伺服電機及其驅(qū)動技術(shù)課件

第三章伺服電機及其驅(qū)動技術(shù)3.1一般規(guī)律3.2直流永磁伺服電機及其驅(qū)動技術(shù)3.3交流永磁同步伺服電機及其驅(qū)動技術(shù)3.4直流無刷伺服電機及其驅(qū)動技術(shù)3.5兩相混合式步進電機及其驅(qū)動技術(shù)第三章伺服電機及其驅(qū)動技術(shù)3.1一般規(guī)律13.1一般規(guī)律1.電機統(tǒng)一理論2．電機的基本運動方程3.伺服電機的四象限運行3.1一般規(guī)律1.電機統(tǒng)一理論21、電機統(tǒng)一理論伺服電機的定子和轉(zhuǎn)子由永磁體或鐵芯線圈構(gòu)成。永磁體產(chǎn)生磁場，而鐵芯線圈通電后也會產(chǎn)生磁場。定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生力矩，使電機帶動負載運動，從而通過磁的形式將電能轉(zhuǎn)換為機械能。1、電機統(tǒng)一理論3永磁體或鐵芯線圈產(chǎn)生磁場的根源是存在著磁通勢。永磁體的磁通勢是常量，大小由體積和材料導(dǎo)磁性能決定，方向是由N極指向S極。而鐵芯線圈產(chǎn)生的磁通勢遵循如下的關(guān)系式：

Fm=IW[安匝]

式中Fm—磁通勢，或簡稱磁勢；I—線圈中流過的電流；W—線圈匝數(shù)，或繞組匝數(shù)。在同樣鐵芯下，線圈匝數(shù)越多，通過線圈的電流越大，產(chǎn)生的磁通勢越大。磁勢的方向與線圈中的電流成右螺旋關(guān)系。磁勢是即有大小又有方向的量，可用矢量表示。永磁體或鐵芯線圈產(chǎn)生磁場的根源是存在著磁通勢。4

電機統(tǒng)一理論指出：電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為式中Fs,Fr——定、轉(zhuǎn)子磁勢的幅值；θs-θr——定、轉(zhuǎn)子磁勢之間的夾角。要想增大力矩，必須增大定、轉(zhuǎn)子磁勢。當(dāng)定子磁勢與轉(zhuǎn)子磁勢相互垂直時，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最大。電機統(tǒng)一理論是所有電機工作的基礎(chǔ)。

電機統(tǒng)一理論指出：電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為52．電機的基本運動方程式中T—電機轉(zhuǎn)矩,單位為[Nm]；Tf—負載轉(zhuǎn)矩，單位為[Nm]；J—電機轉(zhuǎn)子及負載的轉(zhuǎn)動慣量，單位為[Kgm∧2]；Θ—電機位置，單位為[rad]電機的基本運動方程指出電機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。在負載一定條件下，只有改變電機轉(zhuǎn)矩才能改變電機轉(zhuǎn)速。當(dāng)電機轉(zhuǎn)矩大于負載轉(zhuǎn)矩時，電機產(chǎn)生加速運動；當(dāng)電機轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩時，電機產(chǎn)生減速運動；當(dāng)電機轉(zhuǎn)矩等于負載轉(zhuǎn)矩時，電機恒速運動。電機及負載轉(zhuǎn)動慣量是影響速度變化的另一主要因素2．電機的基本運動方程6負載的加速度要求和轉(zhuǎn)動慣量對選擇伺服電機尺寸是很重要的。如果要求負載以高加速度運動或負載的轉(zhuǎn)動慣量較大，即使負載轉(zhuǎn)矩很小，也可能需要大轉(zhuǎn)矩的電機；反之，如果負載要求的加速度很小或負載的轉(zhuǎn)動慣量較小，即使負載轉(zhuǎn)矩很大，也可能小轉(zhuǎn)矩的電機就能滿足要求。負載的加速度要求和轉(zhuǎn)動慣量對選擇伺服電機尺寸是很重要的。73.伺服電機的四象限運行

伺服系統(tǒng)常要求伺服電機即能正向運動，又能反向運動；即能加速運動又能減速運動。這就要求電機力矩的大小及方向都能改變。3.伺服電機的四象限運行8電機的這種力矩一速度關(guān)系可以4象限形式表示出來電機在做正向或反向的加速或勻速運動時，力矩和速度的方向一致，電機產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩“推”動電機旋轉(zhuǎn)，這種狀態(tài)稱為電動狀態(tài)；當(dāng)電機做正向或反向的減速運動時，力矩和速度的方向相反，電機產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩；“拉”動電機停止，這種狀態(tài)稱為制動狀態(tài)。電機的這種力矩一速度關(guān)系可以4象限形式表示出來9

軌跡跟蹤系統(tǒng)電機也必須有四象限運行能力四象限運行能力是伺服電機與一般電機區(qū)別的一個重要標(biāo)志。它要求電機能提供方向及大小均可控制的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。軌跡跟蹤系統(tǒng)電機也必須有四象10對伺服電機的基本要求力矩和速度的可控性快速響應(yīng)能力寬調(diào)速范圍較高的過載能力具有頻繁起、制動的能力

對伺服電機的基本要求力矩和速度的可控性113.2永磁直流伺服電機及其驅(qū)動技術(shù)

1、永磁直流伺服電機的結(jié)構(gòu)2、永磁直流伺服電機的工作原理3、永磁直流伺服電機的特性4、功率放大器5、電流回路和速度回路3.2永磁直流伺服電機及其驅(qū)動技術(shù)1、永磁直流伺服電機121、結(jié)構(gòu)由定子磁極、轉(zhuǎn)子電樞和換向機構(gòu)組成；定子磁極一般為瓦狀永磁體，可為兩極或多極結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)有多種形式，最常見的是在有槽鐵心內(nèi)鋪設(shè)繞組的結(jié)構(gòu)。鐵芯由沖壓成的硅鋼片一類材料迭壓而成；換向機構(gòu)由換向環(huán)和電刷構(gòu)成。繞組導(dǎo)線連接到換向片上，電流通過電刷及換向片引入到繞組中。1、結(jié)構(gòu)由定子磁極、轉(zhuǎn)子電樞和換向機構(gòu)組成；132.工作原理轉(zhuǎn)矩的方向?qū)⑹罐D(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)以后，夾角的變化將使轉(zhuǎn)矩的大小及方向都發(fā)生變化，這將使電機轉(zhuǎn)子來回擺動。要想維持電機單方向穩(wěn)定轉(zhuǎn)動，必須維持dFr的方向不變；使保持不變。而且如果能使即定子磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢相互垂直，則能得到最大轉(zhuǎn)矩。

2.工作原理轉(zhuǎn)矩的方向?qū)⑹罐D(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)以后14電樞有5個線圈，每個線圈產(chǎn)生的磁勢矢量相加得到合成磁勢。合成磁勢的方向依然隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而改變。這僅使電機力矩更大一些，力矩的大小及方向改變的問題依然存在。假如我們在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，能通過電流換向，始終保證電樞幾何中性面以上的全部繞組端子為電流流進，下面的繞組端子為電流流出，就能保證轉(zhuǎn)子合成磁勢的方向不變，且與定子磁勢垂直。這個工作是由換向機構(gòu)完成的。

電樞有5個線圈，每個線圈產(chǎn)生的磁勢矢量相加得到合成磁勢。15

由于換向環(huán)和電刷的作用，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時，每一個經(jīng)過電刷的繞組，其電流的方向都被自動改變，轉(zhuǎn)子的合成磁勢維持方向不變。這保證了在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時定子磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢總是相互垂直。由于換向環(huán)和電刷的作用，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時，每一個經(jīng)過電刷的繞組16力矩的波動由于換向片的數(shù)目是有限的，轉(zhuǎn)子磁勢的方向會有微小的變化。這將導(dǎo)致力矩的波動。當(dāng)電機高速旋轉(zhuǎn)時，由于電機轉(zhuǎn)子和負載慣量的平滑作用，這個影響可以忽略。但當(dāng)電機工作在低速狀態(tài)時，可能會產(chǎn)生問題?？稍黾永@組、換向片或定子的極對數(shù)解決這個問題。力矩的波動由于換向片的數(shù)目是有限的，轉(zhuǎn)子磁勢的方向會有微小的17我們最終的目的是控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，以實現(xiàn)電機的四象限運行。通過什么量控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩？要找出電樞電壓、電流和轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速間遵循電機基本運動方程，因此關(guān)鍵是轉(zhuǎn)矩的控制。我們最終的目的是控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，以實現(xiàn)電機的四象限運行18力矩和電流的關(guān)系因為Fs=常量，F(xiàn)r=IW，所以當(dāng)線圈匝數(shù)W保持一定時，有

T=KtI

即力矩完全由電流控制，力矩大小及方向由電樞電流大小及極性決定。力矩系數(shù)Kt與電樞繞組匝數(shù)及定子磁極的磁通勢有關(guān)，其單位為[Nm/A]。力矩和電流的關(guān)系19反電勢和轉(zhuǎn)速的關(guān)系電樞旋轉(zhuǎn)時切割定子磁極的磁力線，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，這將在電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢e，其值為

即感應(yīng)電勢正比于電機轉(zhuǎn)速,系數(shù)Ke與電樞繞組匝數(shù)及定子磁極磁勢有關(guān)，其單位為[伏/弧度/秒]感應(yīng)電勢出現(xiàn)在電刷兩端，與電刷上所加的電樞電壓方向相反，因此常稱做反電勢。反電勢和轉(zhuǎn)速的關(guān)系20

3.工作特性

電樞的等效電路電樞回路電壓方程式為：式中Ua、ia—電樞電壓、電樞電流；L、R—電樞等效電感、等效電阻；e—反電勢。

3.工作特性

21靜態(tài)特性

電機的動態(tài)過程已經(jīng)結(jié)束，進入恒速狀態(tài)時的特性靜態(tài)特性

電機的動態(tài)過程已經(jīng)結(jié)束，進入恒速狀態(tài)時的特性22

由控制特性可見，同樣負載條件下，轉(zhuǎn)速和電壓成線性關(guān)系，轉(zhuǎn)速的高低及方向完全由電樞電壓的幅值和極性決定由機械特性可見，同樣電樞電壓下，負載變大時，電機轉(zhuǎn)速將降低，這個特性可由速度回路加以改善。

控制特性

機械特性由控制特性可見，同樣負載條件下，轉(zhuǎn)速和電壓成線性關(guān)系，轉(zhuǎn)23

動態(tài)特性

動態(tài)特性

24

Tm稱為機械時間常數(shù);Te稱為電氣時間常數(shù)直流伺服電機的動態(tài)特性可由一個比例環(huán)節(jié)和兩個慣性環(huán)節(jié)的乘積表示。

25由于存在著電氣時間常數(shù)，電樞中的電流不能突變；由于存在著機械時間常數(shù)，電機的轉(zhuǎn)速不能突變；

由于存在著電氣時間常數(shù)，電樞中的電流不能突變；26小結(jié)T=KtI

力矩完全由電流控制。由控制特性和機械特性可見轉(zhuǎn)速由電樞電壓控制，但受負載大小影響。電機中存在著電氣時間常數(shù)和機械時間常數(shù)，受其影響，電樞中的電流和電機轉(zhuǎn)速均不能突變。小結(jié)T=KtI力矩完全由電流控制。274.功率放大器功率放大器的輸入是較小的信號功率，輸出是以電樞電壓和電流表示的較高的功率。功率放大是在控制信號作用下，將電源功率的一部分轉(zhuǎn)換到輸出功率。功率放大器自身也消耗部分功率。4.功率放大器功率放大器的輸入是較小的信號功率，輸出是以28對功率放大器的基本要求功率放大的效率要高，即驅(qū)動器本身消耗的功率要小。能在可控條件下實現(xiàn)電機的四象限運行：

能輸出幅值及極性均可改變的電壓——實現(xiàn)電機速度大小及方向的控制。

能輸出幅值及極性均可改變的電流——實現(xiàn)電機力矩大小及方向的控制。線性功率放大器和PWM橋式功率放大器是最常見的兩種功率放大器。

對功率放大器的基本要求29線性功率放大器

線性功率放大可使電機在四象限下工作。但因調(diào)速時兩只晶體管工作在放大狀態(tài)，管壓降總是存在的，電源功率有相當(dāng)一部分變成了晶體管發(fā)出的熱量，效率較低。晶體管是電流放大器件，驅(qū)動電路較復(fù)雜。需要雙電源供電。線性功率放大器線性功率放大可使電機在四象限下工作。30T1、T2是一對互補晶體管。雙電源供電。當(dāng)Ub為正時，T1導(dǎo)通，T2截止，加到電機電樞繞組上的電壓為正，電流ia產(chǎn)生正向力矩使電機正向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)Ub為負電壓時，T1截止，T2導(dǎo)通，加到電樞繞組上的電壓為為。電流ia產(chǎn)生反向力矩使電機反向旋轉(zhuǎn)電機在正向運行過程中需要減速時，可降低Ub電壓值，這時由于電機轉(zhuǎn)速不能突變，初始瞬時Ua維持原電壓，并出現(xiàn)Ua﹥Ub的情況，這使T1截止，T2導(dǎo)通，產(chǎn)生反向電樞電流使電機工作在制動狀態(tài)，電機開始減速，Ua逐漸下降，直到再次出現(xiàn)T2截止，T1導(dǎo)通的狀態(tài)。T1、T2是一對互補晶體管。31PWM功率放大器

PWM

:Pulse-WidthModulation脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制電路H橋PWM功放電路驅(qū)動電路泵升電壓限制電路PWM功率放大器PWM:Pulse-WidthM32脈寬調(diào)制電路實現(xiàn)電壓控制信號到脈寬調(diào)制信號的轉(zhuǎn)換。占空比:(t2—t1)/(T—t1)脈寬調(diào)制信號的占空比由控制信號Uc的幅值決定。脈寬調(diào)制電路33三角波發(fā)生器輸出一固定頻率的三角波電壓信號Ut，并與控制信號Uc在比較器IC5中相比較。當(dāng)Uc﹥Ut時，其輸出為正，當(dāng)Uc﹤Ut時，其輸出為負，這樣在其輸出端產(chǎn)生一等幅的方波脈沖序列信號Upwm，信號的占空比由控制信號Uc的幅值決定。這個信號經(jīng)二極管D0的箍位作用削去負半周，然后一路經(jīng)IC6反相后輸出到功率MOSFETT1、T4的柵極驅(qū)動電路，另一路直接輸出到T2、T3的柵極驅(qū)動電路。三角波發(fā)生器輸出一固定頻率的三角波電壓信號Ut，并與控制信號34功率晶體管和功率MOSFETMOSFET:Metal-oxidesemiconductorfieldeffecttransistor金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管功率晶體管是電流控制器件，驅(qū)動較復(fù)雜。且由于存在結(jié)電容，工作頻率不能太高。功率MOSFET是電壓控制器件，驅(qū)動較簡單。且極間電容較小，能工作在較高頻率下。功率MOSFET功率晶體管功率晶體管和功率MOSFETMOSFET:Metal-ox35H橋雙極性PWM功放電路

tUsH橋雙極性PWM功放電路tUs36改變即可改變電機的轉(zhuǎn)速當(dāng)>0.5時，電機正轉(zhuǎn)；當(dāng)<0.5時，電機反轉(zhuǎn)；當(dāng)=0.5時，電機停止電機兩端得到的平均電壓為

（0≤

<1）式中=t1

/T為PWM波形的占空比改變即可改變電機的轉(zhuǎn)速電機兩端得到的平均電壓為37第一象限運行（正向電動）：在0≤

t≤

t1期間，Ug1、

Ug4為正，T1、T4導(dǎo)通，Ug2、

Ug3為零，T2

、

T3截止，電流ia

沿回路1流通，電動機M兩端電壓UAB=+Us；在t1

≤

t≤

T期間，Ug1、

Ug4為零，T1、T4截止，D2

、

D3續(xù)流，并鉗位使T2

、

T3保持截止，電流ia沿回路2流通，電動機M兩端電壓UAB=–Us

；第一象限運行（正向電動）：38UsUs39第二象限運行（正向制動）：如電機工作在第一象限時突然發(fā)出減速指令，則電機進入第二象限運行。此時，Ug1、

Ug4的占空比減小，使得加到電樞兩端的平均電壓減小。由于電機轉(zhuǎn)速不能突變，造成e﹥ua的情況，從而使電流反向流動，產(chǎn)生制動力矩。在0≤

t≤

t1期間，D

、D1導(dǎo)通續(xù)流，電流ia沿回路4流通，在t1

≤

t≤

T期間，T3、T2導(dǎo)通，電流ia沿回路3流通；第二象限運行（正向制動）：40UsUs41第三象限運行（反向電動）：在0≤

t≤

t1

期間，Ug2、

Ug3為零，T2、T3截止，D1、D4續(xù)流，并鉗位使T1、T4截止，電流–id

沿回路4流通，電動機M兩端電壓UAB=+Us

；在t1

≤

t≤

T期間，Ug2、

Ug3為正，T2、T3導(dǎo)通，Ug1、

Ug4為負，使T1、T4保持截止，電流–id

沿回路3流通，電動機M兩端電壓UAB=–Us；第三象限運行（反向電動）：42雙極性PWM功放電路特點因功放管工作在開關(guān)方式，放大器效率高。能實現(xiàn)伺服電機四象限運行?！皠恿櫥弊饔每梢欢ǔ潭壬蠝p小負載摩擦造成的死區(qū)的影響?？稍趩坞娫聪鹿ぷ?。對周邊電路有較強的電磁干擾.雙極性PWM功放電路特點因功放管工作在開關(guān)方式，放大器效率高43柵極驅(qū)動電路柵極驅(qū)動電路44在橋式電路中常將上橋臂的功率管稱為“高端”，下橋臂的功率管稱為“低端”。高端器件的源極在高電壓和地之間浮動，而低端器件的源極總是接地的。當(dāng)T1導(dǎo)通而T2截止時，T1的源極為高電壓，這意味著T1的柵極必須比這個高電壓還高才能維持導(dǎo)通。因此T1的柵極電壓必須也是個浮動電壓。在橋式電路中常將上橋臂的功率管稱為“高端”，下橋臂的功率管稱45光電隔離：在上面介紹的柵極驅(qū)動電路中，Eu1和Eu2是兩個獨立電源（不共地）因此，Ug1是浮動電壓。泵電壓：在右上圖中，當(dāng)Q2導(dǎo)通時，Q1的源極接地，電容Cboot由Vbias經(jīng)D1充電，當(dāng)Q1導(dǎo)通Q2截止時，Q1的源極電壓開始上升，電容上的電壓好像是Q1的偏置電壓，電平移位電路使得其柵極電壓隨其源極電壓浮動，從而產(chǎn)生浮動的柵極電壓。光電隔離電路使得控制電路與功率電路隔離，抑制干擾。光電隔離：在上面介紹的柵極驅(qū)動電路中，Eu1和Eu2是兩個獨46再生制動問題當(dāng)電機運行在二、四象限即制動狀態(tài)時Ua<e。這說明電機將電機運動的機械能轉(zhuǎn)換為電能，并將它送回電源。由于整流二極管的單向性，這個電流不能回饋到電網(wǎng)，只能向濾波電容C充電。電容對電流的積分效應(yīng)使電源電壓升高。這種因能量回饋升高的電壓稱為“泵升電壓”。泵升電壓過高可能會損壞并聯(lián)在電源母線上所有器件，如功率管、續(xù)流二極管和電容器等。再生制動問題當(dāng)電機運行在二、四象限即制動狀態(tài)時Ua<e。這47有兩種情況使電機運動在制動狀態(tài)1）電機處于減速狀態(tài)時：電機的速度下降是電樞電壓減小的結(jié)果。但是當(dāng)電壓突然變小時，電機的慣量使其速度不能突變，也即反電勢e不能突變。這將出現(xiàn)Ua<e的情形，使電流反向流動從而產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。2）電機具有垂直性負載且負載向下運動時：這時伺服電機必須產(chǎn)生與運動方向相反的制動轉(zhuǎn)矩平衡重物下落產(chǎn)生的重力矩。在制動狀態(tài)下，電機旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的動能和重物下落時產(chǎn)生的勢能轉(zhuǎn)換為電能以電流的形式回饋到供電電源。這種制動方式常稱為再生制動。有兩種情況使電機運動在制動狀態(tài)1）電機處于減速狀態(tài)時：電機的48附：泵升電壓數(shù)值可借助于能量守恒定律近似估算已知：濾波電容中儲存的電能為

[焦耳]電機旋轉(zhuǎn)的動能為[焦耳]重物下落的勢能為[焦耳]若用下標(biāo)“1”和“2”分別表示能量回饋前、后各量的值。則由能量守恒定律，有即附：泵升電壓數(shù)值可借助于能量守恒定律近似估算已知：49解此式，可得能量回饋后電容上的電壓為

在上面的計算中C—濾波電容的數(shù)值單位為[F]；J—負載及電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量單位為[kgm2]；m—負載的質(zhì)量單位為[Kg]；—電機角速度單位為[rad/s]；h—重物負載的高度單位為[m];g—重力加速度常數(shù)單位[9.81m/s2];u—電容上電壓單位[V]。上面的計算中忽略了電機中消耗的電能及一些摩擦產(chǎn)生的熱能，這些損耗相對來說比較小。解此式，可得能量回饋后電容上的電壓為50例4-1一直流伺服電機采用PWM橋式功放電路驅(qū)動，功放電路中濾波電容C=5000，電容上的電壓在能量回饋前為100V，電機及其負載的轉(zhuǎn)動慣量。負載做非垂直性運動，求當(dāng)電機轉(zhuǎn)速從3000rpm降至零速時，C上的電壓升高至多少？解：3000rpm=3000[rad/s]=314[rad/s]本例中，若電機及其負載的轉(zhuǎn)動慣量增加一倍，即,則可以算出u2=298V，可見轉(zhuǎn)動慣量對泵升電壓的影響是較大的。例4-1一直流伺服電機采用PWM橋式功放電路驅(qū)動，功放電路中51泵升電壓限制電路

泵升電壓通過電阻RL泄放掉。泵升電壓限制電路泵升電壓通過電阻RL泄放掉。52圖中，比較器的反相輸入端為一門坎電壓Uth。同相輸入端的電壓Us1由R1，R2對電容電壓的分壓得到。根據(jù)要限定的泵升電壓設(shè)定Uth的值。當(dāng)泵升電壓在安全范圍之內(nèi)時，比較器輸出負電壓，功率管T處于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)泵升電壓達到限定值時，比較器輸出正電壓使功率管導(dǎo)通，泵升電壓通過電阻RL泄放掉。在泄放的瞬間，電阻RL所耗散的功率是比較大的。在例4-1中，如果減速過程中電機及其負載的功能全部轉(zhuǎn)換為RL中耗散的熱能，且減速時間為50ms。則電阻的瞬間向功率可達從上式可以看出，減速時間越短，電阻瞬間消耗功率越大。圖中，比較器的反相輸入端為一門坎電壓Uth。同相輸入端的電壓535.電流回路和速度回路功率放大器可以從較小的電壓信號控制較大的電樞電壓和電流，從而控制電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，但這種控制并不是很穩(wěn)定的。比如從機械特性可以看出當(dāng)負載變化時，電機速度會改變。比如當(dāng)功率放大器電源變化時，電機的輸出力矩也會改變。利用電流回路和速度回路不但可使控制電壓對速度和力矩的控制關(guān)系穩(wěn)定下來，還可得到反饋所帶來的其它好處。5.電流回路和速度回路功率放大器可以從較小的電壓信號控制較54電流回路電流回路55圖為—采用比例控制的電流回路的原理圖。比例控制由運放1構(gòu)成的電流控制器實現(xiàn)。運放1的另一個作用是實現(xiàn)電流指令信號與電流反饋信號的相減；運放1的輸出即是前述的PWM功放電路的輸入Uc；電阻Rf用于檢測電機電樞電流。出于減少功率損耗的考慮，Rf的值一般都比較小。運放2一方面放大Rf上的電壓,另一方面構(gòu)成低通濾波器用于濾除PWM高頻噪聲。圖為—采用比例控制的電流回路的原理圖。比例控制由運放1構(gòu)成的56KP—電流控制器增益；KpA—功率放大器電壓放大倍數(shù)；KL—濾波器增益；TL—濾波器時間常數(shù)。ΔUs—電網(wǎng)電壓波動引起的繞組電壓變化KP—電流控制器增益；KpA—功率放大器電壓放大倍數(shù)；KL—57由于Te遠小于Tm,分析電流回路時可忽略反電勢e的影響；由Kpwm[A/V]代替KpA，Kpwm可實測得到；由于TL遠小于Te,忽略濾波器時間常數(shù)。伺服電機及其驅(qū)動技術(shù)課件58回路輸入輸出間的靜態(tài)關(guān)系當(dāng)Ui的幅值及極性改變時，Ia按比例隨之改變。由于，回路反饋作用使電流響應(yīng)特性加快，有利于電機力矩的迅速建立及擾動的快速抑制；電流回路對輸入指令的響應(yīng)回路輸入輸出間的靜態(tài)關(guān)系電流回路對輸入指令的響應(yīng)59電流回路對擾動的抑制作用沒有電流回路，則即擾動直接作用到輸出端有了電流反饋后電流反饋抑制了擾動量造成的電流（力矩）變化回路的開環(huán)增益越高，這種抑制作用越強。電流回路對擾動的抑制作用沒有電流回路，則60電流回路的作用建立了電機電流（力矩）與電流指令之間穩(wěn)定的跟隨關(guān)系。能抑制電網(wǎng)電壓波動對輸出電流（力矩）擾動，使其造成的電流（力矩）變化盡可能小。反饋作用減小了電氣時間常數(shù)的影響，加快電流（力矩）對指令的響應(yīng)速度。降低了回路內(nèi)參數(shù)變化對輸出力矩的影響。電流回路的作用建立了電機電流（力矩）與電流指令之間穩(wěn)定的跟隨61速度回路

速度回路62圖為一采用PI控制的速度回路的原理圖。運算放大器將速度指令與速度反饋信號相比較，其誤差經(jīng)PI運算后再經(jīng)電流回路控制電機的轉(zhuǎn)速。TG（TachometerGenerator）為測速發(fā)電機，用于測量電機的速度，其輸出經(jīng)電位器分壓后送至速度控制器。電流回路實現(xiàn)控制器輸出電壓到電機電流（力矩）的轉(zhuǎn)換。當(dāng)速度指令改變例如增大時，慣性作用使電機速度不能突變，速度的誤差經(jīng)PI控制器放大后使電流回路產(chǎn)生更大的電流（力矩），驅(qū)動電機加速，直到達到速度指令要求的新的速度；當(dāng)負載變化例如負載轉(zhuǎn)矩增大時，電機的速度下降，回路的反饋作用使速度誤差增大，電流回路產(chǎn)生更大的電流（力矩）使電機回復(fù)到原來的轉(zhuǎn)速；D1,D2的作用是限制電流回路輸入，即限制電機電流。圖為一采用PI控制的速度回路的原理圖。63AA’是沒有速度反饋時電機的機械特性曲線AB是有速度反饋時電機的機械特性曲線。速度反饋對擾動的抑制作用：使機械特性“變硬”AA’是沒有速度反饋時電機的機械特性曲線64速度回路為比例控制C1=0；R3/R1=Kvp速度回路為比例控制C1=0；R3/R1=Kvp65速度回路對輸入指令的響應(yīng)靜態(tài)特性：建立了速度對指令的跟隨關(guān)系當(dāng)Uω的幅值及極性改變時，ω按比例隨之改變。速度回路對輸入指令的響應(yīng)66動態(tài)特性：動態(tài)響應(yīng)速度由時間常數(shù)決定；沒有速度回路時：有速度回路時：由于，動態(tài)響應(yīng)比沒有速度回路時快，這有利于電機速度的迅速建立；KVP越高，Tω越小，速度的響應(yīng)越快。動態(tài)特性：動態(tài)響應(yīng)速度由時間常數(shù)決定；67速度回路對擾動的抑制作用當(dāng)沒有速度回路時，負載力矩變化將直接產(chǎn)生速度變化；當(dāng)有速度回路且采用比例控制，擾動作用被抑制。穩(wěn)態(tài)時：存在靜態(tài)誤差。KVP越高，這種抑制作用越強。由于，快速的動態(tài)響應(yīng)有利于擾動的快速抑制；速度回路對擾動的抑制作用當(dāng)沒有速度回路時，負載力矩變化將直接68速度回路的作用建立了電機速度與速度指令之間穩(wěn)定的跟隨關(guān)系。能有效抑制負載變化造成的速度變化。反饋作用減小了機械時間常數(shù)的影響，加快了速度對指令的響應(yīng)速度。降低了回路內(nèi)參數(shù)變化對電機速度的影響。速度回路的作用建立了電機速度與速度指令之間穩(wěn)定的跟隨關(guān)系。69電機力矩—速度曲線特性曲線有兩個區(qū)域：連續(xù)工作區(qū)和短時工作區(qū)。在連續(xù)工作區(qū)內(nèi)電機可以在最大轉(zhuǎn)速之內(nèi)連續(xù)工作。在短時工作區(qū)內(nèi)，電機僅能斷續(xù)地工作連續(xù)輸出力矩Tr

也稱作額定力矩。指當(dāng)不超過電機繞組絕緣的熱限制時，電機所能連續(xù)輸出的力矩。單位為Nm。峰值力矩Tp

電機能輸出的最大轉(zhuǎn)矩，單位為Nm。這是一個很臨界的參數(shù)額定轉(zhuǎn)速n

電機正常工作時允許的最高轉(zhuǎn)速,單位為rpm。速度—力矩曲線是選用伺服電機的一個重要依據(jù)。電機力矩—速度曲線特性曲線有兩個區(qū)域：連續(xù)工作區(qū)和短時工作區(qū)70思考題用電機統(tǒng)一理論說明直流伺服電機工作原理。什么是伺服電機的四象限運行？它對電機驅(qū)動器提出什么要求？畫出直流伺服電機的控制特性和機械特性曲線，并說明這兩個特性對電機速度控制的作用。直流伺服電機的動態(tài)特性由哪兩個重要參數(shù)表示，這兩個參數(shù)各說明什么道理？線性功率放大器和PWM功率放大器哪個效率更高些？為什么？H橋PWM功率放大器如何實現(xiàn)直流伺服電機的四象限運行？在什么情況下電機會運行在制動狀態(tài)，它對功率放大器產(chǎn)生什么影響？為什么需要速度回路和力矩回路？它們在電機速度和力矩控制中各有什么作用。思考題用電機統(tǒng)一理論說明直流伺服電機工作原理。71第三章伺服電機及其驅(qū)動技術(shù)3.1一般規(guī)律3.2直流永磁伺服電機及其驅(qū)動技術(shù)3.3交流永磁同步伺服電機及其驅(qū)動技術(shù)3.4直流無刷伺服電機及其驅(qū)動技術(shù)3.5兩相混合式步進電機及其驅(qū)動技術(shù)第三章伺服電機及其驅(qū)動技術(shù)3.1一般規(guī)律723.1一般規(guī)律1.電機統(tǒng)一理論2．電機的基本運動方程3.伺服電機的四象限運行3.1一般規(guī)律1.電機統(tǒng)一理論731、電機統(tǒng)一理論伺服電機的定子和轉(zhuǎn)子由永磁體或鐵芯線圈構(gòu)成。永磁體產(chǎn)生磁場，而鐵芯線圈通電后也會產(chǎn)生磁場。定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生力矩，使電機帶動負載運動，從而通過磁的形式將電能轉(zhuǎn)換為機械能。1、電機統(tǒng)一理論74永磁體或鐵芯線圈產(chǎn)生磁場的根源是存在著磁通勢。永磁體的磁通勢是常量，大小由體積和材料導(dǎo)磁性能決定，方向是由N極指向S極。而鐵芯線圈產(chǎn)生的磁通勢遵循如下的關(guān)系式：

Fm=IW[安匝]

式中Fm—磁通勢，或簡稱磁勢；I—線圈中流過的電流；W—線圈匝數(shù)，或繞組匝數(shù)。在同樣鐵芯下，線圈匝數(shù)越多，通過線圈的電流越大，產(chǎn)生的磁通勢越大。磁勢的方向與線圈中的電流成右螺旋關(guān)系。磁勢是即有大小又有方向的量，可用矢量表示。永磁體或鐵芯線圈產(chǎn)生磁場的根源是存在著磁通勢。75

電機統(tǒng)一理論指出：電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為式中Fs,Fr——定、轉(zhuǎn)子磁勢的幅值；θs-θr——定、轉(zhuǎn)子磁勢之間的夾角。要想增大力矩，必須增大定、轉(zhuǎn)子磁勢。當(dāng)定子磁勢與轉(zhuǎn)子磁勢相互垂直時，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最大。電機統(tǒng)一理論是所有電機工作的基礎(chǔ)。

電機統(tǒng)一理論指出：電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為762．電機的基本運動方程式中T—電機轉(zhuǎn)矩,單位為[Nm]；Tf—負載轉(zhuǎn)矩，單位為[Nm]；J—電機轉(zhuǎn)子及負載的轉(zhuǎn)動慣量，單位為[Kgm∧2]；Θ—電機位置，單位為[rad]電機的基本運動方程指出電機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。在負載一定條件下，只有改變電機轉(zhuǎn)矩才能改變電機轉(zhuǎn)速。當(dāng)電機轉(zhuǎn)矩大于負載轉(zhuǎn)矩時，電機產(chǎn)生加速運動；當(dāng)電機轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩時，電機產(chǎn)生減速運動；當(dāng)電機轉(zhuǎn)矩等于負載轉(zhuǎn)矩時，電機恒速運動。電機及負載轉(zhuǎn)動慣量是影響速度變化的另一主要因素2．電機的基本運動方程77負載的加速度要求和轉(zhuǎn)動慣量對選擇伺服電機尺寸是很重要的。如果要求負載以高加速度運動或負載的轉(zhuǎn)動慣量較大，即使負載轉(zhuǎn)矩很小，也可能需要大轉(zhuǎn)矩的電機；反之，如果負載要求的加速度很小或負載的轉(zhuǎn)動慣量較小，即使負載轉(zhuǎn)矩很大，也可能小轉(zhuǎn)矩的電機就能滿足要求。負載的加速度要求和轉(zhuǎn)動慣量對選擇伺服電機尺寸是很重要的。783.伺服電機的四象限運行

伺服系統(tǒng)常要求伺服電機即能正向運動，又能反向運動；即能加速運動又能減速運動。這就要求電機力矩的大小及方向都能改變。3.伺服電機的四象限運行79電機的這種力矩一速度關(guān)系可以4象限形式表示出來電機在做正向或反向的加速或勻速運動時，力矩和速度的方向一致，電機產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩“推”動電機旋轉(zhuǎn)，這種狀態(tài)稱為電動狀態(tài)；當(dāng)電機做正向或反向的減速運動時，力矩和速度的方向相反，電機產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩；“拉”動電機停止，這種狀態(tài)稱為制動狀態(tài)。電機的這種力矩一速度關(guān)系可以4象限形式表示出來80

軌跡跟蹤系統(tǒng)電機也必須有四象限運行能力四象限運行能力是伺服電機與一般電機區(qū)別的一個重要標(biāo)志。它要求電機能提供方向及大小均可控制的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。軌跡跟蹤系統(tǒng)電機也必須有四象81對伺服電機的基本要求力矩和速度的可控性快速響應(yīng)能力寬調(diào)速范圍較高的過載能力具有頻繁起、制動的能力

對伺服電機的基本要求力矩和速度的可控性823.2永磁直流伺服電機及其驅(qū)動技術(shù)

1、永磁直流伺服電機的結(jié)構(gòu)2、永磁直流伺服電機的工作原理3、永磁直流伺服電機的特性4、功率放大器5、電流回路和速度回路3.2永磁直流伺服電機及其驅(qū)動技術(shù)1、永磁直流伺服電機831、結(jié)構(gòu)由定子磁極、轉(zhuǎn)子電樞和換向機構(gòu)組成；定子磁極一般為瓦狀永磁體，可為兩極或多極結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)有多種形式，最常見的是在有槽鐵心內(nèi)鋪設(shè)繞組的結(jié)構(gòu)。鐵芯由沖壓成的硅鋼片一類材料迭壓而成；換向機構(gòu)由換向環(huán)和電刷構(gòu)成。繞組導(dǎo)線連接到換向片上，電流通過電刷及換向片引入到繞組中。1、結(jié)構(gòu)由定子磁極、轉(zhuǎn)子電樞和換向機構(gòu)組成；842.工作原理轉(zhuǎn)矩的方向?qū)⑹罐D(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)以后，夾角的變化將使轉(zhuǎn)矩的大小及方向都發(fā)生變化，這將使電機轉(zhuǎn)子來回擺動。要想維持電機單方向穩(wěn)定轉(zhuǎn)動，必須維持dFr的方向不變；使保持不變。而且如果能使即定子磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢相互垂直，則能得到最大轉(zhuǎn)矩。

2.工作原理轉(zhuǎn)矩的方向?qū)⑹罐D(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)以后85電樞有5個線圈，每個線圈產(chǎn)生的磁勢矢量相加得到合成磁勢。合成磁勢的方向依然隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而改變。這僅使電機力矩更大一些，力矩的大小及方向改變的問題依然存在。假如我們在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，能通過電流換向，始終保證電樞幾何中性面以上的全部繞組端子為電流流進，下面的繞組端子為電流流出，就能保證轉(zhuǎn)子合成磁勢的方向不變，且與定子磁勢垂直。這個工作是由換向機構(gòu)完成的。

電樞有5個線圈，每個線圈產(chǎn)生的磁勢矢量相加得到合成磁勢。86

由于換向環(huán)和電刷的作用，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時，每一個經(jīng)過電刷的繞組，其電流的方向都被自動改變，轉(zhuǎn)子的合成磁勢維持方向不變。這保證了在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時定子磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢總是相互垂直。由于換向環(huán)和電刷的作用，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時，每一個經(jīng)過電刷的繞組87力矩的波動由于換向片的數(shù)目是有限的，轉(zhuǎn)子磁勢的方向會有微小的變化。這將導(dǎo)致力矩的波動。當(dāng)電機高速旋轉(zhuǎn)時，由于電機轉(zhuǎn)子和負載慣量的平滑作用，這個影響可以忽略。但當(dāng)電機工作在低速狀態(tài)時，可能會產(chǎn)生問題?？稍黾永@組、換向片或定子的極對數(shù)解決這個問題。力矩的波動由于換向片的數(shù)目是有限的，轉(zhuǎn)子磁勢的方向會有微小的88我們最終的目的是控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，以實現(xiàn)電機的四象限運行。通過什么量控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩？要找出電樞電壓、電流和轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速間遵循電機基本運動方程，因此關(guān)鍵是轉(zhuǎn)矩的控制。我們最終的目的是控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，以實現(xiàn)電機的四象限運行89力矩和電流的關(guān)系因為Fs=常量，F(xiàn)r=IW，所以當(dāng)線圈匝數(shù)W保持一定時，有

T=KtI

即力矩完全由電流控制，力矩大小及方向由電樞電流大小及極性決定。力矩系數(shù)Kt與電樞繞組匝數(shù)及定子磁極的磁通勢有關(guān)，其單位為[Nm/A]。力矩和電流的關(guān)系90反電勢和轉(zhuǎn)速的關(guān)系電樞旋轉(zhuǎn)時切割定子磁極的磁力線，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，這將在電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢e，其值為

即感應(yīng)電勢正比于電機轉(zhuǎn)速,系數(shù)Ke與電樞繞組匝數(shù)及定子磁極磁勢有關(guān)，其單位為[伏/弧度/秒]感應(yīng)電勢出現(xiàn)在電刷兩端，與電刷上所加的電樞電壓方向相反，因此常稱做反電勢。反電勢和轉(zhuǎn)速的關(guān)系91

3.工作特性

電樞的等效電路電樞回路電壓方程式為：式中Ua、ia—電樞電壓、電樞電流；L、R—電樞等效電感、等效電阻；e—反電勢。

3.工作特性

92靜態(tài)特性

電機的動態(tài)過程已經(jīng)結(jié)束，進入恒速狀態(tài)時的特性靜態(tài)特性

電機的動態(tài)過程已經(jīng)結(jié)束，進入恒速狀態(tài)時的特性93

由控制特性可見，同樣負載條件下，轉(zhuǎn)速和電壓成線性關(guān)系，轉(zhuǎn)速的高低及方向完全由電樞電壓的幅值和極性決定由機械特性可見，同樣電樞電壓下，負載變大時，電機轉(zhuǎn)速將降低，這個特性可由速度回路加以改善。

控制特性

機械特性由控制特性可見，同樣負載條件下，轉(zhuǎn)速和電壓成線性關(guān)系，轉(zhuǎn)94

動態(tài)特性

動態(tài)特性

95

Tm稱為機械時間常數(shù);Te稱為電氣時間常數(shù)直流伺服電機的動態(tài)特性可由一個比例環(huán)節(jié)和兩個慣性環(huán)節(jié)的乘積表示。

96由于存在著電氣時間常數(shù)，電樞中的電流不能突變；由于存在著機械時間常數(shù)，電機的轉(zhuǎn)速不能突變；

由于存在著電氣時間常數(shù)，電樞中的電流不能突變；97小結(jié)T=KtI

力矩完全由電流控制。由控制特性和機械特性可見轉(zhuǎn)速由電樞電壓控制，但受負載大小影響。電機中存在著電氣時間常數(shù)和機械時間常數(shù)，受其影響，電樞中的電流和電機轉(zhuǎn)速均不能突變。小結(jié)T=KtI力矩完全由電流控制。984.功率放大器功率放大器的輸入是較小的信號功率，輸出是以電樞電壓和電流表示的較高的功率。功率放大是在控制信號作用下，將電源功率的一部分轉(zhuǎn)換到輸出功率。功率放大器自身也消耗部分功率。4.功率放大器功率放大器的輸入是較小的信號功率，輸出是以99對功率放大器的基本要求功率放大的效率要高，即驅(qū)動器本身消耗的功率要小。能在可控條件下實現(xiàn)電機的四象限運行：

能輸出幅值及極性均可改變的電壓——實現(xiàn)電機速度大小及方向的控制。

能輸出幅值及極性均可改變的電流——實現(xiàn)電機力矩大小及方向的控制。線性功率放大器和PWM橋式功率放大器是最常見的兩種功率放大器。

對功率放大器的基本要求100線性功率放大器

線性功率放大可使電機在四象限下工作。但因調(diào)速時兩只晶體管工作在放大狀態(tài)，管壓降總是存在的，電源功率有相當(dāng)一部分變成了晶體管發(fā)出的熱量，效率較低。晶體管是電流放大器件，驅(qū)動電路較復(fù)雜。需要雙電源供電。線性功率放大器線性功率放大可使電機在四象限下工作。101T1、T2是一對互補晶體管。雙電源供電。當(dāng)Ub為正時，T1導(dǎo)通，T2截止，加到電機電樞繞組上的電壓為正，電流ia產(chǎn)生正向力矩使電機正向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)Ub為負電壓時，T1截止，T2導(dǎo)通，加到電樞繞組上的電壓為為。電流ia產(chǎn)生反向力矩使電機反向旋轉(zhuǎn)電機在正向運行過程中需要減速時，可降低Ub電壓值，這時由于電機轉(zhuǎn)速不能突變，初始瞬時Ua維持原電壓，并出現(xiàn)Ua﹥Ub的情況，這使T1截止，T2導(dǎo)通，產(chǎn)生反向電樞電流使電機工作在制動狀態(tài)，電機開始減速，Ua逐漸下降，直到再次出現(xiàn)T2截止，T1導(dǎo)通的狀態(tài)。T1、T2是一對互補晶體管。102PWM功率放大器

PWM

:Pulse-WidthModulation脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制電路H橋PWM功放電路驅(qū)動電路泵升電壓限制電路PWM功率放大器PWM:Pulse-WidthM103脈寬調(diào)制電路實現(xiàn)電壓控制信號到脈寬調(diào)制信號的轉(zhuǎn)換。占空比:(t2—t1)/(T—t1)脈寬調(diào)制信號的占空比由控制信號Uc的幅值決定。脈寬調(diào)制電路104三角波發(fā)生器輸出一固定頻率的三角波電壓信號Ut，并與控制信號Uc在比較器IC5中相比較。當(dāng)Uc﹥Ut時，其輸出為正，當(dāng)Uc﹤Ut時，其輸出為負，這樣在其輸出端產(chǎn)生一等幅的方波脈沖序列信號Upwm，信號的占空比由控制信號Uc的幅值決定。這個信號經(jīng)二極管D0的箍位作用削去負半周，然后一路經(jīng)IC6反相后輸出到功率MOSFETT1、T4的柵極驅(qū)動電路，另一路直接輸出到T2、T3的柵極驅(qū)動電路。三角波發(fā)生器輸出一固定頻率的三角波電壓信號Ut，并與控制信號105功率晶體管和功率MOSFETMOSFET:Metal-oxidesemiconductorfieldeffecttransistor金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管功率晶體管是電流控制器件，驅(qū)動較復(fù)雜。且由于存在結(jié)電容，工作頻率不能太高。功率MOSFET是電壓控制器件，驅(qū)動較簡單。且極間電容較小，能工作在較高頻率下。功率MOSFET功率晶體管功率晶體管和功率MOSFETMOSFET:Metal-ox106H橋雙極性PWM功放電路

tUsH橋雙極性PWM功放電路tUs107改變即可改變電機的轉(zhuǎn)速當(dāng)>0.5時，電機正轉(zhuǎn)；當(dāng)<0.5時，電機反轉(zhuǎn)；當(dāng)=0.5時，電機停止電機兩端得到的平均電壓為

（0≤

<1）式中=t1

/T為PWM波形的占空比改變即可改變電機的轉(zhuǎn)速電機兩端得到的平均電壓為108第一象限運行（正向電動）：在0≤

t≤

t1期間，Ug1、

Ug4為正，T1、T4導(dǎo)通，Ug2、

Ug3為零，T2

、

T3截止，電流ia

沿回路1流通，電動機M兩端電壓UAB=+Us；在t1

≤

t≤

T期間，Ug1、

Ug4為零，T1、T4截止，D2

、

D3續(xù)流，并鉗位使T2

、

T3保持截止，電流ia沿回路2流通，電動機M兩端電壓UAB=–Us

；第一象限運行（正向電動）：109UsUs110第二象限運行（正向制動）：如電機工作在第一象限時突然發(fā)出減速指令，則電機進入第二象限運行。此時，Ug1、

Ug4的占空比減小，使得加到電樞兩端的平均電壓減小。由于電機轉(zhuǎn)速不能突變，造成e﹥ua的情況，從而使電流反向流動，產(chǎn)生制動力矩。在0≤

t≤

t1期間，D

、D1導(dǎo)通續(xù)流，電流ia沿回路4流通，在t1

≤

t≤

T期間，T3、T2導(dǎo)通，電流ia沿回路3流通；第二象限運行（正向制動）：111UsUs112第三象限運行（反向電動）：在0≤

t≤

t1

期間，Ug2、

Ug3為零，T2、T3截止，D1、D4續(xù)流，并鉗位使T1、T4截止，電流–id

沿回路4流通，電動機M兩端電壓UAB=+Us

；在t1

≤

t≤

T期間，Ug2、

Ug3為正，T2、T3導(dǎo)通，Ug1、

Ug4為負，使T1、T4保持截止，電流–id

沿回路3流通，電動機M兩端電壓UAB=–Us；第三象限運行（反向電動）：113雙極性PWM功放電路特點因功放管工作在開關(guān)方式，放大器效率高。能實現(xiàn)伺服電機四象限運行?！皠恿櫥弊饔每梢欢ǔ潭壬蠝p小負載摩擦造成的死區(qū)的影響?？稍趩坞娫聪鹿ぷ鳌χ苓呺娐酚休^強的電磁干擾.雙極性PWM功放電路特點因功放管工作在開關(guān)方式，放大器效率高114柵極驅(qū)動電路柵極驅(qū)動電路115在橋式電路中常將上橋臂的功率管稱為“高端”，下橋臂的功率管稱為“低端”。高端器件的源極在高電壓和地之間浮動，而低端器件的源極總是接地的。當(dāng)T1導(dǎo)通而T2截止時，T1的源極為高電壓，這意味著T1的柵極必須比這個高電壓還高才能維持導(dǎo)通。因此T1的柵極電壓必須也是個浮動電壓。在橋式電路中常將上橋臂的功率管稱為“高端”，下橋臂的功率管稱116光電隔離：在上面介紹的柵極驅(qū)動電路中，Eu1和Eu2是兩個獨立電源（不共地）因此，Ug1是浮動電壓。泵電壓：在右上圖中，當(dāng)Q2導(dǎo)通時，Q1的源極接地，電容Cboot由Vbias經(jīng)D1充電，當(dāng)Q1導(dǎo)通Q2截止時，Q1的源極電壓開始上升，電容上的電壓好像是Q1的偏置電壓，電平移位電路使得其柵極電壓隨其源極電壓浮動，從而產(chǎn)生浮動的柵極電壓。光電隔離電路使得控制電路與功率電路隔離，抑制干擾。光電隔離：在上面介紹的柵極驅(qū)動電路中，Eu1和Eu2是兩個獨117再生制動問題當(dāng)電機運行在二、四象限即制動狀態(tài)時Ua<e。這說明電機將電機運動的機械能轉(zhuǎn)換為電能，并將它送回電源。由于整流二極管的單向性，這個電流不能回饋到電網(wǎng)，只能向濾波電容C充電。電容對電流的積分效應(yīng)使電源電壓升高。這種因能量回饋升高的電壓稱為“泵升電壓”。泵升電壓過高可能會損壞并聯(lián)在電源母線上所有器件，如功率管、續(xù)流二極管和電容器等。再生制動問題當(dāng)電機運行在二、四象限即制動狀態(tài)時Ua<e。這118有兩種情況使電機運動在制動狀態(tài)1）電機處于減速狀態(tài)時：電機的速度下降是電樞電壓減小的結(jié)果。但是當(dāng)電壓突然變小時，電機的慣量使其速度不能突變，也即反電勢e不能突變。這將出現(xiàn)Ua<e的情形，使電流反向流動從而產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。2）電機具有垂直性負載且負載向下運動時：這時伺服電機必須產(chǎn)生與運動方向相反的制動轉(zhuǎn)矩平衡重物下落產(chǎn)生的重力矩。在制動狀態(tài)下，電機旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的動能和重物下落時產(chǎn)生的勢能轉(zhuǎn)換為電能以電流的形式回饋到供電電源。這種制動方式常稱為再生制動。有兩種情況使電機運動在制動狀態(tài)1）電機處于減速狀態(tài)時：電機的119附：泵升電壓數(shù)值可借助于能量守恒定律近似估算已知：濾波電容中儲存的電能為

[焦耳]電機旋轉(zhuǎn)的動能為[焦耳]重物下落的勢能為[焦耳]若用下標(biāo)“1”和“2”分別表示能量回饋前、后各量的值。則由能量守恒定律，有即附：泵升電壓數(shù)值可借助于能量守恒定律近似估算已知：120解此式，可得能量回饋后電容上的電壓為

在上面的計算中C—濾波電容的數(shù)值單位為[F]；J—負載及電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量單位為[kgm2]；m—負載的質(zhì)量單位為[Kg]；—電機角速度單位為[rad/s]；h—重物負載的高度單位為[m];g—重力加速度常數(shù)單位[9.81m/s2];u—電容上電壓單位[V]。上面的計算中忽略了電機中消耗的電能及一些摩擦產(chǎn)生的熱能，這些損耗相對來說比較小。解此式，可得能量回饋后電容上的電壓為121例4-1一直流伺服電機采用PWM橋式功放電路驅(qū)動，功放電路中濾波電容C=5000，電容上的電壓在能量回饋前為100V，電機及其負載的轉(zhuǎn)動慣量。負載做非垂直性運動，求當(dāng)電機轉(zhuǎn)速從3000rpm降至零速時，C上的電壓升高至多少？解：3000rpm=3000[rad/s]=314[rad/s]本例中，若電機及其負載的轉(zhuǎn)動慣量增加一倍，即,則可以算出u2=298V，可見轉(zhuǎn)動慣量對泵升電壓的影響是較大的。例4-1一直流伺服電機采用PWM橋式功放電路驅(qū)動，功放電路中122泵升電壓限制電路

泵升電壓通過電阻RL泄放掉。泵升電壓限制電路泵升電壓通過電阻RL泄放掉。123圖中，比較器的反相輸入端為一門坎電壓Uth。同相輸入端的電壓Us1由R1，R2對電容電壓的分壓得到。根據(jù)要限定的泵升電壓設(shè)定Uth的值。當(dāng)泵升電壓在安全范圍之內(nèi)時，比較器輸出負電壓，功率管T處于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)泵升電壓達到限定值時，比較器輸出正電壓使功率管導(dǎo)通，泵升電壓通過電阻RL泄放掉。在泄放的瞬間，電阻RL所耗散的功率是比較大的。在例4-1中，如果減速過程中電機及其負載的功能全部轉(zhuǎn)換為RL中耗散的熱能，且減速時間為50ms。則電阻的瞬間向功率可達從上式可以看出，減速時間越短，電阻瞬間消耗功率越大。圖中，比較器的反相輸入端為一門坎電壓Uth。同相輸入端的電壓1245.電流回路和速度回路功率放大器可以從較小的電壓信號控制較大的電樞電壓和電流，從而控制電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，但這種控制并不是很穩(wěn)定的。比如從機械特性可以看出當(dāng)負載變化時，電機速度會改變。比如當(dāng)功率放大器電源變化時，電機的輸出力矩也會改變。利用電流回路和速度回路不但可使控制電壓對速度和力矩的控制關(guān)系穩(wěn)定下來，還可得到反饋所帶來的其它好處。5.電流回路和速度回路功率放大器可以從較小的電壓信號控制較125電流回路電流回路126圖為—采用比例控制的電流回路的原理圖。比例控制由運放1構(gòu)成的電流控制器實現(xiàn)。運放1的另一個作用是實現(xiàn)電流指令信號與電流反饋信號的相減；運放1的輸出即是前述的PWM功放電路的輸入Uc；電阻Rf用于檢測電機電樞電流。出于減少功率損耗的考慮，Rf的值一般都比較小。運放2一方面放大Rf上的電壓,另一方面構(gòu)成低通濾波器用于濾除PWM高頻噪聲。圖為—采用比例控制的電流回路的原理圖。比例控制由運放1構(gòu)成的127KP—電流控制器增益；KpA—功率放大器電壓放大倍