直流電動機(jī)驅(qū)動及其控制

5.3直流電動機(jī)驅(qū)動及其控制5.3.1直流伺服電動機(jī)特性和調(diào)速原理5.3.2直流電動機(jī)的驅(qū)動調(diào)速方法5.3.3直流伺服系統(tǒng)的組成3.1直流伺服電動機(jī)特性和調(diào)速原理直流伺服電動機(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機(jī)。

直流伺服電機(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，不同之點只是它做得比較長一些，慣量小一些，以便能滿足快速響應(yīng)的要求。

根據(jù)直流電動機(jī)的工作原理，當(dāng)給電動機(jī)的激磁繞組通以直流電時，會在電機(jī)氣隙中建立極性不變的磁場(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，電樞繞組中便產(chǎn)生電樞電流Ia

，處于氣隙磁場中的電樞載流導(dǎo)體受到磁場力的作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩M，驅(qū)動電動機(jī)轉(zhuǎn)動起來。電機(jī)一旦旋轉(zhuǎn)起來之后，電樞導(dǎo)體將切割氣隙磁場產(chǎn)生感應(yīng)電勢Ea，其極性與Ua相反，稱為反電勢。當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定運行的時候(轉(zhuǎn)運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：

上式中Ra－電樞總電阻(電樞繞組電阻和換向器接觸電阻)；Ia－電樞總電流；Φ－每級磁通；J－折算到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量；電勢系數(shù)Ce＝Np/60a，N為電樞繞組元件邊數(shù)，p是極對數(shù)，a是電樞繞組的支路對數(shù)；力矩系數(shù)Cm＝Np/2πa。

根據(jù)上式可得直流電機(jī)的調(diào)速公式：

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，所以在伺服系統(tǒng)的調(diào)速中，這兩種方法都很少采用。電樞電壓調(diào)速具有起動力矩大，阻尼效果好，響應(yīng)速度快且線性度好等特點，所以在伺服系統(tǒng)中普遍采用，本節(jié)也重點討論電樞電壓調(diào)速。5.3.2直流伺服電動機(jī)的驅(qū)動調(diào)速方法

直流電動機(jī)的電樞電壓調(diào)速要求靈活地控制電樞電壓的大小和極性，因此直流電動機(jī)的驅(qū)動電路實際上是一個可控的大功率整流電路。常用的方法有可控硅法和PWM法等。這里重點討論PWM法。

PWM驅(qū)動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，加在直流電動機(jī)的電樞上，通過對方被脈沖寬度的控制，改變電樞的平均電壓，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，這種裝置又稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。PWM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以一定的時間間隔重復(fù)地接通和斷開。當(dāng)S接通時，供電電源US通過開關(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存的能量將通過續(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，電壓的平均值為圖5-24PWM原理圖

式中，為占空比。由上式可見，改變開關(guān)接通時間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)。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，這就是脈沖寬度調(diào)制，英文名稱是PulseWidthModulation，簡寫為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，這就是脈沖頻率調(diào)制，英文名稱是PulseFrequencyModulation

，簡寫為PFM。目前，直流電動機(jī)的調(diào)速電路中，以應(yīng)用PWM控制方式為主。2．PWM驅(qū)動電路裝置

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)動裝置。

PWM脈寬調(diào)制放大器是由脈沖頻率發(fā)生器、電壓－脈沖變換與分配器和功率放大器等部分組成，如圖5-25所示。圖5-25PWM驅(qū)動電路框圖頻率脈沖發(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)生一個頻率固定的調(diào)制信號U0。電壓－脈沖變換器的作用是將外加直流控制電平信號Ue與脈沖頻率發(fā)生器送來的三角波電壓U0在其中混合后，產(chǎn)生一個寬度被調(diào)制了的開關(guān)脈沖信號。

分配器的作用是將電壓－脈沖變換器輸出的脈沖信號按一定的邏輯關(guān)系分配到功率放大器的各個晶體管基極，以保證各晶體管協(xié)調(diào)工作。

基極驅(qū)動電路工作在開關(guān)狀態(tài)，它對寬度被調(diào)制了的脈沖信號進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動主電路的功率晶體管。圖5-26所示是一個電壓－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，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，UA的寬度大于T/2，UB的寬度小于T/2；Ue為負(fù)時，情況則相反。由此得到兩種不同的被調(diào)制直流電壓。圖5-26PWM脈寬調(diào)制波形圖

開關(guān)功率放大器的作用是對電壓－脈寬變換器輸出的信號Us進(jìn)行放大，輸出具有足夠功率的信號Up

，以驅(qū)動直流伺服電動機(jī)。

5.3.3直流伺服系統(tǒng)的組成一.速度伺服系統(tǒng)

通過以上分析，我們知道，在PWM構(gòu)成的驅(qū)動電路中，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。作為速度檢測的元件主要有直流測速發(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.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是速度檢測裝置，PG是位置檢測裝置。

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)其位置反饋信號檢測和比較方式的不同分為以下四種控制方案：

1．?dāng)?shù)字式脈