3伺服驱动与控制—伺服驱动

第三章
主要内容
一、概述
伺服系统执行元件
二、直流伺服电机与驱动控制
三、交流伺服电机与驱动控制
四、步进电机与驱动控制
五、新型驱动机构
六、本章实验
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一、概述
1. 定义：能够将非机械能转换为机械能动力元件。 2. 分类：

电磁执行元件、液压执行元件、气动执行元件三大类。
（1）电磁执行元件：通过电磁转换将电能转换成机械能的动力元件， 应用最广泛，包括按照输出形式分为旋转电机、直线电机；按照电机类 型包括交流电机、直流电机和步进电机。 （2） 液压执行元件：将液压能转换为机械能的动力元件，包括：液压 马达（旋转运动）、液压缸（直线运动）。 （3）气动执行元件：将气压能转换为机械能的动力元件，包括：气马 达（旋转运动）、气缸（直线运动）。
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一、概述
4. 电机的选型与计算原则
（1）确定电机的种类 交流伺服电机适用于具有较高控制精度要求的场合； 直流电机适用于低速大扭矩而控制精度相对较高的控制场合； 步进电机适用于控制精度较低的开环控制场合。 （2）确定电机的最高转速与转矩 根据负载要求，确定电机的最高转速，如果需要减速器，还应该减 速机的减速比； 综合考虑各种负载形式（惯性负载、摩擦负载、弹性负载、阻尼负 载和不平衡负载等），将其折合到电机轴上，从而确定电机的转矩。 （3）其它因素 确定电机的反馈形式（全闭环、半闭环、开环；电流环、速度环、 位臵环）； 确定电机的驱动电压。
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Pe
二、直流伺服电机与驱动控制
7.2 H型桥控制方式
H桥式电机驱动电路包括4个三极 管和一个电机。要使电机运转，必须 导通对角线上的一对三极管。根据不 同三极管对的导通情况，电流可能会 从左至右或从右至左流过电机，从而 控制电机的转向。 如图所示，当Q1管和Q4管导通时， 电机顺时针方向旋转；当Q2管和Q3管 导通时，电机逆时针方向旋转。
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二、直流伺服电机与驱动控制
直流电机分为两部分：定子与转子。定子包括：主磁极，机座，换向极， 电刷装臵等。转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。
1. 直流电机的特点 优点： 直流电机具有转矩大，低速性能好； 在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速； 调速范围宽，起动力矩大； 成本较低。 缺点： 直流电机的最大缺点就是有电流的换向问题。 2. 应用场合 各种机器人控制；火炮高低、方位随动系统。
T1
T
Id
Iq
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Pe
二、直流伺服电机与驱动控制
现以IRF640场效应管的特性为例：


最大工作电流18A，峰值电流72A
最高耐压200V 导通电阻RDS=0.180Ω 高阻输入 纳秒级开关速度。
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360 KmZ
三、步进电机与驱动控制
1. 概述
定义：步进电机(又称脉冲马达)是将脉冲信号转化为角位移的电磁机 械。其转子的转角与输入的脉冲数成正比，其速度与单位时间内输入的 脉冲数成正比，电机运动的方向则取决于脉冲的顺序。 步距角： 特点：
不需要反馈就能对位置或速度进行控制； 角位移量与输入脉冲数严格成正比，不会引起误差积累； 具有自锁能力，定位精度较高； 与数字设备兼容。
（相邻两次通电相数相同K＝1；相邻两次通电相数不同，K＝2）。
360 KmZ
式中，m为电机相数，Z为转子齿数，K为系数
应用：步进电机应用比较广泛，主要用在定位控制系统、数控机床等 领。
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三、步进电机与驱动控制
2. 原理与分类
根据工作原理不同，步进电机可分为三种： （1） 反应式（又称为磁阻式步进电机）：结构简 单，工作可靠，运行频率高，步距角小(0.09-9度)， 价格便宜，易于操作。 （2） 永磁式：控制功率小、效率高、造价低，步 距角较大(7.5-18度)。由于价格更便宜，被广泛用于 打印机、复印机、传真机以及空调器等各个领域中。 （3） 混合式：既有反应式步进电机步距角小、工 作频率高的特点，又有永磁式步进电机控制功率小、 无励磁时具有转矩定位的优点，但价格较高。
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一、概述
3. 执行元件的特性 主要从以下几个方面来衡量执行机构的特性： （1）负载能力：执行机构所能承受的负荷或所能产生的驱动
能力，如电机最大输出扭矩，液压缸最大输出力；
（2）运动速度：指正常工作时，执行机构最小或最大稳定速 度。如电机的转速、液压马达的转速；
（3）功率密度：执行机构所产生的最大功率与其自身质量或 体积的比值。一般液压执行机构的功率密度要比电动和气动 执行机构的功率密度大。
n Ud R Te Ce CeCm
R / CeCm 为斜率，
值大表示电磁转矩的变化引起电机转速的变化大，这种 情况称直流电机的机械特性软；反之，斜率值小，电机 的机械特性硬。
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Ce 为与电动机结构有关的电势常数。
Pe
二、直流伺服电机与驱动控制
6.2 调节特性 直流电机在一定的电磁转矩下电机的稳态转速随电 枢的控制电压变化而变化的规律，被称为调节特性。
脉宽调制(Pulse Width Modulation， PWM)是利用微处理器的数字输出
来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，应用非常广泛。 定义：（T1/T) ×100%
当控制信号为低时光耦导通，三极管Q1导通，流过 电机的电流为Iq；当控制信号为高或悬空时光耦截止， 三极管Q1截止，由于电机是感性负载，电流不能突变， 此时，电机通过续流二极管D1形成电流回路放电。 当三极管Q1导通时，电源电流流过电机；当三极管 Q1截止时，电机中线圈电流通过续流二极管放电。由于 电机线圈为电感，因此对电流有滤波作用，当开关频率 合适，则可认为电流基本没有变化。因此，当控制信号 频率不变时，调节占空比，即可调节流过电机电流的大 小，从而控制电机的转速。
变有显著的变化。 直流复励电机： 电动机的磁通由两个绕组内的励磁电流产生。
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Pe
二、直流伺服电机与驱动控制
4. 直流电机主要技术参数
直流电机的输出电磁转矩表达式为：
式中：
p
pN Te Cm I a Ia 2 a
--- 电动机的极对数。 --- 电枢绕组并联支路数； --- 电动机的每极磁通；
电机扩大机控制方式 H型桥式控制方式
PWM脉宽调制控制方式
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Pe
二、直流伺服电机与驱动控制
7.1 电机扩大机控制方式
电机扩大机的换向器上臵有 互成 90°电角度的直轴和交轴 两组电刷（顺着控制绕组轴线 的是直轴，与其成90°电角度 的轴线是交轴），利用其交轴 的电枢反应磁场，实现两级放 大，其作用原理如图所示。
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Pe
二、直流伺服电机与驱动控制
若交磁扩大机在电动机拖动下恒速旋转，则当控制绕组通有 控制电流Ik时，交轴电刷q-q间就产生电动势Eq。由于q-q电刷短
路，或者经串接交轴助磁绕组后短路，其电阻较小，所以交轴电
流Iq较大。由Iq建立的磁通Φq比控制磁通Φk大得多。因此，旋转 的转子切割Φq产生的并由直轴电刷引出的电动势Ed远比Eq大。 在接有负载的直轴回路内，就有很大的负载电流Id，也就是负载 可获得很大的功率输出。较小控制绕组电流Ik的较小变化，可获 得很大的Id变化，实现功率放大。 优点：二级发电原理，功率放大倍数大，带负载能力强，控制功 率只需几毫瓦，放大倍数可达几千倍，动态响应快，加速减速性 能好，静差小，调速范围大。 缺点：补偿复杂、换向困难，存在滞环，易造成工作点不稳定， 导致整个系统不稳定；需要原电机带动，结构负载，成本高。
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三、步进电机与驱动控制
3 步进电机静态特性 步进电动机的静态特性是指它在稳定状态时的特性，包括静转矩、 矩-角特性及静态稳定区。 （1）矩-角特性：在空载状态下，给步进电机某相通以直流电流时，转 子齿的中心线与定子齿的中心线相重合，转子上没有转矩输出，此时的位 臵为转子初始稳定平衡位臵。 （2）静态转矩：在电机转子轴上加一负载转矩，则转子齿的中心线与定 子齿的中心线将错过一个电角度才能重新稳定下来。此时转子上的电磁转 矩与负载转矩相等，该转矩为静态转矩，转过的角度为失调角。 （3）静态稳定区：当失调角在-π到π的范围内，若去掉负载转矩，转子 仍能回到初始稳定平衡位臵。因此，把-π 到π 的区域称为步进电动机静 态稳定区。
N --- 电枢绕组的有效导体数；
a

Cma
pN --- 与电机结构有关的转矩常数。 2 a
5. 直流电机主要技术参数
额定功率、额定电压、额定电流、额定转速、额定转矩、调速比
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Pe
二、直流伺服电机与驱动控制
6. 直流伺服电机的基本特性 6.1 机械特性 输入电枢电压保持不变时，电机的转速随电磁转矩 变化而变化的规律，称直流电机的机械特性。
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二、直流伺服电机与驱动控制
3. 直流电机的分类

永磁式直流电机 电磁式直流电机
直流它励电机：励磁绕组与电枢没有联系，由另外直流电源供给。
因此励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。
直流并励电机： 励磁绕组两端电压就是电枢两端电压，励磁绕组具 有较大的电阻，使得通过他的励磁电流较小。
直流串励电机： 励磁绕组和电枢串联，励磁磁场随着电枢电流的改
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三、步进电机与驱动控制
4 步进电机动态特性
步进电机动态特性主要包括：起动转矩、矩-频特性和惯-频特性。
（1）起动转矩：步进电动机单相励磁时所能带动的极限负载转矩。 （2）启动频率：空载时步进电机由静止状态突然起动，并进入不失步的正 常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率，加给步进电机的指令脉冲频 率如大于启动频率，就不能正常工作。 （3）最高连续运行频率：步进电动机在连续运行时所能接受的最高控制频 率被称为最高运行频率，以表示。电机在连续运行状态下，其电磁转矩随控 制频率的升高而逐步下降。 （4）矩频特性与动态转矩 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。