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1、第三章第三章 伺服电机及其驱动技术伺服电机及其驱动技术n n3.1 3.1 一般规律一般规律一般规律一般规律n n3.2 3.2 直流永磁伺服电机及其驱动技术直流永磁伺服电机及其驱动技术直流永磁伺服电机及其驱动技术直流永磁伺服电机及其驱动技术n n3.3 3.3 交流永磁同步伺服电机及其驱动技术交流永磁同步伺服电机及其驱动技术交流永磁同步伺服电机及其驱动技术交流永磁同步伺服电机及其驱动技术n n3.4 3.4 直流无刷伺服电机及其驱动技术直流无刷伺服电机及其驱动技术直流无刷伺服电机及其驱动技术直流无刷伺服电机及其驱动技术n n3.5 3.5 两相混合式步进电机及其驱动技术两相混合式步进电机及其
2、驱动技术两相混合式步进电机及其驱动技术两相混合式步进电机及其驱动技术3.1 一般规律1.1.电机统一理论电机统一理论电机统一理论电机统一理论2 2电机的基本运动方程电机的基本运动方程电机的基本运动方程电机的基本运动方程3.3.伺服电机的四象限运行伺服电机的四象限运行伺服电机的四象限运行伺服电机的四象限运行1、电机统一理论n n伺服电机的定子和转子由永磁体或铁芯线圈构成。n n永磁体产生磁场，而铁芯线圈通电后也会产生磁场。n n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。n n永磁体或铁芯线圈产生磁场的根源是存在着永磁体或铁芯线圈产生磁场的根源是存
3、在着磁通势磁通势磁通势磁通势。n n永磁体的磁通势是常量，大小由体积和材料导磁性能永磁体的磁通势是常量，大小由体积和材料导磁性能决定，方向是由决定，方向是由NN极指向极指向S S极。极。n n而铁芯线圈产生的磁通势遵循如下的关系式：而铁芯线圈产生的磁通势遵循如下的关系式：Fm=IW 安匝安匝安匝安匝 式中式中FmFm磁通势，或简称磁势；磁通势，或简称磁势；I I线圈中流过的电流；线圈中流过的电流；W W线圈匝数，或绕组匝数。线圈匝数，或绕组匝数。n n在同样铁芯下，线圈匝数越多，通过线圈的电流越大，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产
4、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。螺旋关系。n n磁势是即有大小又有方向的量，可用矢量表示。磁势是即有大小又有方向的量，可用矢量表示。n n电机统一理论指出：电机产生的转矩为电机统一理论指出：电机产生的转矩为n n式中式中 Fs,Fr Fs,Fr 定、转子磁势的幅值；定、转子磁势的幅值；n n s-r s-r 定、转子磁势之间的夹角。定、转子磁势之间的夹角。n n要想增大力矩，必须增大定、转子磁势要想增大力矩，必须增大定、转子磁势。n n当定子磁势与转子当定子磁势与转子磁势相互垂直时，产生的转矩最大磁势相互垂直时，产生的转矩最大。n n电机统一理论是所有电机工作的基础。电机
5、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式中 T T电机转矩电机转矩,单位为单位为NmNm；Tf Tf负载转矩，单位为负载转矩，单位为NmNm；J J电机转子及负载的转动惯量，单位为电机转子及负载的转动惯量，单位为KgmKgm2 2；电机位置，单位为电机位置，单位为radradn n电机的基本运动方程指出电机的基本运动方程指出电机转矩、转速之间电机转矩、转速之间的关系。的关系。n n在负载一定条件下，只有改变电机转矩才能改变电机转速在负载一定条件下，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；当电机转矩大于负载转矩时，电机产生加速运动；当电机转矩
6、小于负载转矩时，电机产生减速运动；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。当电机转矩等于负载转矩时，电机恒速运动。n n电机及负载转动惯量是影响速度变化的另一主要因素电机及负载转动惯量是影响速度变化的另一主要因素n n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。n n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；n n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电机的四象限运行 n n伺服系统常要求伺服电机即能
7、正向运动，又能反伺服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。这就向运动；即能加速运动又能减速运动。这就要求要求电机力矩的大小及方向都能改变。电机力矩的大小及方向都能改变。n n电机的这种力矩一速度关系可以电机的这种力矩一速度关系可以4 4象限形式象限形式表示出来表示出来n n电机在做正向或反向的加速或匀速运动时，力矩和速度的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，电机产生驱动转矩方向一致，电机产生驱动转矩“推推”动电机旋转，这种状动电机旋转，这种状态称为态称为电动状态电动状态电动状态电动状态；n n当电机做正向或反向的减速运动时，力矩和速度的
8、方向相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；反，电机产生制动转矩；“拉拉”动电机停止，这种状态称动电机停止，这种状态称为为制动状态制动状态制动状态制动状态。轨迹跟踪系统轨迹跟踪系统轨迹跟踪系统轨迹跟踪系统 电机也必须有四象限运行能力电机也必须有四象限运行能力电机也必须有四象限运行能力电机也必须有四象限运行能力n n四象限运行能力是伺服电机与一般电机区别的一四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。个重要标志。n n它要求电机能提供方向及大小均可控制的它要求电机能提供方向及大小均可控制的转矩和转矩和转矩和转矩和转速转速转速转速。对伺服电机的基本要求n
9、 n 力矩和速度的可控性n n 快速响应能力n n 宽调速范围n n 较高的过载能力n n 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、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、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、永磁直流伺服电机的特性4、功率放大器、功率放大器5、电流回路和速度回路、电流回路和速度回路1、结构n n由定子磁极、转子电枢和换向机构组成；由定子磁极、转子电枢和换向机构组成；n n定子磁极一般为瓦状永磁体，可为两极或多极结构；定子磁极一般为瓦状永磁体，可为两极或多极结构；n n转子的结构有多种形式，最常见的
10、是在有槽铁心内铺设绕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；组的结构。铁芯由冲压成的硅钢片一类材料迭压而成；n n换向机构由换向环和电刷构成。绕组导线连接到换向片上，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。电流通过电刷及换向片引入到绕组中。2.2.工作原理工作原理n n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。矩的大小及方向都发生变化，这将使电机转子来回摆动。n
11、 n要想维持电机单方向稳定转动，必须维持要想维持电机单方向稳定转动，必须维持dFrdFr的方向不变；使的方向不变；使 保持保持不变。不变。n n而且如果能使而且如果能使 即即定子磁势和转子磁势相互垂直，则能得到最大转矩定子磁势和转子磁势相互垂直，则能得到最大转矩定子磁势和转子磁势相互垂直，则能得到最大转矩定子磁势和转子磁势相互垂直，则能得到最大转矩。n n电枢有电枢有5 5个线圈，每个线圈个线圈，每个线圈产生的磁势矢量相加得到产生的磁势矢量相加得到合成磁势。合成磁势。n n合成磁势的方向依然随转合成磁势的方向依然随转子旋转而改变。子旋转而改变。n n这仅使电机力矩更大一些，这仅使电机力矩更大一
12、些，力矩的大小及方向改变的力矩的大小及方向改变的问题依然存在。问题依然存在。n n假如我们在转子旋转时，假如我们在转子旋转时，能通过电流换向，能通过电流换向，始终保始终保证电枢几何中性面以上的证电枢几何中性面以上的全部绕组端子为电流流进，全部绕组端子为电流流进，下面的绕组端子为电流流下面的绕组端子为电流流出，就能保证转子合成磁出，就能保证转子合成磁势的方向不变，且与定子势的方向不变，且与定子磁势垂直。磁势垂直。n n这个工作是由换向机构完这个工作是由换向机构完成的。成的。n n由于换向环和电刷的作用，当电枢旋转时，每一个经过电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
13、方向都被自动改变，转子的合成磁势刷的绕组，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。这保证了在转子旋转时定子磁势和转子磁维持方向不变。这保证了在转子旋转时定子磁势和转子磁势总是相互垂直。势总是相互垂直。力矩的波动力矩的波动n n由于换向片的数目是有限的，由于换向片的数目是有限的，转子磁势的方向会有微小的转子磁势的方向会有微小的变化。这将导致力矩的波动。变化。这将导致力矩的波动。n n当电机高速旋转时，由于电机转子和负载惯量的平滑作用，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。这个影响可以忽略。n n但当电机工作在低速状态时，可能会产生问题。但当电机工作在
14、低速状态时，可能会产生问题。n n可增加绕组、换向片或定子的极对数解决这个问题。可增加绕组、换向片或定子的极对数解决这个问题。n n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。n n通过什么量控制转速和转矩？n n要找出电枢电压、电流和转速、转矩的关系。n n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。力矩和电流的关系力矩和电流的关系n n因为因为 Fs=Fs=常量，常量，Fr=IWFr=IW，所以当线圈匝数，所以当线圈匝数WW保持保持一定时，有一定时，有 T=Kt I n n即力矩完全由电流控制，力矩大小及方向由电枢即力矩完全由电流控制，力矩大小及方向由电枢即力
15、矩完全由电流控制，力矩大小及方向由电枢即力矩完全由电流控制，力矩大小及方向由电枢电流大小及极性决定。电流大小及极性决定。电流大小及极性决定。电流大小及极性决定。n n力矩系数力矩系数 Kt Kt与电枢绕组匝数及定子磁极的磁通势与电枢绕组匝数及定子磁极的磁通势有关，其单位为有关，其单位为Nm/ANm/A。反电势和转速的关系反电势和转速的关系n n电枢旋转时切割定子磁极的磁力线，根据电磁感应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定律，这将在电枢绕组中产生感应电势e e，其值为，其值为 n n即即感应电势正比于电机转速感应电势正比于电机转速,系数系数KeKe与
16、电枢绕组匝数与电枢绕组匝数及定子磁极磁势有关，其单位为及定子磁极磁势有关，其单位为 伏伏/弧度弧度/秒秒 n n感应电势出现在电刷两端，与电刷上所加的电枢电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，因此常称做压方向相反，因此常称做反电势反电势。3.工作特性工作特性 电枢的等效电路电枢的等效电路n n电枢回路电压方程式电枢回路电压方程式电枢回路电压方程式电枢回路电压方程式为：为：n n式中式中 Ua Ua、iaia电枢电压、电枢电流；电枢电压、电枢电流；L L、RR电枢等效电感、等效电阻；电枢等效电感、等效电阻；e e反电势。反电势。静态特性静态特性电机的动态过程已经结束，进入恒速
17、状态时的特性电机的动态过程已经结束，进入恒速状态时的特性 n n由控制特性可见，同样负载条件下，转速和电压成线性关由控制特性可见，同样负载条件下，转速和电压成线性关系，系，转速的高低及方向完全由电枢电压的幅值和极性决定转速的高低及方向完全由电枢电压的幅值和极性决定n n由机械特性可见，同样电枢电压下，由机械特性可见，同样电枢电压下，负载变大时，电机转负载变大时，电机转速将降低速将降低，这个特性可由速度回路加以改善。，这个特性可由速度回路加以改善。控制特性控制特性控制特性控制特性 机械特性机械特性机械特性机械特性动态特性动态特性 n nTmTm称为机械时间常数称为机械时间常数;Te;Te 称为电
18、气时间常数称为电气时间常数n n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节的乘积表示。n n由于存在着电气时间常数，电枢中的电流不能突变；由于存在着电气时间常数，电枢中的电流不能突变；n n由于存在着机械时间常数，电机的转速不能突变由于存在着机械时间常数，电机的转速不能突变；小结小结nT=Kt I 力矩完全由电流控制。力矩完全由电流控制。n n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。n n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.功率放大器功率放大器n n
19、功率放大器的输入是较小的信号功率，输出是以功率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。电枢电压和电流表示的较高的功率。n n功率放大是在控制信号作用下，将电源功率的一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部分转换到输出功率。功率放大器自身也消耗部分功率。分功率。对功率放大器的基本要求对功率放大器的基本要求n n功率放大的效率要高，即驱动器本身消耗的功率功率放大的效率要高，即驱动器本身消耗的功率要小。要小。n n能在可控条件下实现电机的四象限运行：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能输出幅
20、值及极性均可改变的电压实现电实现电 机速度机速度 大小及方向的控制。大小及方向的控制。能输出幅值及极性均可改变的电流能输出幅值及极性均可改变的电流实现电实现电 机力矩机力矩 大小及方向的控制。大小及方向的控制。n n线性功率放大器和线性功率放大器和线性功率放大器和线性功率放大器和PWMPWM桥式功率放大器是最常见桥式功率放大器是最常见桥式功率放大器是最常见桥式功率放大器是最常见的两种功率放大器。的两种功率放大器。的两种功率放大器。的两种功率放大器。线性功率放大器线性功率放大器 n n线性功率放大可使电机在四象限下工作。线性功率放大可使电机在四象限下工作。n n但因调速时两只晶体管工作在放大状态
21、，管压降总是存在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管发出的热量，效的，电源功率有相当一部分变成了晶体管发出的热量，效率较低。率较低。n n晶体管是电流放大器件，驱动电路较复杂。晶体管是电流放大器件，驱动电路较复杂。n n需要双电源供电。需要双电源供电。n nT1T1、T2T2是一对互补晶体管。是一对互补晶体管。n n双电源供电。双电源供电。n n当当UbUb为正时，为正时，T1T1导通，导通，T2T2截止，加到电机电枢绕组上的截止，加到电机电枢绕组上的电压为正，电压为正，电流电流ia ia产生正向力矩使电机正向旋转。产生正向力矩使电机正向旋转。
22、n n当当UbUb为负电压时，为负电压时，T1T1截止，截止，T2T2导通，加到电枢绕组上的导通，加到电枢绕组上的电压为为。电流电压为为。电流ia ia产生反向力矩使电机反向旋转产生反向力矩使电机反向旋转n n电机在正向运行过程中需要减速时，可降低电机在正向运行过程中需要减速时，可降低UbUb电压值，这电压值，这时由于电机转速不能突变，初始瞬时时由于电机转速不能突变，初始瞬时UaUa维持原电压，并出维持原电压，并出现现UaUa Ub Ub的情况，这使的情况，这使T1T1截止，截止，T2T2导通，产生反向电枢电导通，产生反向电枢电流使电机工作在制动状态，电机开始减速，流使电机工作在制动状态，电机
23、开始减速，UaUa逐渐下降，逐渐下降，直到再次出现直到再次出现T2T2截止，截止，T1T1导通的状态。导通的状态。PWM功率放大器 PWMPWM :Pulse-Width Modulation 脉宽调制n n脉宽调制电路脉宽调制电路n nH H桥桥PWMPWM功放电路功放电路n n驱动电路驱动电路n n泵升电压限制电路泵升电压限制电路脉宽调制电路n n实现电压控制信号到实现电压控制信号到脉宽调制信号的脉宽调制信号的转换。转换。n n占空比占空比:(t2:(t2t1)/(Tt1)t1)/(Tt1)n n脉宽调制信号的脉宽调制信号的占空比由控制信号占空比由控制信号UcUc的幅值决定。的幅值决定。n
24、 n三角波发生器输出一固定频率的三角波电压信号三角波发生器输出一固定频率的三角波电压信号UtUt，并与控制信号，并与控制信号UcUc在比较器在比较器IC5IC5中相比较。中相比较。n n当当UcUc UtUt时，其输出为正，当时，其输出为正，当UcUc UtUt时，其输出为时，其输出为负，这样在其输出端产生一等幅的方波脉冲序列负，这样在其输出端产生一等幅的方波脉冲序列信号信号UpwmUpwm，信号的占空比由控制信号，信号的占空比由控制信号UcUc的幅值的幅值决定。决定。n n这个信号经二极管这个信号经二极管D0D0的箍位作用削去负半周，然的箍位作用削去负半周，然后一路经后一路经IC6IC6反相
25、后输出到功率反相后输出到功率MOSFETT1MOSFETT1、T4T4的的栅极驱动电路，另一路直接输出到栅极驱动电路，另一路直接输出到T2T2、T3T3的栅极的栅极驱动电路。驱动电路。功率晶体管和功率功率晶体管和功率MOSFETn nMOSFET:Metal-oxide semiconductor field effect transistor MOSFET:Metal-oxide semiconductor field effect transistor 金属氧化物半导体场效应晶体管金属氧化物半导体场效应晶体管n n功率晶体管是电流控制器件，驱动较复杂。且由于存在结电功率晶体管是电流控制器件
26、，驱动较复杂。且由于存在结电容，工作频率不能太高。容，工作频率不能太高。n n功率功率MOSFETMOSFET是电压控制器件，驱动较简单。且极间电容较是电压控制器件，驱动较简单。且极间电容较小，能工作在较高频率下。小，能工作在较高频率下。功率功率功率功率MOSFETMOSFET功率晶体管功率晶体管功率晶体管功率晶体管H桥双极性桥双极性PWM功放电路功放电路 tUs改变 即可改变电机的转速当 时，电机正转；当 时，电机反转；当 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运行（正向电动）：在 0 t t1期间，Ug1、Ug4为正，T1、T4导
27、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 导通续流，电流 ia 沿回路4流通，在t1 t T期间，T3、T2导通，电流 i
28、a 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；双极性双极性PWM功放电路特点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n n在桥
29、式电路中常将上桥臂的功率管称为在桥式电路中常将上桥臂的功率管称为“高端高端”，下桥臂的功率管称，下桥臂的功率管称为为“低端低端”。n n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。的。n n当当T1T1导通而导通而T2T2截止时，截止时，T1T1的源极为高电压，这意味着的源极为高电压，这意味着T1T1的栅极必须比的栅极必须比这个高电压还高才能维持导通。因此这个高电压还高才能维持导通。因此T1T1的栅极电压必须也是个浮动电的栅极电压必须也是个浮动电压。压。n n光电隔离光电隔离光电隔离光电隔离：在上面介绍的栅极驱动电
30、路中，：在上面介绍的栅极驱动电路中，Eu1Eu1和和Eu2Eu2是两是两个独立电源（不共地）因此，个独立电源（不共地）因此，Ug1Ug1是浮动电压。是浮动电压。n n泵电压泵电压泵电压泵电压：在右上图中，当：在右上图中，当Q2Q2导通时，导通时，Q1Q1的源极接地，电容的源极接地，电容CbootCboot由由VbiasVbias经经D1D1充电，当充电，当Q1Q1导通导通Q2Q2截止时，截止时，Q1Q1的源极电的源极电压开始上升，电容上的电压好像是压开始上升，电容上的电压好像是Q1Q1的偏置电压，电平移的偏置电压，电平移位电路使得其栅极电压随其源极电压浮动，从而产生浮动位电路使得其栅极电压随其
31、源极电压浮动，从而产生浮动的栅极电压。的栅极电压。n n光电隔离电路使得控制电路与功率电路隔离，抑制干扰。光电隔离电路使得控制电路与功率电路隔离，抑制干扰。光电隔离电路使得控制电路与功率电路隔离，抑制干扰。光电隔离电路使得控制电路与功率电路隔离，抑制干扰。再生制动问题再生制动问题n n当电机运行在二、四象限即制动状态时当电机运行在二、四象限即制动状态时Ua eUa e。这说明电。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。机将电机运动的机械能转换为电能，并将它送回电源。n n由于整流二极管的单向性，这个电流不能回馈到电网，只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
32、电容能向滤波电容C C充电。电容对电流的积分效应使电源电压充电。电容对电流的积分效应使电源电压升高。升高。n n这种因能量回馈升高的电压称为这种因能量回馈升高的电压称为“泵升电压泵升电压泵升电压泵升电压”。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、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。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突变，也即反电势e不能突变。这将出现Uae的情形
33、，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
34、 在上面的计算中C滤波电容的数值 单位为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/
35、s本例中，若电机及其负载的转动惯量增加一倍，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 n n泵升电压通过电阻泵升电压通过电阻RLRL泄放掉。泄放掉。n n图中，比较器的反相输入端为一门坎电压图中，比较器的反相输入端为一门坎电压UthUth。同相输入端。同相输入端的电压的电压Us1Us1由由R1R1，R2R2对电容电压的分压得到。对电容电压的分压得到。n n根据要限定的泵升电压设定根据要限定的泵升电压设定UthUth的值。当泵升电压在安全范的值。当泵升电压在安全范围之内时，围之内时，比较器输出负电压，功率管比较器输出负电压，功率管T T处于截止状态；处
36、于截止状态；n n当泵升电压达到限定值时，比较器输出正电压使功率管导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，泵升电压通过电阻通，泵升电压通过电阻RLRL泄放掉。泄放掉。n n在泄放的瞬间，电阻在泄放的瞬间，电阻RLRL所耗散的功率是比较大的。在例所耗散的功率是比较大的。在例4-14-1中，如果减速过程中电机及其负载的功能全部转换为中，如果减速过程中电机及其负载的功能全部转换为RLRL中中耗散的热能，且减速时间为耗散的热能，且减速时间为50ms50ms。则电阻的瞬间向功率可。则电阻的瞬间向功率可达达n n从上式可以看出，减速时间越短，电阻瞬间消耗功率越大。从上式可以看出，减速时间越
37、短，电阻瞬间消耗功率越大。5.电流回路和速度回路电流回路和速度回路n n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。流，从而控制电机转速和转矩，但这种控制并不是很稳定的。n n比如从机械特性可以看出当负载变化时，电机速度会改变。比如从机械特性可以看出当负载变化时，电机速度会改变。n n比如当功率放大器电源变化时，电机的输出力矩也会改变。比如当功率放大器电源变化时，电机的输出力矩也会改变。n n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利用电流回路和速度回路不但可使控制电压
38、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。控制关系稳定下来，还可得到反馈所带来的其它好处。电流回路电流回路n n图为图为采用比例控制的电流回路的原理图。比例控采用比例控制的电流回路的原理图。比例控制由运放制由运放1 1构成的电流控制器实现。构成的电流控制器实现。n n运放运放1 1的另一个作用是实现电流指令信号与电流反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；馈信号的相减；n n运放运放1 1的输出即是前述的的输出即是前述的PWMPWM功放电路的输入功放电路的输入UcUc；n n电阻电阻RfRf用于检测电机电枢电流。出于减少功率损耗用于检测电机电枢电流。出于减少功
39、率损耗的考虑，的考虑，RfRf的值一般都比较小。的值一般都比较小。n n运放运放2 2一方面放大一方面放大RfRf上的电压上的电压,另一方面构成低通滤另一方面构成低通滤波器用于滤除波器用于滤除PWMPWM高频噪声。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n n由于由于TeTe远小于远小于Tm,Tm,分析电流回路时可忽略反电势分析电流回路时可忽略反电势e e的影响；的影响；n n由由 Kpwm A/V Kpwm A/V代替代替KpAKpA，Kpwm Kpwm可实测得到；可实测得到；n n由于由于TLTL远
40、小于远小于Te,Te,忽略滤波器时间常数。忽略滤波器时间常数。n n回路输入输出间的静态关系回路输入输出间的静态关系n n当当UiUi的幅值及极性改变时，的幅值及极性改变时，IaIa按比例随之改变。按比例随之改变。n n由于由于 ，回路反馈作用使电流响应特性加，回路反馈作用使电流响应特性加 快，有快，有 利于电机力矩的迅速建立及扰动的快速抑制；利于电机力矩的迅速建立及扰动的快速抑制；电流回路电流回路电流回路电流回路对输入指令的响应对输入指令的响应电流回路对扰动的抑制作用电流回路对扰动的抑制作用电流回路对扰动的抑制作用电流回路对扰动的抑制作用n n没有电流回路，则没有电流回路，则n n即扰动直接
41、作用到输出端即扰动直接作用到输出端n n有了电流反馈后有了电流反馈后n n电流反馈抑制了扰动量造成的电流（力矩）变化电流反馈抑制了扰动量造成的电流（力矩）变化n n回路的开环增益越高，这种抑制作用越强。回路的开环增益越高，这种抑制作用越强。电流回路的作用电流回路的作用n n建立了电机电流（力矩）与电流指令之间稳定的跟随关系。n n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。n n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。n n降低了回路内参数变化对输出力矩的影响。速度回路速度回路 n n图为一采用图为一采用PIPI控制的速度回路的原理
42、图。控制的速度回路的原理图。n n运算放大器将速度指令与速度反馈信号相比较，其误差经运算放大器将速度指令与速度反馈信号相比较，其误差经PIPI运算后再经电流回路控制电机的转速。运算后再经电流回路控制电机的转速。n nTGTG（Tachometer GeneratorTachometer Generator）为测速发电机，用于测量电机）为测速发电机，用于测量电机的速度，其输出经电位器分压后送至速度控制器。的速度，其输出经电位器分压后送至速度控制器。n n电流回路实现控制器输出电压到电机电流（力矩）的转换。电流回路实现控制器输出电压到电机电流（力矩）的转换。n n当速度指令改变例如增大时，惯性作用
43、使电机速度不能突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，速度的误差经变，速度的误差经PIPI控制器放大后使电流回路产生更大的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；新的速度；n n当负载变化例如负载转矩增大时，电机的速度下降，回路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；（力矩）使电机回复到原来的转速；n nD1,D2D1,D2的作用是限制电流回
44、路输入，即限制电机电流。的作用是限制电流回路输入，即限制电机电流。n nAAAA是没有速度反馈时电机的机械特性曲线是没有速度反馈时电机的机械特性曲线n nABAB是有速度反馈时电机的机械特性曲线。是有速度反馈时电机的机械特性曲线。n n速度反馈对扰动的抑制作用：速度反馈对扰动的抑制作用：使机械特性使机械特性使机械特性使机械特性“变硬变硬变硬变硬”速度回路为比例控制速度回路为比例控制C1=0；R3/R1=Kvp速度回路速度回路对输入指令的响应对输入指令的响应n n静态特性静态特性静态特性静态特性：建立了速度对指令的跟随关系建立了速度对指令的跟随关系n n当当U U 的幅值及极性改变时，的幅值及极
45、性改变时，按比例随之改变。按比例随之改变。n n动态特性动态特性：动态响应速度由时间常数决定；：动态响应速度由时间常数决定；n n没有速度回路时：没有速度回路时：n n有速度回路时：有速度回路时：n n由于由于 ，动态响应比没有速度回路时快，这有利，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；于电机速度的迅速建立；n nK KVPVP越高，越高，T T 越小，速度的响应越快。越小，速度的响应越快。速度回路对扰动的抑制作用速度回路对扰动的抑制作用n n当没有速度回路时，负载力矩变化将直接产生速度变化；当没有速度回路时，负载力矩变化将直接产生速度变化；n n当有速度回路且采用比例控制，
46、扰动作用被抑制。当有速度回路且采用比例控制，扰动作用被抑制。n n稳态时：稳态时：存在静态误差。存在静态误差。n nK KVPVP越高，这种抑制作用越强。越高，这种抑制作用越强。n n由于由于 ，快速的动态响应有利于扰动的快速抑制；，快速的动态响应有利于扰动的快速抑制；速度回路的作用速度回路的作用n n建立了电机速度与速度指令之间稳定的跟随关系。n n能有效抑制负载变化造成的速度变化。n n反馈作用减小了机械时间常数的影响，加快了速度对指令的响应速度。n n降低了回路内参数变化对电机速度的影响。电机力矩电机力矩速度曲线速度曲线n n特性曲线有两个区域：连特性曲线有两个区域：连续工作区和短时工作
47、区。续工作区和短时工作区。n n在连续工作区内电机可以在连续工作区内电机可以在最大转速之内连续工作。在最大转速之内连续工作。在短时工作区内，电机仅在短时工作区内，电机仅能断续地工作能断续地工作n n连续输出力矩连续输出力矩连续输出力矩连续输出力矩 Tr Tr 也称作也称作额定力矩。指当不超过电额定力矩。指当不超过电机绕组绝缘的热限制时，机绕组绝缘的热限制时，电机所能连续输出的力矩。电机所能连续输出的力矩。单位为单位为 Nm Nm。n n峰值力矩峰值力矩峰值力矩峰值力矩TpTp 电机能输出电机能输出的最大转矩，单位为的最大转矩，单位为 Nm Nm。这是一个很临界的参数这是一个很临界的参数 n n
48、额定转速额定转速额定转速额定转速n n 电机正常工作电机正常工作时允许的最高转速时允许的最高转速,单位为单位为rpmrpm。n n速度速度力矩曲线是选用伺力矩曲线是选用伺服电机的一个重要依据。服电机的一个重要依据。思考题思考题1.1.用电机统一理论说明直流伺服电机工作原理。用电机统一理论说明直流伺服电机工作原理。2.2.什么是伺服电机的四象限运行？它对电机驱动器提出什什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？么要求？3.3.画出直流伺服电机的控制特性和机械特性曲线，并说明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。这两个特性对电机速度控制的作用
49、。4.4.直流伺服电机的动态特性由哪两个重要参数表示，这两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？个参数各说明什么道理？5.5.线性功率放大器和线性功率放大器和PWMPWM功率放大器哪个效率更高些？为功率放大器哪个效率更高些？为什么？什么？6.6.HH桥桥PWMPWM功率放大器如何实现直流伺服电机的四象限运功率放大器如何实现直流伺服电机的四象限运行？行？7.7.在什么情况下电机会运行在制动状态，它对功率放大器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？产生什么影响？8.8.为什么需要速度回路和力矩回路？它们在电机速度和力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。矩控制中各有什么作用。