直流伺服电机及其驱动技术

1、 T F s F r sin() sr T Fs Fr f d TJT d t f d TJT d t f TaJ TcT f d T JT dt sin()dTdFr Fsrs sr 2 sr f d TJT dt sin() sr TFs Fr e eK eRi dt di LUa a a a aa f t a di uLi Re dt d TJT dt TK i eKe 0;0 a did LJ dtdt u a f ete R T KK K u a f ete R T KK K a aa f t a di uLi Re dt d TJT dt TK i eKe 1 ( ) ( )(1)

2、(1) e a Ks usTmSTeS 2 2 11 ( )( ) ( )1( )( )1 1 ee amem etet KKsG s JLJR usG s H sT T ST s ss K KK K te JR Tm K K R L Te TmTe H桥双极性桥双极性PWM功放电路功放电路 di UL dt t Us 改变 即可改变电机的转速 当 0.5时， 电机正转； 当 0.5时， 电机反转； 当 = 0.5时， 电机停止 1 ass t UUU T 电机两端得到的平均电压为 （ 0 1 ） 式中 = t1 / T 为 PWM 波形 的占空比 第一象限运行（正向电动）： 在 0 t t1

3、期间， Ug1 、 Ug4为正， T1 、 T4导通， Ug2 、 Ug3为零，T2 、 T3截止，电流 ia 沿回路1流 通，电动机M两端电压UAB = +Us ； 在t1 t T期间， Ug1 、 Ug4为零， T1 、 T4截止， D2 、 D3续流， 并钳位使T2 、 T3保持截止，电 流 ia 沿回路2流通，电动机M两端电压UAB = Us ； Us 第二象限运行（正向制动）： 如电机工作在第一象限时突然发出减速指令，则 电机进入第二象限运行。此时， Ug1 、 Ug4的占空 比减小，使得加到电枢两端的平均电压减小。 由于电机转速不能突变，造成eua的情况，从 而使电流反向流动，产生

4、制动力矩。 在 0 t t1期间， D 、 D1 导通续流，电流 ia 沿回 路4流通， 在t1 t T期间， T3 、 T2导通， 电流 ia 沿回路3流 通； Us 第三象限运行（反向电动）： 在 0 t t1 期间， Ug2 、 Ug3为零，T2 、 T3截止， D1 、 D4 续流，并钳位使 T1 、 T4截止，电流 id 沿回路4流通，电动机M两端电压UAB = +Us ； 在t1 t T 期间， Ug2 、 Ug3 为正， T2 、 T3导 通， Ug1 、 Ug4为负，使T1 、 T4保持截止，电 流 id 沿回路3流通，电动机M两端电压UAB = Us ； 双极性双极性PWM功

5、放电路特点功放电路特点 因功放管工作在开关方式，放大器效率高。 能实现伺服电机四象限运行。 “动力润滑”作用可一定程度上减小负载 摩擦造成的死区的影响。 可在单电源下工作。 对周边电路有较强的电磁干扰. 故 障 信 号 0 D 5IC6IC 14 u 23 u PW M u t u c u 三 角 波 发 生 器 C M S u 1 D 3 D 2 D 4 D 3 T 4 T 1 T 2 T 4g u 3g u 2g u 1g uu AB 1 24 3 有两种情况使电机运动在制动状态有两种情况使电机运动在制动状态 1）电机处于减速状态时：电机处于减速状态时：电机的速度下降是电枢电 压减小的结果

6、。但是当电压突然变小时，电机的 惯量使其速度不能突变，也即反电势e不能突变。 这将出现Uae的情形，使电流反向流动从而产生 制动转矩。 2）电机具有垂直性负载且负载向下运动时电机具有垂直性负载且负载向下运动时：这时 伺服电机必须产生与运动方向相反的制动转矩平 衡重物下落产生的重力矩。 在制动状态下，电机旋转过程中产生的动能和重 物下落时产生的势能转换为电能以电流的形式回 馈到供电电源。这种制动方式常称为再生制动再生制动。 附：泵升电压数值可借助于能量守恒定律近似估算附：泵升电压数值可借助于能量守恒定律近似估算 已知： 滤波电容中储存的电能为 焦耳 电机旋转的动能为 焦耳 重物下落的势能为 焦耳

7、 若用下标“1”和“2”分别表示能量回馈前、后各量的值。 则由能量守恒定律，有 即 2 1 2 c Ecu 2 1 2 J EJ m Emgh 111222cJmCJm EEEEEE 2222 111222 1111 2222 cujmghcuJmgh 解此式，可得能量回馈后电容上的电压为 在上面的计算中 C滤波电容的数值 单位为F； J负载及电机转子的转动惯量 单位为kgm2； m负载的质量 单位为Kg； 电机角速度 单位为rad/s； h重物负载的高度 单位为m; g重力加速度常数 单位9.81m/s2; u电容上电压 单位V。 上面的计算中忽略了电机中消耗的电能及一些摩擦产生的 热能，这

8、些损耗相对来说比较小。 222 12 2112 2() () mg hhJ uu Cc 例4-1一直流伺服电机采用PWM桥式功放电路驱动，功放 电路中滤波电容C=5000 ，电容上的电压在能量回馈前 为100V，电机及其负载的转动惯量 。负载做 非垂直性运动，求当电机转速从3000rpm降至零速时，C 上的电压升高至多少？ 解：3000rpm=3000 rad/s =314 rad/s 本例中，若电机及其负载的转动惯量增加一倍，即,则可 以算出u2=298V，可见转动惯量对泵升电压的影响是较大 的。 32 2 10JKgm F 3 2222 211 6 2 10 (0)100314222 50

9、00 10 J uuV C 2 60 232 1 11 2 10314 22 1972() 0.05 J dd J E PW tt KP电流控制器增益；KpA功率放大器电压放大倍数；KL滤波器增益； TL滤波器时间常数。 Us 电网电压波动引起的绕组电压变化 KPKPWM Rf ia - Us 1 1 e T S L K i u - 1/R ( )( ) 1 PPWMfL e KKRK G s H s T s ( )( ) ( )1( )( )1 i ai i i sKG s u sG s H sT s 1 i fL K RK 1 e i pPWMfL T T KKRK aii iK u ie TT 对输入指令的响应对输入指令的响应 KPKPWM Rf ia - Us 1 1 e TS L K i u - 1/R / as iuR /R 1 s a PPWMLf u i KKKR C1=0； R3/R1=Kvp 对输入指令的响应对输入指令的响应 K( )( ) ( )1( )( )T