直流伺服电动机及其驱动
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。
伺服电机知识汇总(直流-交流伺服电机)
伺服电机知识汇总（直流/交流伺服电机）伺服电机servomotor“伺服”一词源于希腊语“奴隶”的意思。
“伺服电机”可以理解为绝对服从控制信号指挥的电机：在控制信号发出之前，转子静止不动;当控制信号发出时，转子立即转动;当控制信号消失时，转子能即时停转。
伺服电机是自动控制装置中被用作执行元件的微特电机，其功能是将电信号转换成转轴的角位移或角速度。
伺服电机分为交流伺服和直流伺服两大类交流伺服电机的基本构造与交流感应电动机(异步电机)相似。
在定子上有两个相空间位移90°电角度的励磁绕组Wf和控制绕组WcoWf，接恒定交流电压，利用施加到Wc上的交流电压或相位的变化，达到控制电机运行的目的。
交流伺服电机具有运行稳定、可控性好、响应快速、灵敏度高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格(要求分别小于10%～15%和小于15%～25%)等特点。
直流伺服电机基本构造与一般直流电动机相似。
电机转速n=E/K1j=(Ua-IaRa)/K1j，式中E 为电枢反电动势，K为常数，j为每极磁通，Ua、Ia为电枢电压和电枢电流，Ra为电枢电阻，改变Ua或改变φ，均可控制直流伺服电动机的转速，但一般采用控制电枢电压的方法，在永磁式直流伺服电动机中，励磁绕组被永久磁铁所取代，磁通φ恒定。
直流伺服电动机具有良好的线性调节特性及快速的时间响应。
直流伺服电机的优点和缺点优点：速度控制精确，转矩速度特性很硬，控制原理简单，使用方便，价格便宜。
缺点：电刷换向，速度限制，附加阻力，产生磨损微粒(无尘易爆环境不宜)交流伺服电机的优点和缺点优点：速度控制特性良好，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡，90%以上的高效率，发热少，高速控制，高精确度位置控制(取决于编码器精度)，额定运行区域内，可。
伺服驱动技术
伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度，以误差的形式 表现，可概括为动态误差、稳态误差和静态误差三个方面组成。
稳定性 伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后，系统能够 恢复到原来稳定状态的能力；或者当给系统一个新的输入指令后，系统 达到新的稳定运行状态的能力。
响应特性
响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度，决定了系 统的工作效率。响应速度与许多因素有关，如计算机的运行速度、 运动系统的阻尼和质量等。
Ra CeC 2
T
由上式知，直流伺服电机的控制方式如下：
（1）调压调速（变电枢电压）
（2）调磁调速（变励磁电流）
（3）改变电枢回路电阻调速
转向取决于电磁转矩 T 的方向，而 T 的方向 取决于 Φ 和 Ia 的方向。
+ Ia
Ua
M
If + Uf
+ Ia
Ua
M
－
－磁
场
Uf
反
If +
向
－
－
－
If +
360° zN
=
360° 40×3
= 3°
②采用三相六拍时： θ=
360° zN
=
360° 40×6
= 1.5°
3.步进电动机驱动电源
(1)作用 : 发出一定功率的电脉冲信号，使定子励 磁绕组 顺序通电。
与一般交流和直流电动机所不同的是，步进电动机定子绕 组所加的电源形式为脉冲电压，而不是正弦电压或者恒定 直流电压。
U2
3
U1
V2
W2
V2
W2
V2
W2
W1
V1
W1
控制电机第三章 直流伺服电动机_OK
改进。
35
I a3
2.反接制动工作状态
适用情况：驱动电机反转
原因：本身和负载的转动惯
量，n1维持不变。
U a 2
工作特点：
（1）既非发电机，又非电动机。
（2）Ia3很大（设计放大器时必须考虑的问题）。
（3）T很大，制动转速。
（4）吸收电能，又吸收机械能——电机电枢铜耗。
36
3.动能制动工作状态
突变：U a1
U a2
U a 2 Ea1 I a 2 Ra
当 U a2
时，
Ia2
Ea1 为负。
Ia2
U a2
T为制动转矩，电机处于发电机状
态。当Ea1下降到比Ua2小时，电
机将回到电动机状态。
发电机状态加快了电机转速的衰减过程，提高了系统快速性。
34
U a2
实际电路中晶闸
管供电不允许反
措施：采用低速性能好的直流力矩电动机和低惯量直流电
动机。
30
由调节特性可知：
（1） 一定负载转矩下，当磁通不变时，Ua n。
（2） Ua=0时，电机立即停转，无自传现象。
（3）电动机反转：改变电枢电压的极性，电动机反转。
（4）低速工作不稳定。
机械特性和调节特性的比较
31
4 过渡过程的运行状态
l
I a
Dl
2a 2 2a
T CT I a kT I a
转矩系数kT
11
➢电磁转矩和转矩平衡方程
电磁转矩
T CT I a
稳态转矩平衡方程
T2 T T0 TL
Ts T0 TL
Ts T
动态转矩平衡方程
直流伺服电机PPT课件
电流反馈
功放
第14页/共47页
G
M
§6.4 直流伺服电机 （五） 直流进给运动的速度控制（2）PWM调速系统
① 主回路：
大功率晶体管开关放大器； ② 控制回路：功率整流器。
速度调节器；
电流调节器；
固定频率振荡器及三角波发生器；
脉宽调制器和基极驱动电路。
区别：
与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节
2） 脉宽调制器
同向加法放大器电路图 U S r –速度指令转化过
来的直流电压
U△
R1
U Sr
R1
R2
+ +12V
-
R3
USC
U △- 三角波
USC- 脉宽调制器的输
出（ U S r +U △ ）
调制波形图
U △+U S r
U△
+U S r
o
o
t
-12V U △+U S r
t
o
-U S r
t
U SC
电机转速与理想空载转速的差
（6.7）
ω（n） △ω
ωO
O
TL TS T
图6.7 直流电机的机械特性
第3页/共47页
§6.4 直流伺服电机 （二）一般直流电机的工作特性
2. 动态特性 直流电机的动态力矩平衡方程式为
TM TL J d
dt
式中
TM ─电机电磁转矩； TL ─ 折算到电机轴上的负载转矩； ω ─ 电机转子角速度； J ─ 电机转子上总转动惯量；
（6.1）
KT —转矩常数； Φ—磁场磁通；Ia —电枢电流；TM —电磁
转矩。电枢回路的电压平衡方程式为:
第6章 直流伺服电动机
第6章 直流伺服电动机
根据转矩平衡方程式，当负载转矩不变时，电磁
转矩T=CTΦIa不变；又If不变，Φ不变，所以电枢电流Ia 也不变。再由电动机电压平衡方程式Ea=Ua-IaRa可以看
出，由于IaRa不变，感应电势Ea将随Ua的降低而减小；
又Φ不变，故转速要相应减小。若电压改变后的感应电 势、转速、 电流用Ea′、n′、Ia′表示，则Ua′=55 V时的
第6章 直流伺服电动机
第6章 直流伺服电动机
1 直流电动机的工作原理 2 电磁转矩和转矩平衡方程式
3 直流电动机的反电势和电压平衡方程式
4 直流电动机的使用 5 直流伺服电动机及其控制方法 6 直流伺服电动机的稳态特性
第6章 直流伺服电动机
7 直流伺服电动机在过渡过程中的工作状态 8 直流伺服电动机的过渡过程
的方向一致时， 数值为正； 反之， 数值为负。
第6章 直流伺服电动机
由于现在主要研究电机的工作状态， 为了分析简 便， 可先不考虑放大器的内阻， 这时电枢回路的电压 平衡方程式为 Ua1 =Ea1 +Ia1 Ra 式中, Ua1 >Ea1 。
第6章 直流伺服电动机
负载为常数时的调节特性
仍以直流电动机带动天线旋转为例来说明电动机的 调节特性。 在不刮风或风力很小时， 电动机的负载转矩主要是 动摩擦转矩TL加上电机本身的阻转矩T0。 在转速比较低的条件下， 可以认为
动摩擦转矩和转速无关，是不变的。 因此， 总阻转矩Ts 是一个常数。
负载转动惯量的影响当电机在系统中带动负载时其转动惯量应该包括负载通过传动比折合到电动机轴上的转动惯量j放大器内阻的影响当电机是由直流放大器提供控制信号时如同在分析放大器内阻对机械特性的影响一样这时电枢回路的电阻中应包括放大器的内阻r即总的电枢回路电阻为r这样一来电机机电时间常数表示式32可以看出负载惯量越大或放大器内阻越大则机电时间常数亦越大过渡过程的时间就越长
直流伺服电动机工作原理
直流伺服电动机工作原理直流伺服电动机是一种能够通过控制系统来精确控制转速和位置的电动机。
其工作原理可以概括为以下几个步骤：1. 电源供电：直流伺服电动机首先需要通过电源来提供电能。
电源会提供直流电压，通常是以可调节的方式供应。
2. 电动机转子：直流伺服电动机内部有一个转子，它由一组线圈和永磁体组成。
转子可以自由地旋转。
3. 电机驱动器：为了控制电动机的转速和位置，需要一个电机驱动器。
电机驱动器主要由功率放大器和控制电路组成。
控制电路通常接收来自控制系统的信号，并根据信号来调整电机的转速和位置。
4. 控制信号：控制信号可以来自于传感器或控制程序。
传感器可以测量电动机的转速和位置，并将信息传送给控制系统。
控制程序可以根据需求来将电动机的转速和位置设置为特定的数值。
5. 调整电压：根据控制信号，控制电路会调整电机驱动器的输出电压。
输出电压的改变会导致电动机的转速和位置相应地变化。
6. 转矩产生：当电机驱动器输出电压改变时，通过控制线圈通入不同的电流。
电流通过线圈时会在线圈和永磁体之间产生磁场。
根据电流的方向和大小，磁场的极性和强度也会相应改变。
这个磁场会与永磁体的磁场相互作用，产生力矩，进而驱动转子转动。
7. 反馈回路：为了确保电动机的准确控制，通常会设置一个反馈回路。
反馈回路可以监测电动机的实际转速和位置，并将信息反馈给控制系统。
控制系统通过与期望值进行比较，可以及时调整控制信号，从而保持电动机的精确控制。
通过以上的工作原理，直流伺服电动机可以在控制系统的指导下，实现精确的转速和位置控制，广泛应用于机器人、自动化设备和工业生产线等领域。
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。
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1.1 各种不同的直流伺服电动机
• 2.大惯量宽调速电动机
• 对于一些需要很大转矩的场合，则使用大惯量宽调速电动机。其基本 结构与普通直流电动机一样，不同的是大惯量宽调速电动机具有良好 的加减速特性、大的热容量、绝缘等级高、寿命长等优点，大多使用 高性能稀土永磁材料制作定子。这些特点使其性能远远高于普通直流 电动机，具有高转矩、宽调速、动态特性好、快速响应能力强等优点。 大惯量宽调速电动机的功率通常小于600 W，并且采用电枢电压调节 转速。
1.1 各种不同的直流伺服电动机
1.小惯量直流伺服电动机 无槽电枢伺服电动机如图3-14（a）所示。它将绕组固定在无槽的电枢铁芯上，以避免 在电枢铁芯上开槽，使电枢可以做到很小，从而实现了降低转动惯量的目的。空心杯伺 服电动机结构如图3-14（b）所示，它在固定的铁芯上安装有类似于杯子的转子，同时， 为了保证磁阻小，在空心杯转子内放置了固定内定子。因为转子很轻，所以转动惯量也 很小。盘形电枢伺服电动机如图3-14（c）所示。采用盘状的电枢，它的定子磁铁位于 盘形电枢的平面两侧，电枢绕组可以是印制或者用导线绕制。因为电枢的质量极小，所 以转动惯量很小。
Eb Cen
1.2 直流伺服电动机机械特性和调节特性
• 根据上面三个公式，可得到
n um TR Ce CTCe2
当电压一定时，转速n与转矩T成 反比，以n为纵轴，T为横轴，则 它们的关系是一条截距为um/Ce Φ ，斜率为－R/CTCeΦ2的直线， 这条直线就是机械特性曲线，即 T=f(n)曲线，如图3-15（a）所 示。当转矩T一定时，转速n与电 压um成正比，根据式（3-6）可 画出调节特性曲线，即n=f(um) 曲线，如图3-15（b）所示。
Uo
t1Ui t2Ui t1 t2
t1 t1
t2 t2
Ui
Ui
1.3 直流伺服电动机的驱动电路
图3-17 PWM波形
1.3 直流伺服电动机的驱动电路
2）PWM产生电路 如图3-18（a）所示的比较器电路，其反相端输入一个三角波，同相端输入电动 机的控制电压。当三角波小于控制电压时，输出为1；当三角波大于控制电压时， 输出为零。由于三角波的波形是一个等腰三角形，输出的脉冲宽度由控制电压与 三角波之间的交点所决定，如图3-18（b）所示。
1.3 直流伺服电动机的驱动ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ路
图3-20 直流伺服电动机驱动电路
谢谢观看！
图3-16 直流电压线性调整原理
1.3 直流伺服电动机的驱动电路
1.脉冲宽度调制原理及产生电路
1）脉冲宽度调制原理
PWM分为单极性和双极性两种，如图3-17（a）所示为单极性PWM脉
冲，其等效的直流电压为
Uo
t1
t1 t2
Ui
Ui
双极性PWM的输出电压在一个周期内正负相间，所以称为双极性。
其信号波形如图3-17(b)所示，输出电压Ｕo为
1.3 直流伺服电动机的驱动电路
图3-19 直流伺服电动机驱动电路原理
当H桥上两个同侧的晶体管同时导通时，电源将会短路，导致线路烧毁。为 了防止这种现象发生，在实际驱动电路中通常要增加部分硬件电路。如图3-20所 示，在基本H桥电路的基础上增加了4个与门和两个非门。4个与门同一个“使能” 导通信号相接，用这一个信号就能控制整个电路的开关。而两个非门通过提供一 种方向输入，可以保证任何时候在H桥的同侧都只有一个晶体管能导通。
图3-18 PWM波形产生原理图
1.3 直流伺服电动机的驱动电路
2.常用驱动电路
PWM信号经过放大后推动功率晶体管，再由功率晶体管驱动直流伺 服电动机运行，因为直流伺服电动机经常需要正反转切换，所以通 常使用两对晶体管来驱动，如图3-19(a)所示为一个典型的直流伺 服电动机驱动电路。因为两对晶体管的电路形状类似于字母“H”， 所以称为H桥驱动电路。
直流伺服电动机 及其驱动
直流伺服电动机及其驱动
• 直流伺服电动机是应用最为广泛的执行电动机，具有速度高、体积小、质量轻、 效率高和转矩大等优良特性。其速度可以通过调节输入电压来控制，且调节范 围很宽，适用于各种控制系统。直流伺服电动机广泛地应用于机器人、数控机
• 直流伺服电动机主要由定子和转子两大部分组成。定子的主要作用是产生磁场 和作为电动机的机械支承。它由主磁板、换向极、机座、端盖、轴承、电刷装 置等组成。转子是机械能和直流电能相互转换的枢纽。它由电枢铁芯、电枢绕 组、换向器、转轴、风扇等组成。直流伺服电动机原理与普通直流电动机相同。
图3-15 直流伺服电动特性曲线
1.3 直流伺服电动机的驱动电路
改变电压可以通过多种方式实现，常用的为线性调整和脉冲宽 度调制（pulse width modulation，简称为PWM）。直流电压线性调 整原理如图3-16所示，通过改变晶体管VT的基极电压来改变输出电 压。由于输入电压等于晶体管VT的压降Uce和电动机电压Um之和， 改变Ui即可改变Um，这时晶体管工作在放大状态，这种电路损耗很 大，只能应用在调速范围很小，并且电动机功率微小的场合。
要使电动机运转，必须导通对角线上的一对晶体管。根据每对晶体 管的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电动机，从而 控制电动机的转向。如图3-19(b)所示，当VT1和VT4导通，VT2和 VT3截止时，电流就从电源正极经VT1—电动机—VT4回到电源负 极。设晶体管处于图3-19（b）所示状态时，电动机正转，则当晶 体管处于如图3-19（c）所示状态时，电动机可实现反转，在图3-1 9中箭头表示电流方向。
1.2 直流伺服电动机机械特性和调节特性
直流伺服电动机最主要的特性就是机械特性和调节特性。前者 是指电压一定时，转速和转矩之间的关系；后者是指转矩一定时， 电压和转速之间的关系。
直流伺服电动机的转矩T与电枢电流im成正比，即
T CTim
而电枢回路中的电压平衡式为
um Eb im R
反电动势Eb与电动机的转速n成正比，即