第五章 机电传动伺服系统

1、 第5章 机电传动伺服系统 随着自动控制理论的发展， 到20世纪中期，伺服系统的理 论与实践趋于成熟，并得到广泛 应用。近几十年来在新技术革命 的推动下，特别是伴随着微电子 技术和计算机技术的飞速进步， 伺服技术更是如虎添翼突飞猛进， 其应用几乎遍及社会的各个领域。 伺服系统在机械制造行业中用得最多 最广，各种机床运动部分的速度控制、运 动轨迹控制、位置控制，多是依靠各种伺 服系统来控制的。他们不仅能完成转动控 制、直线运动控制，而且能依靠多套伺服 系统的配合，完成复杂的空间曲线运动的 控制，如仿型机床的控制、机器人手臂关 节的运动控制等。高精度的伺服系统可以 完成的运动精度高、速度快，并可以

2、完成 依靠人工操作是不可能达到的控制。 伺服系统还大量应用在人工无法操 作的场所中，如在冶金工业中，电 弧炼钢炉、粉末冶金炉等的电极位 置控制，水平连铸机的拉坯运动控 制，轧钢机轧辊压下运动的位置控 制等、在运输行业中，电气机车的 自动调速、高层建筑中电梯的升降 控制、船舶的自动操舵、飞机的自 动驾驶等，都广泛应用各种伺服系 统，从而减缓操作人员的疲劳，也 大大提高了工作效率。 在军事上，伺服系统用得 更为普遍，雷达天线的自动瞄 准跟踪控制、高射炮、战术导 弹发射架的瞄准运动控制、坦 克炮塔的防摇稳定控制、防空 导弹的制导控制、鱼雷的自动 控制等，真是不胜枚举。 伺服系统除了应用在上述 各种大

3、型机电系统上外，在精 密仪器和计算机外围设备中， 也采用了不少何服系统，如自 动绘图仪的画笔控制系统、磁 盘驱动系统等。 如今我国已成为世界上少有的 几个能生产激光电视放像系统的国 家，用激光将信息录制在光盘上， 一圈信息在电视机上构成一幅画面， 放像过程使用很细的激光束沿信息 道读取信息，各信息具有相应的控 制精度，以保证获取清晰稳定的画 面。这种具有高精度伺服系统的激 光电视放像机，已开始进人人们的 家庭生活中。 伺服系统的应用越来越广泛， 大到控制巨型雷达天线，及时准 确的跟踪人造卫星的发射，小到 用线圈来控制电视放像机的激光 头，从国防、工业生产、交通运 输到家庭生活，而且必将发展应

4、用到更新的领域。本章将重点介 绍直流伺服和交流伺服系统的组 成以及伺服系统的设计方法。 5.1伺服系统中主要元器件 5.1.1直流伺服电动机 直流伺服电动机实际上是一种微 型他励直流电动机。和普通直流电动 机不同的是，这种直流电动机虽然也 是实现电到机的转换，但它更注重的 是其控制性能的指标，如快速性、灵 敏性、特性线性度以及控制功耗和动 静态指标等。 直流伺服电动机用在机电一 体化设备中，作为执行元件，接 受电气控制系统发来的运行指令， 并将其转化为与之相对应的机械 运动量（如转速、角位移、角速 度等）。常用在机床装置的坐标 进给驱动系统中和一些机械设备 的辅助驱动机构中等。 目前，直流伺服

5、电动机的输 出功率一般在1 W到数百瓦的范 围内，少数的可达几个千瓦。转 速从每分几百转到上万转不等， 多数在2000一6 000 r/min之 间 。 电 压 等 级 有 6 , 9 、 12,24,27,48,110,220 V等。改 变电枢端电压和电枢绕组电阻对 机械特性的影响同他励直流电动 机一样。 1直流伺服电动机的基本类型 直流伺服电动机也有电磁 式和永磁式两种，但多为永磁 式。它的良好控制性能主要是 由于具有特殊的转子结构。根 据其结构的不同，直流伺服电 动机有以下的几种类型。 （1)普通电枢直流伺服电动机 这种伺服电动机具有与动力直流 电动机基本相同的结构。即电磁式或 永磁式定

6、子，转子由带槽的铁心和嵌 放于槽中的电枢绕组构成。但相对而 言，电枢的长度与直径比较大，即它 属细而长型转子。大中容量的直流伺 服电动机一般都是这种结构，产品容 量从几瓦到几百瓦甚至数千瓦。 同时也由于这种转子结构， 使它具有较强的负载能力，较大 的堵转转矩，因此它特别实用于 大负载的伺服系统。但由于转子 结构复杂、体积较大，使得该电 动机的机械惯性（时间常数）较 大，低速时运行平稳性较差，控 制死区较大。 (2）盘形电枢直流伺服电动机 这种电动机定子为永磁式。它的 转子为一圆盘结构（即长度直径比小 于1)，电枢有线绕式（线绕盘式）和 印刷电路式（印刷盘式）之分。该电 动机结构简单、体积小、转

7、子重量轻， 因此，转子的机械惯性小（通常机种 的机械时间常数小于30 ms），但堵 转转矩小。线绕盘式电动机容量可达 数千瓦，印刷盘式的容量小一些。 (3)空心杯电枢直流伺服电动机 该电动机转子以一空心杯构体 为骨架，其杯壁上放置（或印制） 电枢绕组。其电枢绕组可以是绕线 式绕组也可以是印刷式绕组。定子 为永磁式。这种伺服电动机以机械 惯性极小著称，控制灵敏度高，几 乎无控制死区，其体积可做得非常 小且重量轻。但堵转转矩较小，目 前它的容量还不能做得很大，是一 种微型伺服电动机。 (4)无槽电枢直流伺服电动机 无槽电枢直流伺服电动机与普通 电枢直流伺服电动机的唯一区别是它 的转子铁心不开槽，电

8、枢绕组用固定 胶粘贴在电枢表面。这种伺服电动机 具有较大的负载能力，较大的堵转转 矩，电动机容量可以做的较大，低速 平稳性好。 (5)直流伺服齿轮减速电动机 这种伺服电动机是将微型直 流电动机和一套高精度齿轮减速 装置组装成一整体。直流伺服电 动机的输出转速经过减速机构减 速输出。因此，这种电动机的最 大特点是可以输出极低的速度 （可低达零点几转每分）且低速 时运行非常平稳。它特别适用于 低速大力矩系统。 (6)直流力矩电动机 直流力矩电动机是一种低速大 力矩伺服电动机。它能在不需要中 间减速机构的情况下直接拖动负载 实现低速大力矩的平稳运行，甚至 可以工作在堵转情况下且无爬行现 象，又具有很

9、高的稳速精度。因此， 特别适用于那些常用于较低速度且 又有相当负载能力要求的场合。直 流力矩电动机在结构上和普通电枢 直流伺服电动机相同。 它的定子主磁极数较多（通常6一8 极），它通常做成扁平结构，电枢 长度与直径之比一般仅为0.2左右 （即外表呈现圆盘状）。它有内装 式和分装式两种结构。内装式与一 般电动机一样由生产厂装配成一整 体。分装式将定子、转子和刷子三 大部分分离出厂，使用时现场装配， 转子直接套在负载轴上，机壳可根 据需要自行选配。 2直流伺服电动机驱动模块 由于直流伺服电动机实际上就 是一台小容量的他励直流电动机， 因此，普通直流电动机的各种驱动 模块实际上均可用来驱动直流伺服

10、 电动机。但是，一般而言，直流伺 服电动机的容量远小于普通驱动用 直流电动机，即电枢驱动容量较小， 而普通直流电动机的驱动模块通常 都是应用于中大容量的电动机作为 电力驱动。 另外，作为伺服电动机由 于其控制的线性度、灵敏性和 快速性等的特殊要求，对驱动 模块的动静态特性也有相应的 要求。因此，直流伺服电动机 往往需要有自己专门的驱动模 块。 2直流伺服电动机驱动模块 由于直流伺服电动机实际上就是 一台小容量的他励直流电动机，因 此，普通直流电动机的各种驱动模 块实际上均可用来驱动直流伺服电 动机。但是，一般而言，直流伺服 电动机的容量远小于普通驱动用直 流电动机，即电枢驱动容量较小， 而普通

11、直流电动机的驱动模块通常 都是应用于中大容量的电动机作为 电力驱动。 另外，作为伺服电动机由 于其控制的线性度、灵敏性和 快速性等的特殊要求，对驱动 模块的动静态特性也有相应的 要求。因此，直流伺服电动机 往往需要有自己专门的驱动模 块。 适用于直流伺服电动机的 典型驱动电路实际上是一种直 流线性功率放大器，它将直流 控制信号直接进行电压和功率 放大而驱动直流伺服电动机， 如图5 1所示。因此，直流伺 服电动机的驱动模块又叫做直 流伺服放大模块。 直流伺服放大模块有用电子 功率器件（GTR等）构成和用专 用功率集成电路构成两种。 直流伺服电动机驱动模块的基本 形式及原理 原理上，直流伺服电动机

12、 驱动模块也由功率电路和控制 电路两部分构成。而功率电路 原理上有两种基本形式，如图 5.2所示。这两种基本形式分 别叫电压控制型（DSMDRV） 和电流控制型（DSMDRC）。 这两种基本形式的共同点是 控制信号（这里叫输人信号） Uk施加于功率晶体管VT的基极， 另一点是电路中的功率晶体管VT 可以工作于开关状态、又可以工 作于线性放大区。E为模块的工 作电源，其实它才是电动机的主 电源，是一直流电源。 图示5.2a方式中，由功率 晶体管VT构成的射极跟随器的 负载是电动机DSM。一若略去 晶体管VT的基极与发射极间电 压Ub,(约为0.6 V左右)，则输人 电压认相当于直接加在电动机 上

13、，所以UK直接控制着电动机 的电枢电压，因此，这种称为 电压控制型。 这时电动机的电流几乎 与晶体管的特性无关，由电 动机本身的特性决定。 5. .1. .2交流伺服电动机 1交流伺服电动机的基本类型 与普通交流电动机类似，交流伺服 电动机也分为异步和同步两种。两相交 流伺服电动机原理上就是一台两相异步 电动机。它的定子上正交放置两相绕组， 这两相绕组一个叫励磁绕组，另一相为 控制绕组。转子一般有两种结构形式， 一种是笼型转子，这种转子的结构与普 通笼型感应电动机的转子相同；另一种 是非磁性空心杯转子，其结构如图5.7所 示。 笼型转子与空心杯转子比较。 前者输出力矩大、结构简单、励 磁电流小

14、、效率高，唯一不足是 转子转动惯量大，因而动态响应 不如空心杯转子快。空心杯转子 具有惯性小，反应灵敏，调速范 围大、但这种电动机的励磁电流 较大，因而功率因数和效率较低。 运行时，励磁绕组一般施 加固定单相交流电压，通过对 控制绕组的控制电压进行必要 的控制来实现对转速的调节。 同时应注意，在相位上是不同 的。 2交流伺服电动机驱动模块 （ASMDR） 从两相交流伺服电动机原理分析， 可知道交流伺服电动机定子上有两相 正交绕组。一个是励磁绕组，作为电 动机工作磁场的建立；另一个是控制 绕组，作为电动机的运行控制，它们 都是加交流电压。交流伺服电动机的 控制方式有幅值控制、相位控制和双 相控制

15、三种。根据不同的控制方式， 交流伺服电动机驱动模块有多种结构。 幅值控制是在励磁电压与控制电压相 位差（90）不变的情况下， 仅改变控 制电压的幅值来实现对电动机转速的控 制。这时两相伺服电动机控制电路应具 有这样三大功能：对励磁绕组施加固 定频率、固定相位的单相交流电源； 实现励磁电压与控制电压的固定分相 （90）；实现对控制电压的幅值调 节。幅值控制驱动模块原理结构如图5.8 所示。 90分相电路可以采用简单的 阻容分相电路，也可采用移相 控制电路，它的作用是实现励 磁电压与控制电压（90）分 相，对控制电压的幅值调节实 际上就是一种单相交流调压器。 相位控制是在励磁电压Uf的 幅值和相位

16、角f不变以及控制绕 组的控制电压Uo的幅值不变并且 与Uf的幅值相等的情况下，调节 Uo的相位，从而实现对电动机转 速的调节。因此，它的驱动模块 在原理上就是一个移相控制器， 如图5.9所示。 图5.10为两相伺服电动机的双相控 制示意图。双相控制就是使励磁电压Uf 与控制电压Uo随控制信号同时改变，并 始终保持两者相位差为90。这时的驱 动模块实际上就是两个完全相同的功率 放大器。伺服电动机的控制直接体现在 Ufk和Ukk上，Ufk与Ukk的相位差始终为 90。功率放大器的作用是将两个弱控 制信号ufk和Ukk进行功率放大。 下面介绍几种适用于两 相伺服电动机的驱动模块， 这些模块根据内部所

17、用的功 率器件和特点可分为：晶闸 管模块、晶体管式PWM驱动 模块、晶体管伺服放大模块。 （ 1 ) 晶 闸 管 式 驱 动 模 块 (ASMDR一SCR) 该模块是以晶闸管作为功率 元件构成模块主电路。用晶闸管 构成的两相伺服电动机幅值控制 模块主电路如图5.11a所示。 从图中看出，它是一个用晶闸 管构成的单相交流调压器，原理和 基本结构与交流电动机电子式调压 驱动模块的主电路类似。这里采用 的是两个单相调压器(VW1和VT3为 构成一个向控制绕组的A-M段供电， VT2和VT4向控制绕组的MB段供 电），这两个调压电路分别接在具 有中间抽头的两相伺服电动机控制 绕组上。 当控制电压Uk0

18、时，两个触发器 (A,B)输出相同触发角的触发脉冲，使输 出端AB的电压（控制绕组的总电压）为 零。当控制电压Uk0时，控制电动机 正转，且控制绕组的电压幅值UAB受Uk 的控制，从而控制电动机的正转转速。 当控制电压Uk0时，这时控制绕组的 交流电压UAB调相，电动机反转，Uk控 制伺服电动机反转转速。 用晶闸管构成的两相伺服电动机相位 控制模块主电路如图5 11b所示。该 模块在结构上与图5.11a基本相同，只 是在控制绕组上并联了一个电容C，它 是晶闸管的换向电容。该模块与幅值控 制模块的主要区别是四只晶闸管的触发 脉冲时刻安排不同，加之，换向电容的 辅助作用，便很容易实现相位控制。其

19、实，该模块在进行相位控制的同时幅值 控制也将受一定的影响，只不过这个影 响相比之下很小而已，可不考虑。 （2）晶体管式驱动模块 （ASMDR一RWM） 晶体管式驱动模块的内部主 电路是一个晶体管单相逆变器 电路。一个模块驱动一个绕组。 该模块主电路（晶体管单 相逆变器）的典型结构如图 5.12所示。 VT1一VT4为主晶体管，VDl VD4是主晶体管的保护二极管。 UD是模块的动力电源，为直流 电。各晶体管工作于一定频率的 交流脉冲状态，且相互的关系应 是：U,一U2，U3一U4； U1（一U2）与U3（一U4）的 脉冲频率与正负波周期相同；U1 （一U2）与U3（一U4）的相位 原则上不同。

20、 该模块主电路各点的波形如图5. .13 所示，图a是U（U4）滞后U1（ U2）的情况，图b是U1（ U2）滞 后U3（ U4）的情况，这两种情况 的输出电压Uo的相位正好相差 180(即调相)。从图中看出，输出Uo 的周期与GTR基极控制信号周期一致， 输出Uo的方波宽度（它决定了输出交 流电压基波幅值）由两组控制电压（一 组是U1（ U2），另一组U3（ U4）的相位差决定。 可见，这种电路将直流电压 UD变换成了一交变方波（交流 电）输出，其基波的频率由GTR 控制信号的频率决定，基波的幅 值由两组GTR控制脉冲相位差决 定，另外，输出电压的调相（反 向）是靠改变U1（一U2）与U3

21、（一U4）的超前滞后关系实现 的。 晶体管PWM驱动模块就是用 两套一样的这种逆变器分别驱动、 控制绕组和励磁绕组，如图5.14 所示。 在运行过程中，保持励磁绕 组驱动电路固定脉宽和频率输出， 主电路的典型结构按一定的脉宽 调制规律向控制绕组驱动电路的 四个晶体管（也遵循U1一U2， U3=一U4）基极发出控制脉冲， 使控制绕组电压Uc成为幅值不变 而脉宽可调的PWM波。 PWM驱动模块具有输出电 压谐波含量低（输出基本上为正 弦波），可方便实现电压幅值和 相位的变换且只需通过改变控制 脉冲方式，用PWM调制方式驱 动主晶体管同时实现输出电压幅 值和相位的控制，电路结构简单 可靠。 （3）晶体管交流伺服放大器式 驱动模块（ASMDR一AF） 该驱动模块内部电路实际上就是 一种交流功率放大器。因此，有 时简称为交流伺服放大器。它将 交流弱电控制信号直接进行动率 放大去推动交流伺服电动机的定 子绕组。它的最大特点是输出与 控制输入关系线性化。这里介绍 这类模块最常用的