满足各种工业应用的要求。
其中，直流伺服电机是一种常见的电机类型，因为它们具有较高的精度和响应性能，并且适用于许多应用领域，如机器人、自动化生产线等。
本文将介绍直流伺服电机的驱动原理。
电路构成伺服电机驱动电路的基本构成由三个部分组成：控制电路、功率电路和反馈电路。
控制电路控制电路通常由微处理器、计数器、数据存储器、ADC转换器和各种驱动器组成。
其中微处理器对目标位置或目标转速进行测量和控制，计数器记录位置和速度，数据存储器用于保存控制参数，ADC转换器用于读取反馈信号。
驱动器则用于控制功率电路中的开关管。
功率电路功率电路主要由三部分组成：直流电源、开关管和驱动器。
直流电源伺服电机驱动通常是直流电源驱动，直流电源提供了所需的电流和电压。
开关管开关管是控制电路和伺服电机之间传递电流的关键部分。
目前常用的开关管主要分为MOSFET和IGBT两类。
MOSFET的主要优点是响应速度快，但它的驱动电路复杂、温度敏感；IGBT则具有响应速度稍慢，但稳定性和可靠性更高。
驱动器驱动器是控制管的控制电路，其主要功能是控制开关管的通断状态以调节电机的电流。
现在，许多驱动器都采用了数字信号处理器（DSP）技术来实现高效控制。
反馈电路反馈电路的主要作用是通过测量伺服电机的位置和速度来提供精确的位置和速度信号。
其中，旋转编码器和霍尔传感器是常用的位置反馈器件。
控制原理伺服电机驱动控制原理可以简化为下面三个步骤：目标位置或目标速度的设定微处理器根据控制参数和输入信号来确定目标位置或目标速度的设定值。
实际位置或实际速度的测量通过旋转编码器或霍尔传感器来测量伺服电机的实际位置或实际速度，并将它们转换为电量信号传送到控制电路中。
控制输出信号的产生微处理器通过控制电路将输出信号发送到功率电路中，控制器驱动马达根据输出信号进行控制，从而实现伺服电机的位置或速度控制。
伺服 电机
第三节直流伺服驱动控制直流伺服电动机是用直流电信号控制的执行元件，它的功能是将输入的电压控制信号，快速转换为轴上的角位移或角速度输出。
直流伺服电动机具有线性调速范围宽、信号响应迅速、无控制电压立即停转、堵转转矩大等特点，作为驱动元件被广泛应用于数控闭环(或半闭环)进给系统中。
以直流伺服电机作为驱动元件的伺服系统称为直流伺服系统。
一、直流伺服电动机的工作原理及类型1．工作原理直流电机的工作原理是建立在电磁力定律基础上的，电磁力的大小与电机中的气隙磁场成正比。
直流电机的工作原理如图3–12所示，位于磁场中的线圈abcd 的a端和d端分别连接于各自的换向片上，换向片又分别通过静止的电刷A和B 与直流电源的两极相连。
当电流通过线圈时，产生电磁力和电磁转矩，使线圈旋转，线圈转动的同时，abcd的两个相连的换向片的位置产生变化，从而改变了所接触的电源极性，维持线圈沿固定方向连续旋转。
图3–12 直流电机的工作原理图就原理而言，一台普通的直流电机也可认为就是一台直流伺服电机，因为当一台直流电机加以恒定励磁，若电枢(多相线圈)不加电压，电机不会旋转；当外加某一电枢电压时，电机将以某—转速旋转，改变电枢两端的电压，即可改变电机转速，这种控制叫电枢控制。
当电枢加以恒定电流，改变励磁电压时，同样可达到上述控制目的，这种方法叫磁场控制。
直流伺服电机一般都采用电枢控制。
直流电机的种类很多，但它们的工作原理都是一样的，但是由于功用不同，在结构和工作性能上也有所区别。
2．直流伺服电机的分类直流电机按其励磁方式分为永磁式、励磁式(他励、并励、串励、复励)、混合式(励磁和永磁合成)三种；按电枢结构分为有槽、无槽、印刷绕组、空心杯形等；按输出量分为位置、速度、转矩(或力)三种控制系统；按运动模式分为增量式和连续式；按性能特点及用途不同又有不同品种。
二、常用直流伺服电动及特点永磁电机和他励电机适合于数控机床，而这类电机在实际应用中，习惯上按其性能特点又有小惯量直流伺服电机和宽调速直流伺服电机之分。
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（一）PWM的的基本原理
• 电压的平均值Uav为
Ton U av U S U S T
式中 =ton/T，称为占空比；T开关周期，ton为一个 周期内开关接通时间。改变脉冲的占空比，电机两 端电压的平均值也随之改变，因而电机的转速就可以 得到调节。
改变占空比的方法有两种
• (1)脉冲频率不变(T不变)，改变脉冲宽度(ton 改变)，从而改变占空比，这就是脉冲宽度 调制，英文名称是Pulse Width Modulation， 简写为PWM。 • (2)脉冲宽度不变(ton不变)，改变脉冲频率(T 改变)，从而改变占空比，这就是脉冲频率 调制，英文名称是Pulse Frequency Modulation，简写为PFM。 • 目前，直流电机的调速电路中，以应用 PWM控制方式为主。
三、直流伺服电机特性分析
• （一）直流伺服电机静态特性
（二）直流伺服电机的动态特性
K m ( s) 2 2 U a ( s) s 2 n s n
2 n
Байду номын сангаас
• 当 >1时，按照自动控制理论分析方法，此 时可忽略电磁时间常数d的影响，简化分析， 认为过渡过程主要由机电时间常数巧决定。
2.开关功率放大器
• 1）当UI＝0时，US的正、负脉宽相等，即ton=T/2， 此时UPV =0，绕组中的平均电流等于零，电动机不 转。但在交流分量作用下，电动机在停止位置处高 频微振，这种微振有动力润滑作用，可消除电动机 启动时的静摩擦，减小启动电压。 • 2）当UI>0时，US的正脉宽大 于负脉宽，即ton>T/2， 此时UPV >0，流过绕组中的电流平均值大于零，电 动机正转，且随着UI增加，转速增加。 • 3）当UI<0时，US的正脉宽小于负脉宽，即tonT/2， 此时UPV 0，电枢绕组中的电流平均值也小于零， 电动机反转，且反转转速随着UI减小而增加。 • 4）当UI≥UTPP/2或UI≤-UTPP/2时，US为正或负的直流信 号，VTl和VT4或VT2和VT3始终导通，电动机在最高转 速下正转或反转。
直流电机的调速可采用三种方法： （1）通过改变电枢电压Ua进行调速； （2）在电枢回路中串入可调电阻Ra进行调速； （3）他励式直流伺服电机Ua保持恒定，在激磁回路中串入 调节电阻调速（弱磁调速） 。在电枢回路中串入可调电阻Ra调速将引起功率损耗，效 率低，机械特性变软，而且只能将转速调低；弱磁调速的 调速范围小。所以，在伺服系统的调速中，这两种方法都 很少采用。电枢电压调速具有起动力矩大，阻尼效果好， 响应速度快且线性度好等特点.
二、直流伺服电机调速原理
• 电枢回路中的电压平衡方程式为
U a Ea I a Ra
电枢反电动势Ea与转速n之间存在如下关系：
Ea Ce n
电枢切割磁场磁力线所产生的电磁转矩M
M CmI a
• 直流伺服电机运行特性的一般表达式
Ua Ra n M 2 Ce C e C m
（二）PWM驱动电路装置
1.电压—脉宽变换器
• 电压—脉宽变换器的作用是根据控制指令信 号UI对脉冲宽度进行调制，以便用宽度随UI 变化而变化的脉冲信号去控制大功率晶体 管的导通时间，实现对电枢绕组两端电压 的控制。UI为电压信号，在采用微型机作控 制器的伺服系统中，UI由计算机通过D/A转 换生成，经模拟量I/O通道接入。
第三节 直流伺服电机及驱动控制 • 伺服电机要求能够准确地执行频繁 变化的位置或速度指令，即要求转 矩大、转子转动惯量小，能以大的 加速度进行起动、停止控制，具有 响应速度快的特点，所以它不同于 通常的驱动电机。
一、直流伺服电机的基本结构及类 型特点
直流伺服电机按定子磁场产生方 式可分为永磁式和他励式两类， 在永磁式直流伺服电机中，磁极 采用永磁材料制成，充磁后即可 产生恒定磁场。在他励式直流伺 服电机中，磁极由冲压硅钢片叠 成，外绕线圈，靠外加励磁电流 才能产生磁场。它们的性能相近。 由于永磁式直流伺服电机不需要 外加励磁电源，因而在机电一体 化伺服系统中应用较多。
Km ( s) U a ( s) 1 j s
四、直流伺服电机PWM驱动控制
• 直流伺服电机的驱动控制装置实际上是一个可控 的大功率整流电路。
• 常用的有可控硅调压和脉冲宽度调制(PWM) 调压两种驱动控制装置。
• 70年代以来，随着国际上电力电子技术(即大功率半导体技术)的飞速 发展，推出了新一代的全控式电力电子器件，如可关断的晶闸管(GlO)、 大功率晶体管(GTR)、场效应晶闸管（P-MOSFEL），以及近年来最新 推出的绝缘门极晶体管（IQBT）。这些全控式功率器件可使直流电源 以1～10kHz的频率交替地导通和关断，通过改变脉冲电压的宽度来改 变平均输出电压。正因为此，晶体管脉宽调速系统才又受到重视。它 与可控硅调压调速相比，具有结构简单、功耗低、效率高、工作可靠 等优点，因此在生产实际中得到了广泛的应用。
当UI =0时，输出信号US为正负脉冲宽度相等的矩形脉冲。 当UI >0时，US的正脉宽大于负脉宽。 当UI <0时，US的负脉宽大于正脉宽。 当UI≥UTPP/2（UTPP是三角波的峰—峰值）时，US为一正直流信号，当UI≤UTPP/2时，US 为一负直流信号。 目前已有集成化的电压—脉宽变换器芯片，如LM3524等。有些单片机本身就具有PWM 输出功能，如80C552、8098等，其输出脉冲宽度及频率可由编程确定，应用起来非常方便 。此外，通过软件编程结合D/A转换也可以形成脉宽调制信号。