伺服驅動系統(tǒng)直流電機

1、第五章 伺服驅動系統(tǒng)直流電機的優(yōu)點：直流電機的優(yōu)點：（1）調速性能好調速性能好: : 調速范圍廣，易于平滑調節(jié)。調速范圍廣，易于平滑調節(jié)。（2）起動、制動轉矩大，易于快速起動、停車。起動、制動轉矩大，易于快速起動、停車。（3）易于控制。易于控制。應用：應用：（1）軋鋼機、電氣機車、無軌電車、中大型龍門刨床等軋鋼機、電氣機車、無軌電車、中大型龍門刨床等調速范圍大的大型設備。調速范圍大的大型設備。（2）用蓄電池做電源的地方，如汽車、拖拉機等。用蓄電池做電源的地方，如汽車、拖拉機等。（3）家庭：電動縫紉機、電動自行車、電動玩具。家庭：電動縫紉機、電動自行車、電動玩具。5.3 5.3 直流直流電機電機

2、（1 1） 直流電機的構成直流電機的構成直流電機由定子、轉子和機座等部分構成。直流電機由定子、轉子和機座等部分構成。勵磁式直流電動機結構勵磁式直流電動機結構電磁圈電樞電樞導體磁極1. 轉子轉子（又稱電樞）（又稱電樞） 由鐵芯、繞組（線圈）、換向器組成。由鐵芯、繞組（線圈）、換向器組成。2. 定子定子定子的分類：定子的分類：永磁式：由永久磁鐵做成。永磁式：由永久磁鐵做成。勵磁式：磁極上繞線圈，然后在線圈中勵磁式：磁極上繞線圈，然后在線圈中 通過直流電，形成電磁鐵通過直流電，形成電磁鐵。勵磁的定義：勵磁的定義：磁極上的線圈通以直流電磁極上的線圈通以直流電 產生磁通，稱為勵磁。產生磁通，稱為勵磁。

3、直流電動機模型的定子有一對主磁極，安裝在機座上，機座也叫磁軛，是主磁極磁力線的通路。磁極與磁軛都是用導磁良好的鋼鐵制成。 在主磁極上有勵磁繞組，繞組通電后就會在兩個主磁極間產生主磁場。 直流電機轉子也稱為電樞，電樞鐵芯由導磁良好的硅鋼片疊成，鐵芯圓周均勻分布18個槽，用來嵌放電樞繞組。電樞鐵芯直徑比主磁極間距離略小點。 把繞制好的電樞繞組嵌入電樞槽內，每個繞組都有一對引出線。 換向器有18個銅制換向片，排成圓筒形，固定在一個絕緣套筒上，換向片間留有縫隙，相互絕緣。圖上用兩個角度展示換向器的外觀。 把換向器安裝在電樞轉軸上，把電樞繞組的引出線按規(guī)律焊接在換向片上。 為散去電機發(fā)出的熱量，還要在電

4、樞轉軸上安裝風扇。 電樞繞組通過電刷供電，電刷的主要成份是石墨，導電良好又潤滑。電刷固定在電刷座窩內，由彈簧片壓向換向器。 本模型有兩個主磁極，故有兩個電刷組，每個電刷組由兩個電刷構成。電刷組固定在電刷座上，構成電刷裝置。把電樞插入定子主磁極間 在電機兩側裝上端蓋（剖面），端蓋上有軸承，支持電樞的旋轉。電刷裝置也固定在端蓋上。 在電機端蓋上有散熱通風孔，在機座上有出線盒。（2） 直流電機的額定值直流電機的額定值 l直流電機的額定值主要有下列幾項：直流電機的額定值主要有下列幾項：l（1）額定功率額定功率：是指電機的輸出功率，對發(fā)電機系指出線是指電機的輸出功率，對發(fā)電機系指出線端輸出的電功率。對電

5、動機系指轉軸上輸出的機械功率。單端輸出的電功率。對電動機系指轉軸上輸出的機械功率。單位為位為WW或或kWkW。l（2）額定電壓：額定電壓：是指在額定工作條件下，電機出線端的平是指在額定工作條件下，電機出線端的平均電壓。對于電動機是指輸入額定電壓，對于發(fā)電機是指輸均電壓。對于電動機是指輸入額定電壓，對于發(fā)電機是指輸出額定電壓。單位為出額定電壓。單位為V V。l（3）額定電流：額定電流：是指電機在額定電壓下，運行于額定功率是指電機在額定電壓下，運行于額定功率時的電流值。時的電流值。 單位為單位為A A。l（4）額定轉速：額定轉速：是指對應于額定電壓、額定電流、電機運是指對應于額定電壓、額定電流、電

6、機運行于額定功率時所對應的轉速。單位為行于額定功率時所對應的轉速。單位為r rminmin。l（5）額定轉矩：額定轉矩：是在額定電壓、額定負載下，電動機轉軸是在額定電壓、額定負載下，電動機轉軸上產生的電磁轉矩稱為電動機的額定轉矩。單位為上產生的電磁轉矩稱為電動機的額定轉矩。單位為N.MN.M。（3） 直流電機的數學模型直流直流電機電機: : (a) 轉子上的力轉子上的力, (b)等效電路等效電路, , (c) 力力- -速度特性曲線速度特性曲線數學模型電樞上的力矩電樞上的力矩 T=BbLi=i 是每個是每個電樞繞組的磁電樞繞組的磁通量。通量。實際上有不止一個電樞繞組，實際上有不止一個電樞繞組，

7、L為導體為導體有效長度，有效長度，b為極距，為極距，B一個主磁極下一個主磁極下的平均氣隙磁通密度的平均氣隙磁通密度T=kii=KtiKt 是轉矩常數是轉矩常數. .數學模型 反向電動勢反向電動勢Vb Vb=kv=KvKv 反向電動勢反向電動勢常數常數bvVvVkVKiRRRvv()()tttvkKTkiVkVKRR數學模型數學模型tKVR轉速轉速力力矩矩不同不同V V值所對值所對應的直線應的直線v()()tttvkKTkiVkVKRR工工作作原原理理U+NS電刷電刷換向片換向片 直流電源直流電源電刷電刷換向器換向器線圈線圈II（4） 有刷有刷直流直流電機電機轉子 磁極磁極電流電刷開口環(huán)換向器

8、定子注意：注意：換向片和電源固定聯(lián)接，線圈無論怎樣轉換向片和電源固定聯(lián)接，線圈無論怎樣轉動，總是上半邊的電流向里，下半邊的電流向外。動，總是上半邊的電流向里，下半邊的電流向外。電刷壓在換向片上。電刷壓在換向片上。 由左手定則，通電線圈在磁場的作用下，由左手定則，通電線圈在磁場的作用下，使線圈逆時針旋轉。使線圈逆時針旋轉。FFU+NS電刷電刷換向片換向片IIFFU+NS電刷電刷換向片換向片IIEE 由右手定則，線圈在磁場中旋轉，將在線由右手定則，線圈在磁場中旋轉，將在線圈中產生感應電動勢，感應電動勢的方向與電圈中產生感應電動勢，感應電動勢的方向與電流的方向相反。流的方向相反。（5）帶勵磁線圈的直

9、流電機 (a) 串串勵勵電機電機, , (b)并并勵電機勵電機, , (c) 復勵電機復勵電機, , (d) 他勵電機他勵電機, , (e)力力- -轉速特性曲轉速特性曲線線勵磁線圈勵磁線圈電樞線圈電樞線圈勵磁線勵磁線圈圈電樞線圈電樞線圈勵磁線圈勵磁線圈電樞線圈電樞線圈勵磁線勵磁線圈圈電樞線圈電樞線圈勵磁線圈勵磁線圈力力矩矩轉速轉速并并勵勵復勵復勵串勵串勵 根據勵磁線圈和轉子繞組的聯(lián)接關系，勵磁式的根據勵磁線圈和轉子繞組的聯(lián)接關系，勵磁式的直流電機又可細分為：直流電機又可細分為：他勵電動機：他勵電動機：勵磁線圈與轉子電樞的電源分開。勵磁線圈與轉子電樞的電源分開。并勵電動機：并勵電動機：勵磁線圈

10、與轉子電樞并聯(lián)到同一電源上。勵磁線圈與轉子電樞并聯(lián)到同一電源上。串勵電動機：串勵電動機：勵磁線圈與轉子電樞串聯(lián)接到同一電源上。勵磁線圈與轉子電樞串聯(lián)接到同一電源上。復勵電動機：復勵電動機：勵磁線圈與轉子電樞的聯(lián)接有串有并，接在勵磁線圈與轉子電樞的聯(lián)接有串有并，接在 同一電源上。同一電源上。M他勵他勵UfIfIaUM并勵并勵UIfM串勵串勵UM復勵復勵U帶勵磁線圈的直流電機aki 電樞和勵磁線圈串聯(lián)電樞和勵磁線圈串聯(lián), ,從而有相同的電流從而有相同的電流iaaTkiKi在啟動在啟動, ,0,aVwiRaVTKiKR 這種電機電阻小這種電機電阻小, ,因此具有高起因此具有高起動轉矩、高空載速度。動

11、轉矩、高空載速度。機械特性軟，啟動機械特性軟，啟動轉矩大，調速方便轉矩大，調速方便勵磁線圈勵磁線圈電樞線圈電樞線圈力力矩矩轉速轉速串勵串勵帶勵磁線圈的直流電機 因為因為 Ri 很小很小bbVvRiv因為因為 和和 與與 i成比例成比例bvvk所以所以 V 與與成比例成比例ivVk iV 是常數是常數 ，所以速度和電流成反比，所以速度和電流成反比勵磁線圈勵磁線圈轉子線圈轉子線圈力力矩矩串串勵勵轉速轉速帶勵磁線圈的直流電機 它提供最低的起動轉矩和一個低它提供最低的起動轉矩和一個低得多的空載速度，具有良好的調速得多的空載速度，具有良好的調速機械特性硬，啟動轉矩小，調速性能好機械特性硬，啟動轉矩小，調

12、速性能好并勵并勵力力矩矩轉速轉速轉子線圈轉子線圈勵磁線圈勵磁線圈勵磁勵磁線圈線圈電樞電樞線圈線圈帶勵磁線圈的直流電機 機械特性軟硬適中，機械特性軟硬適中，啟動轉矩大，調速啟動轉矩大，調速方便。方便。勵磁線勵磁線圈圈電樞線電樞線圈圈勵磁線勵磁線圈圈復勵復勵力力矩矩轉速轉速復勵復勵并勵并勵串勵串勵力力矩矩轉速轉速（6）直流電動機調速控制調速方法：改變電樞回路電阻值調速方法：改變電樞回路電阻值 改變勵磁電流改變勵磁電流 改變電樞電壓改變電樞電壓 混合調速混合調速直流電動機調速控制電氣原理圖電氣原理圖改變勵磁電流調速改變勵磁電流調速整流電路整流電路啟動電阻啟動電阻調速電阻調速電阻能耗制動接觸器能耗制動

13、接觸器工作接觸器工作接觸器切除啟動電阻切除啟動電阻接觸器接觸器 有刷直流電機的控制 (a) PWM電路原理電路原理 電子控制高頻開電子控制高頻開 關進行直流斬波關進行直流斬波電壓電壓電源電源電壓電壓時間時間斬波斬波電壓電壓時間時間(b) 通過通過斬波直流電壓改斬波直流電壓改 變電樞電壓變電樞電壓控制電機H-橋A 功能功能1 正轉正轉0 停止停止B 功能功能1 反轉反轉0 停止停止ABCD 功能功能1001正轉正轉0110反轉反轉1100抱閘抱閘0011抱閘抱閘1010熔斷測試熔斷測試0101熔斷測試熔斷測試ABCD 功能功能1001正轉正轉ABCD ABCD 功能功能01100110反轉反轉A

14、BCD 功能功能1001正轉正轉0110反轉反轉1100抱閘抱閘0011抱閘抱閘1010熔斷測試熔斷測試0101熔斷測試熔斷測試L298全橋驅動電路全橋驅動電路雙極晶體管作為大電流開關雙極晶體管作為大電流開關邏輯禁止無效操作邏輯禁止無效操作最大值最大值2A2A速度的反饋控制 Position ControlVelocity ControlCurrent ControlOther CommandPC orMicrocomputerMotorDriverServoMotorControllerMotorEncoderPWMCurrentPositionVelocityCurrentOther In

15、formationPosition ControlVelocity ControlCurrent ControlOther CommandPC orMicrocomputerMotorDriverServoMotorControllerMotorEncoderPWMCurrentPositionVelocityCurrentOther InformationMechanismCommunicationApparatus forControlPersonalComputerRS-232CRS-485DC MotorRING-SERVORING-DC MotorRING-RING-DC Motor

16、PowerModuleRING-SERVOEncoderDC MotorPowerModuleRING-SERVOEncoderSignalConverterControlPower SupplyMotor DriverMotor DriverMotorControllerMotorControllerMotorDriverMechanismCommunicationApparatus forControlPersonalComputerRS-232CRS-485DC MotorRING-SERVORING-DC MotorRING-RING-DC MotorPowerModuleRING-S

17、ERVOEncoderDC MotorPowerModuleRING-SERVOEncoderSignalConverterControlPower SupplyMotor DriverMotor DriverMotorControllerMotorControllerMotorDriverPIC單片機電機控制器設計實例單片機電機控制器設計實例控制原理系統(tǒng)構成 One cycle 400s(2.5 KHz)00000000111111111122222222220000P1P2P3P32P30P4P5P31P6P7P8P29P27P9P10P28P11P12P13P14P15P16P17P18

18、P19P20P21P22P23P24P25P26One processor 12.5sEncoder CounterProcessor BlockP5,P6,P7: Position measurement and controlP9,P10,P11: Velocity measurement and controlP13,P14,P15: Current measurement and controlP17,P18,P19: Trapezoidal velocity controlP21,P22,P23: PWM output of position and velocity control

19、P25,P26,P27: PWM output of current controlP29: CalibrationP31: Data monitor processingP1,P2,P3: Data communicationP30: Position limitP4: Measurement of current, on/off of FETP8: Measurement ofcurrent, on/off of FETP12: Measurement ofcurrent, on/off of FETP16: Measurement ofcurrent, on/off of FETP20:

20、 Measurement ofcurrent, on/off of FETP24: Measurement ofcurrent, on/off of FETP28: Measurement ofcurrent, on/off of FETP32: Measurement of current, on/off of FETOne cycle 400s(2.5 KHz)00000000111111111122222222220000P1P2P3P32P30P4P5P31P6P7P8P29P27P9P10P28P11P12P13P14P15P16P17P18P19P20P21P22P23P24P25

21、P26One processor 12.5sEncoder CounterProcessor BlockP5,P6,P7: Position measurement and controlP9,P10,P11: Velocity measurement and controlP13,P14,P15: Current measurement and controlP17,P18,P19: Trapezoidal velocity controlP21,P22,P23: PWM output of position and velocity controlP25,P26,P27: PWM outp

22、ut of current controlP29: CalibrationP31: Data monitor processingP1,P2,P3: Data communicationP30: Position limitP4: Measurement of current, on/off of FETP8: Measurement ofcurrent, on/off of FETP12: Measurement ofcurrent, on/off of FETP16: Measurement ofcurrent, on/off of FETP20: Measurement ofcurren

23、t, on/off of FETP24: Measurement ofcurrent, on/off of FETP28: Measurement ofcurrent, on/off of FETP32: Measurement of current, on/off of FET設計思路控制器和驅動器基于PIC的控制器基于FPGA的驅動器（7） 無刷永磁電動機無刷永磁電動機(a) (a) 無刷永磁電機無刷永磁電機, (b) , (b) 晶體管開關晶體管開關 永磁轉子永磁轉子定子線圈定子線圈線圈線圈A線圈線圈B傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器線圈線圈C三相無刷直流電機結構AaBCbc不通電不

24、通電正向通電正向通電反向通電反向通電SN工作原理工作原理48無刷電機結構無刷電機結構無刷直流電機從無刷直流電機從結構結構上來看，上來看，與傳統(tǒng)的直流電機主要區(qū)別與傳統(tǒng)的直流電機主要區(qū)別在于：在于：l 無刷電機具有旋轉的永磁無刷電機具有旋轉的永磁轉子和固定的電磁繞組；轉子和固定的電磁繞組；l 有刷電機具有旋轉的電樞有刷電機具有旋轉的電樞繞組和固定的永磁定子。繞組和固定的永磁定子。無刷電機的結構無刷電機的結構無刷直流電機本質上可看無刷直流電機本質上可看作是一臺用電子換相裝置作是一臺用電子換相裝置取代機械換相裝置的直流取代機械換相裝置的直流電機。電機。安裝在電機上的位置傳感安裝在電機上的位置傳感器來

25、檢測轉子在運轉過程器來檢測轉子在運轉過程中的位置。中的位置。控制器為電子換相電路提控制器為電子換相電路提供正確的換相信息，來控供正確的換相信息，來控制電子換相電路中的功率制電子換相電路中的功率開關管的開關狀態(tài)，保證開關管的開關狀態(tài)，保證電機各相按正確順序導通，電機各相按正確順序導通，在空間形成跳躍式的旋轉在空間形成跳躍式的旋轉磁場，驅動永磁轉子連續(xù)磁場，驅動永磁轉子連續(xù)不斷地旋轉。不斷地旋轉。無刷電機的換相原理無刷電機的換相原理 優(yōu)點優(yōu)點我們假設在我們假設在A A、B B、C C三相電三相電流流入為正，電流方向與線流流入為正，電流方向與線圈產生磁場方向相同。圈產生磁場方向相同。如圖中第如圖中第

26、1 1步步 所示，所示， 對對C C相相施加正向電壓，對施加正向電壓，對B B施相加施相加反向電壓，反向電壓，A A相處于高阻態(tài)，相處于高阻態(tài)，C C、B B兩相產生的合磁場方向兩相產生的合磁場方向指向方位指向方位1 1。在第在第2 2步步 狀態(tài)，對狀態(tài)，對A A相施加正相施加正向電壓，對向電壓，對B B相施加反向電相施加反向電壓，壓，C C相處于高阻態(tài)，相處于高阻態(tài)，A A、B B兩相產生的合磁場方向指向兩相產生的合磁場方向指向2 2 。磁場偏轉產生電磁扭矩，。磁場偏轉產生電磁扭矩，驅動永磁轉子旋轉。驅動永磁轉子旋轉。無刷電機的換相原理無刷電機的換相原理如此循環(huán)往復，便可以實現無刷如此循環(huán)往復，便可以實現無刷直流電機的連續(xù)工作。直流電機的連續(xù)工作。無刷直流電機正轉的換相狀態(tài)圖無刷直流電機正轉的換相狀態(tài)圖如圖所示。如圖所示。電機反轉與之類似。電機反轉與之類似。無刷電機驅動電路的基本結構無刷電機驅動電路的基本結構無刷電機驅動要完成的兩個基本功能：換相和調速無刷電機驅動要完成的兩個基本功能：換相和調速 無刷直流電機的電子換相無刷直流電機的電子換相和調速需要逆變器來完成，逆和調速需要逆變器來完成，逆變器用來控制電動機定子上各變器用來控制電動機定子上各相繞組通電的順序和時間。功相繞組通電的順序和時間。功率開關單元是換相電路的核心。率