直流伺服电机

常用的直流电动机有：永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、印刷绕组）励磁式直流电机混合式直流电机无刷直流电机直流力矩电机直流进给伺服系统：永磁式直流电机类型中的有槽电枢永磁直流电机（普通型）；直流主轴伺服系统：励磁式直流电机类型中的他激直流电机。§6.4直流伺服电机(一）直流伺服电机的结构极靴机壳瓦状永磁材料（定子）电枢（转子）换向极主磁极定子转子线圈图6.5永磁直流伺服电机的结构图6.6直流主轴电机结构示意图§6.4直流伺服电机1.静态特性电磁转矩由下式表示:（6.1）KT—转矩常数；Φ—磁场磁通；Ia—电枢电流；TM—电磁转矩。电枢回路的电压平衡方程式为:（6.2）Ua─电枢上的外加电压；Ra─电枢电阻；Ea─电枢反电势。电枢反电势与转速之间有以下关系：（6.3）Ke─电势常数；ω─电机转速（角速度）。根据以上各式可以求得：（6.4）（二）一般直流电机的工作特性aTMIKTaaaaERIUeaKEM2TeaeaTKKRKU§6.4直流伺服电机当负载转矩为零时：理想空载转速（6.5）当转速为零时：启动转矩(6.6）当电机带动某一负载TL时电机转速与理想空载转速的差（6.7）ea0KUTgasKRUTL2TeaTKKR图6.7直流电机的机械特性ω（n）ωOO△ωTSTTL§6.4直流伺服电机（二）一般直流电机的工作特性2.动态特性直流电机的动态力矩平衡方程式为（6.8）式中TM─电机电磁转矩；TL─折算到电机轴上的负载转矩；ω─电机转子角速度；J─电机转子上总转动惯量；t─时间自变量。dtdJTTLM§6.4直流伺服电机（二）一般直流电机的工作特性1.永磁直流伺服电机的性能特点1)低转速大惯量2)转矩大3)起动力矩大4)调速泛围大，低速运行平稳，力矩波动小2.永磁直流伺服电机性能用特性曲线和数据表描述1)转矩-速度特性曲线（工作曲线）2)负载-工作周期曲线过载倍数Tmd，负载工作周期比d。3)数据表：N、T、时间常数、转动惯量等等。（三）永磁直流伺服电机的工作特性§6.4直流伺服电机d%80110%120%60130%140%40160%d180%20200%013tR6103060100tR(min)图6﹒9负载-工作周期曲线M/（N-cm）转矩极限1200010000瞬时换向极限8000Ⅲ6000Ⅱ换向极限速度极限4000温度极限2000Ⅰ050010001500n图6﹒8永磁直流伺服电机工作曲线Ⅰ区为连续工作区；Ⅱ区为断续工作区，由负载-工作周期曲线决定工作时间；Ⅲ区为瞬时加减速区（三）永磁直流伺服电机的工作特性§6.4直流伺服电机3.永磁直流伺服电机的工作特性曲线（四）主轴直流伺服电机的工作原理和特性OnjnmaxnP,T12图6.10直流主轴电机特性曲线1-转矩特性曲线2-功率特性曲线§6.4直流伺服电机（五）直流进给运动的速度控制•1.、直流伺服电机的调速原理•根据机械特性公式可知调速有二种方法:电枢电压Ua和气隙磁通Φ•⑴改变电枢外加电压Ua:由于绕组绝缘耐压的限制，调压只能在额定•转速以下进行。属于恒转矩调速。•⑵改变气隙磁通量Φ：改激磁电流即可改Φ，在Ua恒定情况下，磁场接•近饱和，故只能弱磁调速，在额定转速以上进行。属于恒功率调速。•2.直流速度控制单元调速控方式•◆晶闸管（可控硅）调速系统•◆晶体管脉宽调制（PWM）调速系统0M2TeaeaTKKRKUnnTCCRCUn0M2Teaea§6.4直流伺服电机(1)晶闸管调速系统1）系统的组成•包括控制回路：速度环、电流环、触发脉冲发生器等。•主回路：可控硅整流放大器等。••速度环：速度调节（PI），作用：好的静态、动态特性。•电流环：电流调节(P或PI)。作用：加快响应、启动、低频稳定等。•触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移。•可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。速度调节器电流调节器触发脉冲发生器可控硅整流器电流反馈速度反馈电流检测编码器电机UR+-UfIfIR+-E1ES（五）直流进给运动的速度控制晶(1)晶闸管调速系统§6.4直流伺服电机2）主回路工作原理•组成：由大功率晶闸管构成的三相全控桥式（三相全波）反并接可逆电路，分成二大部分（Ⅰ和Ⅱ），每部分内按三相桥式连接，二组反并接，分别实现正转和反转。原理：三相整流器，由二个半波整流电路组成。每部分内又分成共阴极组（1、3、5）和共阳极组（2、4、6）。为构成回路，这二组中必须各有一个可控硅同时导通。1、3、5在正半周导通，2、4、6在负半周导通。每组内（即二相间）触发脉冲相位相差120º，每相内二个触发脉冲相差180º。按管号排列，触发脉冲的顺序：1-2-3-4-5-6，相邻之间相位差60º。为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通，或已截止的相再次导通，采用双脉冲控制。既每个触发脉冲在导通60º后，在补发一个辅助脉冲；也可以采用宽脉冲控制，宽度大于60º，小于120º。462791113581210ABCMⅠⅡUMUDKMKM+-（五）直流进给运动的速度控制(1)晶闸管调速系统§6.4直流伺服电机原理：主回路波形图uacbcaba)b)c)d)135①②③④⑤⑥ωtub246bcaωtωtωtωt11335511336224466224135246120°120°180°60°132460°60°56α只要改变可控硅触发角（即改变导通角），就能改变可控硅的整流输出电压，从而改变直流伺服电机的转速。触发脉冲提前来，增大整流输出电压；触发脉冲延后来，减小整流输出电压。（五）直流进给运动的速度控制(1)晶闸管调速系统§6.4直流伺服电机3）控制回路分析•触发脉冲产生的过程：•改变触发角，即改变控制角U1U2R1R2R3C-+同步信号过零信号由速度F变换来的电流调节器输出的直流信号,123同步信号方波信号矩齿波矩齿波与直流电压叠加信号尖脉冲直流电压（可控硅导通时间），可调速。没反馈是开环，特性软。1-同步电路2-移向控制电路3-脉冲分配器②电流调节器:同上，加快电流的反应。③触发脉冲发生器：正弦波同步锯齿波触发电路，与F直流信号叠加。①速度调节器：比例积分PI，高放大（相当C短路）—缓放大—增放大—稳定（相当C开路）无静差。（五）直流进给运动的速度控制(1)晶闸管调速系统§6.4直流伺服电机•[总结]速度控制的原理：•①调速：当给定的指令信号增大时，则有较大的偏差信号加到调节器的输入端，产生前移的触发脉冲，可控硅整流器输出直流电压提高，电机转速上升。此时测速反馈信号也增大，与大的速度给定相匹配达到新的平衡，电机以较高的转速运行。•②干扰：假如系统受到外界干扰，如负载增加，电机转速下降，速度反馈电压降低，则速度调节器的输入偏差信号增大，其输出信号也增大，经电流调节器使触发脉冲前移，晶闸管整流器输出电压升高，使电机转速恢复到干扰前的数值。•③电网波动：电流调节器通过电流反馈信号还起快速的维持和调节电流作用，如电网电压突然短时下降，整流输出电压也随之降低，在电机转速由于惯性还未变化之前，首先引起主回路电流的减小，立即使电流调节器的输出增加，触发脉冲前移，使整流器输出电压恢复到原来值，从而抑制了主回路电流的变化。•④启动、制动、加减速：电流调节器还能保证电机启动、制动时的大转矩、加减速的良好动态性能。（五）直流进给运动的速度控制(1)晶闸管调速系统§6.4直流伺服电机（2）晶体管脉宽调制（PWM）调速系统1）系统的组成及特点速度调节器电流调节器脉宽调节振荡器脉宽调节MG电流反馈U～usrusf整流功放（五）直流进给运动的速度控制§6.4直流伺服电机①主回路：大功率晶体管开关放大器；功率整流器。②控制回路：速度调节器；电流调节器；固定频率振荡器及三角波发生器；脉宽调制器和基极驱动电路。区别：与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。直流脉宽调制：功率放大器中的大功率晶体管工作在开关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期内晶体管导通时间（即改变基极调制脉冲宽度）的方法来改变输出。从而使电机获得脉宽受调制脉冲控制的电压脉冲，由于频率高及电感的作用则为波动很小的直流电压（平均电压）。脉宽的变化使电机电枢的直流电压随着变化。（五）直流进给运动的速度控制（2）PWM调速系统§6.4直流伺服电机直流脉宽调调制的基本原理周期不变周期不变脉宽脉宽脉宽脉宽平均直流电压脉冲宽度正比代表速度F值的直流电压Uωt（五）直流进给运动的速度控制（2）PWM调速系统§6.4直流伺服电机2）脉宽调制器ttU△U△+USrU△+USrUSCUSCUSC+USrooo-USrtttt同向加法放大器电路图USr–速度指令转化过来的直流电压U△-三角波USC-脉宽调制器的输出（USr+U△）调制波形图R1+12VUSCR1R3R2+-12VUSrU△-USr为0时调制出正负脉宽一样方波平均电压为0USr为正时USr为负时调制出脉宽较宽的波形平均电压为正调制出脉宽较窄的波形平均电压为负（五）直流进给运动的速度控制（2）PWM调速系统§6.4直流伺服电机3）开关功率放大器主回路：可逆H型双极式PWM开关功率放大器电路图:由四个大功率晶体管（GTR）T1、T2、T3、T4及四个续流二极管组成的桥式电路。H型：又分为双极式、单极式和受限单极式三种。Ub1、Ub2、Ub3Ub4–为调制器输出，经脉冲分配、基极驱动转换过来的脉冲电压。分别加到T1、T2、T3、T4的基极。Ub3Ub4Ub1Ub2USABD1D2D3D4MT1T2T4T3tUS-USUdUABOtUb1Ub4Ub2Ub3OOttt1Tidid1id2id1id2OOOOOt1t3Tt2t3t1Ub1、Ub4Ub2、Ub3UdUABidttttid1id1id4id2id3id4id2（五）直流进给运动的速度控制（2）PWM调速系统§6.4直流伺服电机工作原理：T1和T4同时导通和关断，其基极驱动电压Ub1=Ub4。T2和T3同时导通和关断，基极驱动电压Ub2=Ub3=–Ub1。以正脉冲较宽为例，既正转时。负载较重时：①电动状态：当0≤t≤t1时，Ub1、Ub4为正，T1和T4导通；Ub2、Ub3为负，T2和T3截止。电机端电压UAB=US，电枢电流id=id1，由US→T1→T4→地。②续流维持电动状态：在t1≤t≤T时，Ub1、Ub4为负，T1和T4截止；Ub2、Ub3变正，但T2和T3并不能立即导通，因为在电枢电感储能的作用下，电枢电流id=id2，由D2→D3续流，在D2、D3上的压降使T2、T3的c-e极承受反压不能导通。UAB=-US。接着再变到电动状态、续流维持电动状态反复进行，如上面左图。负载较轻时：③反接制动状态，电流反向：②状态中，在负载较轻时，则id小，续流电流很快衰减到零，即t=t2时（见上面右图），id=0。在t2～T区段，T2、T3在US和反电动势E的共同作用下导通，电枢电流反向，id=id3由US→T3→T2→地。电机处于反接制动状态。④电枢电感储能维持电流反向：在T～t3区段时，驱动脉冲极性改变，T2、T3截止，因电枢电感维持电流，id=id4，由D4→D1。（五）直流进给运动的速度控制（2）PWM调速系统§6.4直流伺服电机⑤电机正转、反转、停止：由正、负驱动电压脉冲宽窄而定。当正脉冲较宽时，既t1T/2，平均电压为正，电机正转；当正脉冲较窄时，既t1T/2，平均电压为负，电机反转；如果正、负脉冲宽度相等，t1=T/2，平均电压为零，电机停转。⑥电机速度的改变：电枢上的平均电压UAB越大，转速越高。它是由驱动电压脉冲宽度决定的。⑦双极性：由以上分析表明：可逆H型双极式PWM开关功率放大器，无论负载是重还是轻、电机是正转还是反转，加在电枢上的电压极性在一个开关周期内，都在US和–US之间变换一次，故称为双极性。（五）直流进给运动的速度控制（2）PWM调速系统§6.4直流伺服电机（