伺服驱动系统直流电机

1、第五章 伺服驱动系统直流电机的优点：直流电机的优点：（1）调速性能好调速性能好: : 调速范围广，易于平滑调节。调速范围广，易于平滑调节。（2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。（3）易于控制。易于控制。应用：应用：（1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。调速范围大的大型设备。（2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。（3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具。家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具。5.3 5.3 直流直流电机电机

2、（1 1） 直流电机的构成直流电机的构成直流电机由定子、转子和机座等部分构成。直流电机由定子、转子和机座等部分构成。励磁式直流电动机结构励磁式直流电动机结构电磁圈电枢电枢导体磁极1. 转子转子（又称电枢）（又称电枢） 由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。2. 定子定子定子的分类：定子的分类：永磁式：由永久磁铁做成。永磁式：由永久磁铁做成。励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中 通过直流电，形成电磁铁通过直流电，形成电磁铁。励磁的定义：励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电磁极上的线圈通以直流电 产生磁通，称为励磁。产生磁通，称为励磁。

3、直流电动机模型的定子有一对主磁极，安装在机座上，机座也叫磁轭，是主磁极磁力线的通路。磁极与磁轭都是用导磁良好的钢铁制成。 在主磁极上有励磁绕组，绕组通电后就会在两个主磁极间产生主磁场。 直流电机转子也称为电枢，电枢铁芯由导磁良好的硅钢片叠成，铁芯圆周均匀分布18个槽，用来嵌放电枢绕组。电枢铁芯直径比主磁极间距离略小点。 把绕制好的电枢绕组嵌入电枢槽内，每个绕组都有一对引出线。 换向器有18个铜制换向片，排成圆筒形，固定在一个绝缘套筒上，换向片间留有缝隙，相互绝缘。图上用两个角度展示换向器的外观。 把换向器安装在电枢转轴上，把电枢绕组的引出线按规律焊接在换向片上。 为散去电机发出的热量，还要在电

4、枢转轴上安装风扇。 电枢绕组通过电刷供电，电刷的主要成份是石墨，导电良好又润滑。电刷固定在电刷座窝内，由弹簧片压向换向器。 本模型有两个主磁极，故有两个电刷组，每个电刷组由两个电刷构成。电刷组固定在电刷座上，构成电刷装置。把电枢插入定子主磁极间 在电机两侧装上端盖（剖面），端盖上有轴承，支持电枢的旋转。电刷装置也固定在端盖上。 在电机端盖上有散热通风孔，在机座上有出线盒。（2） 直流电机的额定值直流电机的额定值 l直流电机的额定值主要有下列几项：直流电机的额定值主要有下列几项：l（1）额定功率额定功率：是指电机的输出功率，对发电机系指出线是指电机的输出功率，对发电机系指出线端输出的电功率。对电

5、动机系指转轴上输出的机械功率。单端输出的电功率。对电动机系指转轴上输出的机械功率。单位为位为WW或或kWkW。l（2）额定电压：额定电压：是指在额定工作条件下，电机出线端的平是指在额定工作条件下，电机出线端的平均电压。对于电动机是指输入额定电压，对于发电机是指输均电压。对于电动机是指输入额定电压，对于发电机是指输出额定电压。单位为出额定电压。单位为V V。l（3）额定电流：额定电流：是指电机在额定电压下，运行于额定功率是指电机在额定电压下，运行于额定功率时的电流值。时的电流值。 单位为单位为A A。l（4）额定转速：额定转速：是指对应于额定电压、额定电流、电机运是指对应于额定电压、额定电流、电

6、机运行于额定功率时所对应的转速。单位为行于额定功率时所对应的转速。单位为r rminmin。l（5）额定转矩：额定转矩：是在额定电压、额定负载下，电动机转轴是在额定电压、额定负载下，电动机转轴上产生的电磁转矩称为电动机的额定转矩。单位为上产生的电磁转矩称为电动机的额定转矩。单位为N.MN.M。（3） 直流电机的数学模型直流直流电机电机: : (a) 转子上的力转子上的力, (b)等效电路等效电路, , (c) 力力- -速度特性曲线速度特性曲线数学模型电枢上的力矩电枢上的力矩 T=BbLi=i 是每个是每个电枢绕组的磁电枢绕组的磁通量。通量。实际上有不止一个电枢绕组，实际上有不止一个电枢绕组，

7、L为导体为导体有效长度，有效长度，b为极距，为极距，B一个主磁极下一个主磁极下的平均气隙磁通密度的平均气隙磁通密度T=kii=KtiKt 是转矩常数是转矩常数. .数学模型 反向电动势反向电动势Vb Vb=kv=KvKv 反向电动势反向电动势常数常数bvVvVkVKiRRRvv()()tttvkKTkiVkVKRR数学模型数学模型tKVR转速转速力力矩矩不同不同V V值所对值所对应的直线应的直线v()()tttvkKTkiVkVKRR工工作作原原理理U+NS电刷电刷换向片换向片 直流电源直流电源电刷电刷换向器换向器线圈线圈II（4） 有刷有刷直流直流电机电机转子 磁极磁极电流电刷开口环换向器

8、定子注意：注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上。电刷压在换向片上。 由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，使线圈逆时针旋转。使线圈逆时针旋转。FFU+NS电刷电刷换向片换向片IIFFU+NS电刷电刷换向片换向片IIEE 由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势，感应电动势的方向与电圈中产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的方向相反。流的方向相反。（5）带励磁线圈的直

9、流电机 (a) 串串励励电机电机, , (b)并并励电机励电机, , (c) 复励电机复励电机, , (d) 他励电机他励电机, , (e)力力- -转速特性曲转速特性曲线线励磁线圈励磁线圈电枢线圈电枢线圈励磁线励磁线圈圈电枢线圈电枢线圈励磁线圈励磁线圈电枢线圈电枢线圈励磁线励磁线圈圈电枢线圈电枢线圈励磁线圈励磁线圈力力矩矩转速转速并并励励复励复励串励串励 根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的直流电机又可细分为：直流电机又可细分为：他励电动机：他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。励磁线圈与转子电枢的电源分开。并励电动机：并励电动机：励磁线圈

10、与转子电枢并联到同一电源上。励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。串励电动机：串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。复励电动机：复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。同一电源上。M他励他励UfIfIaUM并励并励UIfM串励串励UM复励复励U带励磁线圈的直流电机aki 电枢和励磁线圈串联电枢和励磁线圈串联, ,从而有相同的电流从而有相同的电流iaaTkiKi在启动在启动, ,0,aVwiRaVTKiKR 这种电机电阻小这种电机电阻小, ,因此具有高起因此具有高起动转矩、高空载速度。动

11、转矩、高空载速度。机械特性软，启动机械特性软，启动转矩大，调速方便转矩大，调速方便励磁线圈励磁线圈电枢线圈电枢线圈力力矩矩转速转速串励串励带励磁线圈的直流电机 因为因为 Ri 很小很小bbVvRiv因为因为 和和 与与 i成比例成比例bvvk所以所以 V 与与成比例成比例ivVk iV 是常数是常数 ，所以速度和电流成反比，所以速度和电流成反比励磁线圈励磁线圈转子线圈转子线圈力力矩矩串串励励转速转速带励磁线圈的直流电机 它提供最低的起动转矩和一个低它提供最低的起动转矩和一个低得多的空载速度，具有良好的调速得多的空载速度，具有良好的调速机械特性硬，启动转矩小，调速性能好机械特性硬，启动转矩小，调

12、速性能好并励并励力力矩矩转速转速转子线圈转子线圈励磁线圈励磁线圈励磁励磁线圈线圈电枢电枢线圈线圈带励磁线圈的直流电机 机械特性软硬适中，机械特性软硬适中，启动转矩大，调速启动转矩大，调速方便。方便。励磁线励磁线圈圈电枢线电枢线圈圈励磁线励磁线圈圈复励复励力力矩矩转速转速复励复励并励并励串励串励力力矩矩转速转速（6）直流电动机调速控制调速方法：改变电枢回路电阻值调速方法：改变电枢回路电阻值 改变励磁电流改变励磁电流 改变电枢电压改变电枢电压 混合调速混合调速直流电动机调速控制电气原理图电气原理图改变励磁电流调速改变励磁电流调速整流电路整流电路启动电阻启动电阻调速电阻调速电阻能耗制动接触器能耗制动

13、接触器工作接触器工作接触器切除启动电阻切除启动电阻接触器接触器 有刷直流电机的控制 (a) PWM电路原理电路原理 电子控制高频开电子控制高频开 关进行直流斩波关进行直流斩波电压电压电源电源电压电压时间时间斩波斩波电压电压时间时间(b) 通过通过斩波直流电压改斩波直流电压改 变电枢电压变电枢电压控制电机H-桥A 功能功能1 正转正转0 停止停止B 功能功能1 反转反转0 停止停止ABCD 功能功能1001正转正转0110反转反转1100抱闸抱闸0011抱闸抱闸1010熔断测试熔断测试0101熔断测试熔断测试ABCD 功能功能1001正转正转ABCD ABCD 功能功能01100110反转反转A

14、BCD 功能功能1001正转正转0110反转反转1100抱闸抱闸0011抱闸抱闸1010熔断测试熔断测试0101熔断测试熔断测试L298全桥驱动电路全桥驱动电路双极晶体管作为大电流开关双极晶体管作为大电流开关逻辑禁止无效操作逻辑禁止无效操作最大值最大值2A2A速度的反馈控制 Position ControlVelocity ControlCurrent ControlOther CommandPC orMicrocomputerMotorDriverServoMotorControllerMotorEncoderPWMCurrentPositionVelocityCurrentOther In

15、formationPosition ControlVelocity ControlCurrent ControlOther CommandPC orMicrocomputerMotorDriverServoMotorControllerMotorEncoderPWMCurrentPositionVelocityCurrentOther InformationMechanismCommunicationApparatus forControlPersonalComputerRS-232CRS-485DC MotorRING-SERVORING-DC MotorRING-RING-DC Motor

16、PowerModuleRING-SERVOEncoderDC MotorPowerModuleRING-SERVOEncoderSignalConverterControlPower SupplyMotor DriverMotor DriverMotorControllerMotorControllerMotorDriverMechanismCommunicationApparatus forControlPersonalComputerRS-232CRS-485DC MotorRING-SERVORING-DC MotorRING-RING-DC MotorPowerModuleRING-S

17、ERVOEncoderDC MotorPowerModuleRING-SERVOEncoderSignalConverterControlPower SupplyMotor DriverMotor DriverMotorControllerMotorControllerMotorDriverPIC单片机电机控制器设计实例单片机电机控制器设计实例控制原理系统构成 One cycle 400s(2.5 KHz)00000000111111111122222222220000P1P2P3P32P30P4P5P31P6P7P8P29P27P9P10P28P11P12P13P14P15P16P17P18

18、P19P20P21P22P23P24P25P26One processor 12.5sEncoder CounterProcessor BlockP5,P6,P7: Position measurement and controlP9,P10,P11: Velocity measurement and controlP13,P14,P15: Current measurement and controlP17,P18,P19: Trapezoidal velocity controlP21,P22,P23: PWM output of position and velocity control

19、P25,P26,P27: PWM output of current controlP29: CalibrationP31: Data monitor processingP1,P2,P3: Data communicationP30: Position limitP4: Measurement of current, on/off of FETP8: Measurement ofcurrent, on/off of FETP12: Measurement ofcurrent, on/off of FETP16: Measurement ofcurrent, on/off of FETP20:

20、 Measurement ofcurrent, on/off of FETP24: Measurement ofcurrent, on/off of FETP28: Measurement ofcurrent, on/off of FETP32: Measurement of current, on/off of FETOne cycle 400s(2.5 KHz)00000000111111111122222222220000P1P2P3P32P30P4P5P31P6P7P8P29P27P9P10P28P11P12P13P14P15P16P17P18P19P20P21P22P23P24P25

21、P26One processor 12.5sEncoder CounterProcessor BlockP5,P6,P7: Position measurement and controlP9,P10,P11: Velocity measurement and controlP13,P14,P15: Current measurement and controlP17,P18,P19: Trapezoidal velocity controlP21,P22,P23: PWM output of position and velocity controlP25,P26,P27: PWM outp

22、ut of current controlP29: CalibrationP31: Data monitor processingP1,P2,P3: Data communicationP30: Position limitP4: Measurement of current, on/off of FETP8: Measurement ofcurrent, on/off of FETP12: Measurement ofcurrent, on/off of FETP16: Measurement ofcurrent, on/off of FETP20: Measurement ofcurren

23、t, on/off of FETP24: Measurement ofcurrent, on/off of FETP28: Measurement ofcurrent, on/off of FETP32: Measurement of current, on/off of FET设计思路控制器和驱动器基于PIC的控制器基于FPGA的驱动器（7） 无刷永磁电动机无刷永磁电动机(a) (a) 无刷永磁电机无刷永磁电机, (b) , (b) 晶体管开关晶体管开关 永磁转子永磁转子定子线圈定子线圈线圈线圈A线圈线圈B传感器传感器传感器传感器传感器传感器线圈线圈C三相无刷直流电机结构AaBCbc不通电不

24、通电正向通电正向通电反向通电反向通电SN工作原理工作原理48无刷电机结构无刷电机结构无刷直流电机从无刷直流电机从结构结构上来看，上来看，与传统的直流电机主要区别与传统的直流电机主要区别在于：在于：l 无刷电机具有旋转的永磁无刷电机具有旋转的永磁转子和固定的电磁绕组；转子和固定的电磁绕组；l 有刷电机具有旋转的电枢有刷电机具有旋转的电枢绕组和固定的永磁定子。绕组和固定的永磁定子。无刷电机的结构无刷电机的结构无刷直流电机本质上可看无刷直流电机本质上可看作是一台用电子换相装置作是一台用电子换相装置取代机械换相装置的直流取代机械换相装置的直流电机。电机。安装在电机上的位置传感安装在电机上的位置传感器来

25、检测转子在运转过程器来检测转子在运转过程中的位置。中的位置。控制器为电子换相电路提控制器为电子换相电路提供正确的换相信息，来控供正确的换相信息，来控制电子换相电路中的功率制电子换相电路中的功率开关管的开关状态，保证开关管的开关状态，保证电机各相按正确顺序导通，电机各相按正确顺序导通，在空间形成跳跃式的旋转在空间形成跳跃式的旋转磁场，驱动永磁转子连续磁场，驱动永磁转子连续不断地旋转。不断地旋转。无刷电机的换相原理无刷电机的换相原理 优点优点我们假设在我们假设在A A、B B、C C三相电三相电流流入为正，电流方向与线流流入为正，电流方向与线圈产生磁场方向相同。圈产生磁场方向相同。如图中第如图中第

26、1 1步步 所示，所示， 对对C C相相施加正向电压，对施加正向电压，对B B施相加施相加反向电压，反向电压，A A相处于高阻态，相处于高阻态，C C、B B两相产生的合磁场方向两相产生的合磁场方向指向方位指向方位1 1。在第在第2 2步步 状态，对状态，对A A相施加正相施加正向电压，对向电压，对B B相施加反向电相施加反向电压，压，C C相处于高阻态，相处于高阻态，A A、B B两相产生的合磁场方向指向两相产生的合磁场方向指向2 2 。磁场偏转产生电磁扭矩，。磁场偏转产生电磁扭矩，驱动永磁转子旋转。驱动永磁转子旋转。无刷电机的换相原理无刷电机的换相原理如此循环往复，便可以实现无刷如此循环往复，便可以实现无刷直流电机的连续工作。直流电机的连续工作。无刷直流电机正转的换相状态图无刷直流电机正转的换相状态图如图所示。如图所示。电机反转与之类似。电机反转与之类似。无刷电机驱动电路的基本结构无刷电机驱动电路的基本结构无刷电机驱动要完成的两个基本功能：换相和调速无刷电机驱动要完成的两个基本功能：换相和调速 无刷直流电机的电子换相无刷直流电机的电子换相和调速需要逆变器来完成，逆和调速需要逆变器来完成，逆变器用来控制电动机定子上各变器用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间。功相绕组通电的顺序和时间。功率开关单元是换相电路的核心。率