直流电动机驱动及其控制

图5-31 直流位置伺服系统
•
• • • •
数字式位置控制系统根据其位置反 馈信号检测和比较方式的不同分为以下 四种控制方案： 1．数字式脉冲控制的伺服系统（图5-32） 2．数字式编码控制的伺服系统（图5-33） 3．数字式相位控制的伺服系统（图5-34） 4．数字式幅值控制的伺服系统（图5-35）
图5-29 晶闸管转速与电流双闭环调速系统方框图
图5-30 晶体管脉宽调速系统方框图
二. 位置伺服系统 位置控制伺服系统是应用领域非常广泛的一 类系统，如数控机床、工业机器人和雷达天线等。 在速度伺服系统的基础上增加位置反馈环节就可 构成直流位置控制伺服系统。在位置伺服系统中， 位置环有模拟式和数字式，前者如仿形机床伺服 系统，采用自整角机的角度跟踪系统等。随着计 算机控制技术的发展，在位置控制伺服系统中， 越来越多采用数字式，而速度环常采用模拟式， 构成混合式的伺服系统。在这里只讨论数字式的 位置控制伺服系统。图5-31是现在广泛采用的位 置控制伺服系统组成示意图，图中TG是速度检测 装置，PG是位置检测装置。
• 式：
根据上式可得直流电机的调速公
U a I a Ra U a Ra CmI a n n0 kM Ce Ce Ce Cm
上式中，n0－理想空载转速；k－机械特性斜率。
从上式可知，直流电机的调速方法通常有三种：(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)Ua保持恒定，在激磁回路中
图5-32 数字式脉冲控制的伺服系统
图5-33 数字式编码控制的伺服系统
图5-34 数字式相位控制的伺服系统
图5-35 数字式幅值控制的伺服系统
情况则相反。由此得到两种不同的被调制直流
电压。
图5-26 PWM脉宽调制波形图
开关功率放大器的作用是对电压－ 脉宽变换器输出的信号Us进行放大，输 出具有足够功率的信号Up ，以驱动直流 伺服电动机。
• 5.3.3 直流伺服系统的组成 • 一. 速度伺服系统 • 通过以上分析，我们知道，在PWM 构成的驱动电路中，只要改变脉冲的宽 度，就可以调节电机的转速。但这样的 调速系统是开环的，由于直流电动机本 身的机械特性比较软，直流开环伺服系 统不能满足机电一体化系统的要求，在 实际应用中一般都采用闭环伺服系统。 闭环直流调速系统中，目前用得最多的 是晶闸管直流调速系统和PWM直流脉宽 调速系统。
调制方法：
• (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
变)，电磁转矩与空载阻转矩和负载转矩相平衡。
描述直流电机稳态(静态)特性的基本方程为：
U a Ea I a Ra Ea Cen M CmI a M M0 M L
上式中 Ra－电枢总电阻(电枢绕组电阻和换向器接触电阻)；Ia－电枢总电
流；Φ－每级磁通；J－折算到电机转轴上的转动惯量；电势系数Ce＝ Np/60a，N为电枢绕组元件边数，p是极对数，a是电枢绕组的支路对数； 力矩系数Cm＝Np/2πa。
串入调节电阻Rf调速(弱磁调速)。
•
串入电阻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，所以在伺服系统中普遍采用，本节 也重点讨论电枢电压调速。
所示，电压的平均值为
ton U av U s U s T
图5-24 PWM原理图
•
ton 式中， T
为占空比。由上式可见，
改变开关接通时间ton和开关周期T的比例，
亦即改变脉冲的占空比，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，从而获得两种
•
晶闸管直流调速系统有单闭环调速系 统、双闭环调速系统和可逆调速系统。实际 中常用的具有转速、电流双闭环调速系统如 图5-29所示。系统具有速度调节器ST和电流 调节器LT两个控制环，电流调节环在里面， 是内环；速度调节环在外面，为外环。 • 采用双闭环原理组成的晶体管PWM调 速系统如图5-30所示，图中BU是电压－脉冲 变换器，EP是脉冲分配器。ST和LT一般都是 采用比例积分调节器。作为速度检测的元件 主要有直流测速发电机、频率发电机和编码 器等。
生器、电压－脉冲变换与分配器和功率放
大器等部分组成，如图5-25所示。
图5-25 PWM驱动电路框图
• 频率脉冲发生器可以是三角波发生器或者 锯齿波发生器，它的作用是产生一个频率 固定的调制信号U0。 • 电压－脉冲变换器的作用是将外加直流控 制电平信号Ue与脉冲频率发生器送来的三角 波电压U0在其中混合后，产生一个宽度被调 制了的开关脉冲信号。
5.3 直流电动机驱动及其控制
• 5.3.1 直流伺服电动机特性和 调速原理 • 5.3.2 直流电动机的驱动调速 方法 • 5.3.3 直流伺服系统的组成
3.1 直流伺服电动机特性和调速原理 直流伺服电动机是伺服系统中使用 最早，也是应用最广的执行元件。在性 能要求较高的系统中多采用直流伺服电 动机。 直流伺服电机的基本结构和工作原 理与普通直流电机基本相同，不同之点 只是它做得比较长一些，惯量小一些， 以便能满足快速响应的要求。
Modulation ，简写为PFM。
• 目前，直流电动机的调速电路中，以PWM的工作原理，必须有一种 电路或装置将控制转速的指令转换成脉 冲的宽度，其中元件工作在高速开关状 态，这种装置叫直流PWM驱动装置。
•
PWM脉宽调制放大器是由脉冲频率发
PWM法调速原理图5-24(a)所示是PWM控制的原理图。可 控开关S以一定的时间间隔重复地接通和断开。当S接通时，供 电电源US通过开关S施加到电机的两端，电源向1电机提供能量，
电机储能；当开关S断开，中断了供电电源US向电机提供能量。
在S接通期间电枢电感所储存的能量将通过续流二极管使电机电 流继续流通。于是在电机两端得到的电压波形如图5-24(b、c)
•
分配器的作用是将电压－脉冲变换 器输出的脉冲信号按一定的逻辑关系分 配到功率放大器的各个晶体管基极，以 保证各晶体管协调工作。
•
基极驱动电路工作在开关状态，它 对宽度被调制了的脉冲信号进行功率放 大，以驱动主电路的功率晶体管。
•
图5-26所示是一个电压－脉冲变换器线路
及调制原理的波形图。当控制电压Ue为零时， 输出电压UA和UB的脉冲宽度相同，且等于T/2(T 为三角波的周期)。当控制电压Ue为正时， UA 的宽度大于T/2， UB的宽度小于T/2； Ue为负时，
5.3.2 直流伺服电动机的驱动调速方法 直流电动机的电枢电压调速要求灵 活地控制电枢电压的大小和极性，因此 直流电动机的驱动电路实际上是一个可 控的大功率整流电路。常用的方法有可 控硅法和PWM法等。这里重点讨论PWM 法。
PWM驱动装置是利用大功率晶体管 的开关作用，将恒定的直流电源电压转 换成一定频率的方波电压，加在直流电 动机的电枢上，通过对方被脉冲宽度的 控制，改变电枢的平均电压，从而控制 电动机的转速。因此，这种装置又称为 “开关驱动装置”。
•
根据直流电动机的工作原理，当给电动机的激磁绕组通以直流电时，会 在电机气隙中建立极性不变的磁场(永磁电机由永久磁铁产生)。电枢绕组 两端加直流控制电压Ua时，电枢绕组中便产生电枢电流Ia ，处于气隙磁场 中的电枢载流导体受到磁场力的作用，产生电磁转矩M，驱动电动机转 动起来。电机一旦旋转起来之后，电枢导体将切割气隙磁场产生感应电 势Ea，其极性与Ua相反，称为反电势。当电机稳定运行的时候(转运n不