直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)及其控制

1、5.3 直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)及其控制 5.3.1 直流伺服電動(dòng)機(jī)特性和直流伺服電動(dòng)機(jī)特性和調(diào)速原理調(diào)速原理 5.3.2 直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)調(diào)速方法方法 5.3.3 直流伺服系統(tǒng)的組成直流伺服系統(tǒng)的組成3.1 直流伺服電動(dòng)機(jī)特性和調(diào)速原理直流伺服電動(dòng)機(jī)特性和調(diào)速原理 直流伺服電動(dòng)機(jī)是伺服系統(tǒng)中使用最早，也是應(yīng)用最廣的執(zhí)行元件。在性能要求較高的系統(tǒng)中多采用直流伺服電動(dòng)機(jī)。 直流直流伺服電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原伺服電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理與普通直流電機(jī)基本相同，不同之點(diǎn)理與普通直流電機(jī)基本相同，不同之點(diǎn)只是它做得比較長(zhǎng)一些，慣量小一些，只是它做得比較長(zhǎng)一些，慣量小一些，以便能滿足快速響應(yīng)的

2、要求以便能滿足快速響應(yīng)的要求。 根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的工作原理，當(dāng)給電動(dòng)機(jī)的激磁繞組通以直流電時(shí)，會(huì)在電機(jī)氣隙中建立極性不變的磁場(chǎng)(永磁電機(jī)由永久磁鐵產(chǎn)生)。電樞繞組兩端加直流控制電壓Ua時(shí)，電樞繞組中便產(chǎn)生電樞電流Ia ，處于氣隙磁場(chǎng)中的電樞載流導(dǎo)體受到磁場(chǎng)力的作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩M，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。電機(jī)一旦旋轉(zhuǎn)起來(lái)之后，電樞導(dǎo)體將切割氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)Ea，其極性與Ua相反，稱為反電勢(shì)。當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)候(轉(zhuǎn)運(yùn)n不變)，電磁轉(zhuǎn)矩與空載阻轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡。 描述直流電機(jī)穩(wěn)態(tài)(靜態(tài))特性的基本方程為：aaaaRIEUnCEeaamICMLMMM0 上式中 Ra電樞總電阻(電樞繞組電阻和換向

3、器接觸電阻)；Ia電樞總電流；每級(jí)磁通；J折算到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；電勢(shì)系數(shù)CeNp/60a，N為電樞繞組元件邊數(shù)，p是極對(duì)數(shù)，a是電樞繞組的支路對(duì)數(shù)；力矩系數(shù)CmNp/2a。 根據(jù)上式可得直流電機(jī)的調(diào)速公式：kMnCICCRCUCRIUnmameaeaeaaa0 上式中，n0理想空載轉(zhuǎn)速；k機(jī)械特性斜率。 從上式可知，直流電機(jī)的調(diào)速方法通常有三種：(1)通過(guò)改變電樞電壓Ua進(jìn)行調(diào)速；(2)在電樞回路中串入可調(diào)電阻Ra進(jìn)行調(diào)速； (3)Ua保持恒定，在激磁回路中串入調(diào)節(jié)電阻Rf調(diào)速(弱磁調(diào)速)。 串入電阻調(diào)速將引起功率損耗，效率低，機(jī)械特性變軟，而且只能將轉(zhuǎn)速調(diào)低。弱磁調(diào)速的調(diào)速范圍小，所以

4、在伺服系統(tǒng)的調(diào)速中，這兩種方法都很少采用。電樞電樞電壓調(diào)速具有起動(dòng)力矩大，阻電壓調(diào)速具有起動(dòng)力矩大，阻尼效果好，響應(yīng)速度快且線性度好等特尼效果好，響應(yīng)速度快且線性度好等特點(diǎn)，所以在伺服系統(tǒng)中普遍采用，本節(jié)點(diǎn)，所以在伺服系統(tǒng)中普遍采用，本節(jié)也重點(diǎn)討論電樞電壓調(diào)速也重點(diǎn)討論電樞電壓調(diào)速。 5.3.2 直流伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)調(diào)速方法直流伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)調(diào)速方法 直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓調(diào)速要求靈直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓調(diào)速要求靈活地控制電樞電壓的活地控制電樞電壓的大小大小和和極性極性，因此直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上是一個(gè)可控的大功率整流電路。常用的方法有可控硅法和PWM法等。這里重點(diǎn)討論P(yáng)WM法。 PWM驅(qū)動(dòng)

5、裝置是利用大功率晶體管的開關(guān)作用，將恒定的直流電源電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓，加在直流電動(dòng)機(jī)的電樞上，通過(guò)對(duì)方被脈沖寬度的控制，改變電樞的平均電壓平均電壓，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，這種裝置又稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。PWM法調(diào)速原理法調(diào)速原理圖5-24(a)所示是PWM控制的原理圖?？煽亻_關(guān)S以一定的時(shí)間間隔重復(fù)地接通和斷開。當(dāng)S接通時(shí)，供電電源US通過(guò)開關(guān)S施加到電機(jī)的兩端，電源向1電機(jī)提供能量，電機(jī)儲(chǔ)能；當(dāng)開關(guān)S斷開，中斷了供電電源US向電機(jī)提供能量。在S接通期間電樞電感所儲(chǔ)存的能量將通過(guò)續(xù)流二極管使電機(jī)電流繼續(xù)流通。于是在電機(jī)兩端得到的電壓波形如圖5-24(b、c) 所示，電壓的平均值

6、為ssonavUUTtU圖5-24 PWM原理圖 式中， 為占空比占空比。由上式可見(jiàn)，改變開關(guān)接通時(shí)間ton和開關(guān)周期T的比例，亦即改變脈沖的占空比，電機(jī)兩端電壓的平均值也隨之改變，因而電機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以得到調(diào)節(jié)。Tton 改變占空比的方法有兩種，從而獲得兩種調(diào)制方法： (1)脈沖頻率不變(T不變)，改變脈沖寬度(ton改變)，從而改變占空比，這就是脈沖寬度脈沖寬度調(diào)制調(diào)制，英文名稱是Pulse Width Modulation，簡(jiǎn)寫為PWM。 (2)脈沖寬度不變(ton不變)，改變脈沖頻率(T改變)，從而改變占空比，這就是脈沖頻率脈沖頻率調(diào)制調(diào)制，英文名稱是Pulse Frequency Mo

7、dulation ，簡(jiǎn)寫為PFM。 目前，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速電路中，以應(yīng)用PWM控制方式為主。 2PWM驅(qū)動(dòng)電路裝置驅(qū)動(dòng)電路裝置 根據(jù)PWM的工作原理，必須有一種電路或裝置將控制轉(zhuǎn)速的指令轉(zhuǎn)換成脈沖的寬度，其中元件工作在高速開關(guān)狀態(tài)，這種裝置叫直流PWM驅(qū)動(dòng)裝置。 PWM脈寬調(diào)制放大器是由脈沖頻率發(fā)脈沖頻率發(fā)生器生器、電壓脈沖變換與分配器電壓脈沖變換與分配器和功率放功率放大器大器等部分組成，如圖5-25所示。圖5-25 PWM驅(qū)動(dòng)電路框圖 頻率脈沖發(fā)生器頻率脈沖發(fā)生器可以是三角波發(fā)生器或者鋸齒波發(fā)生器，它的作用是產(chǎn)生一個(gè)頻率固定的調(diào)制信號(hào)U0。 電壓脈沖變換器電壓脈沖變換器的作用是將外加直流控制

8、電平信號(hào)Ue與脈沖頻率發(fā)生器送來(lái)的三角波電壓U0在其中混合后，產(chǎn)生一個(gè)寬度被調(diào)制了的開關(guān)脈沖信號(hào)。 分配器分配器的作用是將電壓脈沖變換器輸出的脈沖信號(hào)按一定的邏輯關(guān)系分配到功率放大器的各個(gè)晶體管基極，以保證各晶體管協(xié)調(diào)工作。 基極基極驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路工作在開關(guān)狀態(tài)，它對(duì)寬度被調(diào)制了的脈沖信號(hào)進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動(dòng)主電路的功率晶體管。 圖5-26所示是一個(gè)電壓脈沖變換器線路及調(diào)制原理的波形圖。當(dāng)控制電壓Ue為零時(shí)，輸出電壓UA和UB的脈沖寬度相同，且等于T/2(T為三角波的周期)。當(dāng)控制電壓Ue為正時(shí)， UA的寬度大于T/2， UB的寬度小于T/2； Ue為負(fù)時(shí)，情況則相反。由此得到兩種不同的被調(diào)

9、制直流電壓。圖5-26 PWM脈寬調(diào)制波形圖 開關(guān)功率放大器開關(guān)功率放大器的作用是對(duì)電壓脈寬變換器輸出的信號(hào)Us進(jìn)行放大，輸出具有足夠功率的信號(hào)Up ，以驅(qū)動(dòng)直流伺服電動(dòng)機(jī)。 5.3.3 直流伺服系統(tǒng)的組成直流伺服系統(tǒng)的組成 一一. 速度伺服系統(tǒng)速度伺服系統(tǒng) 通過(guò)以上分析，我們知道，在PWM構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路中，只要改變脈沖的寬度，就可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。但這樣的調(diào)速系統(tǒng)是開環(huán)的，由于直流電動(dòng)機(jī)本身的機(jī)械特性比較軟，直流開環(huán)伺服系統(tǒng)不能滿足機(jī)電一體化系統(tǒng)的要求，在實(shí)際應(yīng)用中一般都采用閉環(huán)伺服系統(tǒng)。閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，目前用得最多的是晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)和PWM直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。 晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)有單

10、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和可逆調(diào)速系統(tǒng)。實(shí)際中常用的具有轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)如圖5-29所示。系統(tǒng)具有速度調(diào)節(jié)器ST和電流調(diào)節(jié)器LT兩個(gè)控制環(huán)，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，是內(nèi)環(huán)；速度調(diào)節(jié)環(huán)在外面，為外環(huán)。 采用雙閉環(huán)原理組成的晶體管PWM調(diào)速系統(tǒng)如圖5-30所示，圖中BU是電壓脈沖變換器，EP是脈沖分配器。ST和LT一般都是采用比例積分調(diào)節(jié)器。作為速度檢測(cè)的元件主要有直流測(cè)速發(fā)電機(jī)、頻率發(fā)電機(jī)和編碼器等。 圖5-29 晶閘管轉(zhuǎn)速與電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)方框圖圖5-30 晶體管脈寬調(diào)速系統(tǒng)方框圖 二二. 位置伺服系統(tǒng)位置伺服系統(tǒng) 位置控制伺服系統(tǒng)是應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛的一類系統(tǒng)，如數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人和雷達(dá)天線等。在速度伺服系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加位置反饋環(huán)節(jié)就可構(gòu)成直流位置控制伺服系統(tǒng)。在位置伺服系統(tǒng)中，位置環(huán)有模擬式和數(shù)字式，前者如仿形機(jī)床伺服系統(tǒng)，采用自整角機(jī)的角度跟蹤系統(tǒng)等。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，在位置控制伺服系統(tǒng)中，越來(lái)越多采用數(shù)字式，而速度環(huán)常采用模擬式，構(gòu)成混合式的伺服系統(tǒng)。在這里只討論數(shù)字式的位置控制伺服系統(tǒng)。圖5-31是現(xiàn)在廣泛采用的位置控制伺服系統(tǒng)組成示意圖，圖中TG是速度檢測(cè)裝置，PG是位置檢測(cè)裝置。 圖5-31 直流位置伺服系統(tǒng) 數(shù)字式位置控制系統(tǒng)根據(jù)其位置反饋信號(hào)檢測(cè)和比較方