直流伺服电动机及其驱动课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,直流伺服电动机及其驱动,机电一体化技术,直流伺服电动机及其驱动,直流伺服电动机是应用最为广泛的执行电动机，具有速度高、体积小、质量轻、效率高和转矩大等优良特性。其速度可以通过调节输入电压来控制，且调节范围很宽，适用于各种控制系统。直流伺服电动机广泛地应用于机器人、数控机床等计算机数字控制系统。,直流伺服电动机主要由定子和转子两大部分组成。定子的主要作用是产生磁场和作为电动机的机械支承。它由主磁板、换向极、机座、端盖、轴承、电刷装置等组成。转子是机械能和直流电能相互转换的枢纽。它由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴、风扇等组成。直流伺服电动机原理与普通直流电动机相同。,1.1,各种不同的直流伺服电动机,1.,小惯量直流伺服电动机,无槽电枢伺服电动机如图,3-14,（,a,）所示。它将绕组固定在无槽的电枢铁芯上，以避免在电枢铁芯上开槽，使电枢可以做到很小，从而实现了降低转动惯量的目的。空心杯伺服电动机结构如图,3-14,（,b,）所示，它在固定的铁芯上安装有类似于杯子的转子，同时，为了保证磁阻小，在空心杯转子内放置了固定内定子。因为转子很轻，所以转动惯量也很小。盘形电枢伺服电动机如图,3-14,（,c,）所示。采用盘状的电枢，它的定子磁铁位于盘形电枢的平面两侧，电枢绕组可以是印制或者用导线绕制。因为电枢的质量极小，所以转动惯量很小。,图,3-14,小惯量直流伺服电动机,1.1,各种不同的直流伺服电动机,2.,大惯量宽调速电动机,对于一些需要很大转矩的场合，则使用大惯量宽调速电动机。其基本结构与普通直流电动机一样，不同的是大惯量宽调速电动机具有良好的加减速特性、大的热容量、绝缘等级高、寿命长等优点，大多使用高性能稀土永磁材料制作定子。这些特点使其性能远远高于普通直流电动机，具有高转矩、宽调速、动态特性好、快速响应能力强等优点。大惯量宽调速电动机的功率通常小于,600 W,，并且采用电枢电压调节转速。,1.2,直流伺服电动机机械特性和调节特性,直流伺服电动机最主要的特性就是机械特性和调节特性。前者是指电压一定时，转速和转矩之间的关系；后者是指转矩一定时，电压和转速之间的关系。,直流伺服电动机的转矩,T,与电枢电流,i,m,成正比，即,而电枢回路中的电压平衡式为,反电动势,E,b,与电动机的转速,n,成正比，即,1.2,直流伺服电动机机械特性和调节特性,根据上面三个公式，可得到,当电压一定时，转速,n,与转矩,T,成反比，以,n,为纵轴，,T,为横轴，则它们的关系是一条截距为,u,m,/,C,e,，斜率为,R,/,C,T,C,e,2,的直线，这条直线就是机械特性曲线，即,T,=,f,(,n,),曲线，如图,3,-,15,（,a,）所示。当转矩,T,一定时，转速,n,与电压,u,m,成正比，根据式（,3-6,）可画出调节特性曲线，即,n,=,f,(,u,m,),曲线，如图,3,-,15,（,b,）所示。,图,3,-,15,直流伺服电动特性曲线,1.3,直流伺服电动机的驱动电路,改变电压可以通过多种方式实现，常用的为线性调整和脉冲宽度调制（,pulse width modulation,，简称为,PWM,）。直流电压线性调整原理如图,3,-,16,所示，通过改变晶体管,VT,的基极电压来改变输出电压。由于输入电压等于晶体管,VT,的压降,U,ce,和电动机电压,U,m,之和，改变,U,i,即可改变,U,m,，这时晶体管工作在放大状态，这种电路损耗很大，只能应用在调速范围很小，并且电动机功率微小的场合。,图,3,-,16,直流电压线性调整原理,1.3,直流伺服电动机的驱动电路,1.,脉冲宽度调制原理及产生电路,1,）脉冲宽度调制原理,PWM,分为单极性和双极性两种，如图,3,-,17,（,a,）所示为单极性,PWM,脉冲，其等效的直流电压为,双极性,PWM,的输出电压在一个周期内正负相间，所以称为双极性。其信号波形如图,3,-,17,(,b,),所示，输出电压,o,为,1.3,直流伺服电动机的驱动电路,图,3,-,17,PWM,波形,1.3,直流伺服电动机的驱动电路,2,）,PWM,产生电路,如图,3,-,18,（,a,）所示的比较器电路，其反相端输入一个三角波，同相端输入电动机的控制电压。当三角波小于控制电压时，输出为,1,；当三角波大于控制电压时，输出为零。由于三角波的波形是一个等腰三角形，输出的脉冲宽度由控制电压与三角波之间的交点所决定，如图,3,-,18,（,b,）所示。,图,3,-,18,PWM,波形产生原理图,1.3,直流伺服电动机的驱动电路,2.,常用驱动电路,PWM,信号经过放大后推动功率晶体管，再由功率晶体管驱动直流伺服电动机运行，因为直流伺服电动机经常需要正反转切换，所以通常使用两对晶体管来驱动，如图,3,-,19,(,a,),所示为一个典型的直流伺服电动机驱动电路。因为两对晶体管的电路形状类似于字母“,H,”,，所以称为,H,桥驱动电路。,要使电动机运转，必须导通对角线上的一对晶体管。根据每对晶体管的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电动机，从而控制电动机的转向。如图,3,-,19,(,b,),所示，当,VT1,和,VT4,导通，,VT2,和,VT3,截止时，电流就从电源正极经,VT1,电动机,VT4,回到电源负极。设晶体管处于图,3,-,19,（,b,）所示状态时，电动机正转，则当晶体管处于如图,3,-,19,（,c,）所示状态时，电动机可实现反转，在图,3,-,19,中箭头表示电流方向。,1.3,直流伺服电动机的驱动电路,图,3,-,19,直流伺服电动机驱动电路原理,当,H,桥上两个同侧的晶体管同时导通时，电源将会短路，导致线路烧毁。为了防止这种现象发生，在实际驱动电路中通常要增加部分硬件电路。如图,3,-,20,所示，在基本,H,桥电路的基础上增加了,4,个与门和两个非门。,4,个与门同一个“使能”导通信号相接，用这一个信号就能控制整个电路的开关。而两个非门通过提供一种方向输入，可以保证任何时候在,H,桥的同侧都只有一个晶体管能导通。,1.3,直流伺服电动机的驱动电路,图,3,-,20,直流伺服电动机驱动电路,谢谢观看！,机电一体化技术,