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，并可以完成依靠人工操作是不可能达到的控

2、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，

3、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

4、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

5、 。 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

6、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

7、，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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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，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

13、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、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

14、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

15、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

16、于两相伺服电动机的驱动模块，这些模块根据内部所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

17、控制电压Uk0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。其实，该模块在进行相

18、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，VDlVD4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。 该模块主电路各点的波形如图5. .13所示，图a是

19、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（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

20、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两种电