机电一体化 课件 4.3 直流伺服电动机驱动控制

任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机

4机电一体化伺服驱动技术1直流伺服电动机的结构2直流伺服电动机的工作原理3

直流伺服电动机两种驱动控制电路任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机直流伺服电机实质是直流电动机，通过调节转子绕组的电流和电压很容易实现电机转角、转速和转矩的控制。在机电一体化系统中，直流伺服电动机，常用作半闭环和全闭环伺服系统的伺服驱动执行元件。位置和速度检测传感器常装于电机内部尾端同轴上。任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机

直流伺服电动机的结构与工作原理与他励直流电动机相同，只是为了减小转动惯量，电机做得细长一些。电枢电阻大，机械特性软、，可弱磁起动或直接起动。按励磁方式分：他励式和永磁式两种磁场由励磁绕组产生磁场由永久磁铁产生任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机1.直流伺服电动机的结构

定子转子主磁极：产生恒定的气隙磁通。电磁铁：铁心和励磁绕组构成；永久磁铁：永磁材料电刷装置：与换向片配合,完成直流与交流的互换。电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接机座和端盖：起支撑和固定作用。电枢铁心：主磁路的一部分，嵌放电枢绕组。由硅钢片叠压而成电枢绕组：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。在定子磁场的作用下产生带动负

载的电磁转矩

换向器：与电刷装置配合,完成直流与交流的互换；换向片与电枢导体相接转轴轴承气隙：在小容量电机中，气隙为0.5～3mm任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机如图所示：直流电流I，通过电刷A和换向器B为得到连续旋转运动，必须随着转子的转动角度变化，不断改变电流方向，即所供直流电流要不断变换方向流动，需要设置碳刷和换向器。直流电动机工作原理2.直流伺服电动机工作原理任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机2.直流伺服电动机工作原理任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机2.直流伺服电动机工作原理任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机2.直流伺服电动机工作原理任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机

电枢电势：电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势。其值为直流电机正、负电刷之间的感应电势，即每个支路里的感应电势:

一根导体在一个极距范围内平均感应电势：任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机

电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩:一根导体的所受平均电磁力：任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机

电压平衡方程式：直流伺服电动机转向改变方法（2种）改变电枢电压的方向改变励磁电流的方向任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机直流伺服电动机调速方法（3种）3.调磁调速1.调压调速2.电枢串电阻调速任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机3.直流伺服电动机两种驱动控制电路

控制直流电动机直流电压的大小与方向就可以控制电机的转速和转向。目前常用的驱动控制电路有两种方法：

线性驱动方式晶体管脉宽调制（PWM)开关驱动方式任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机线性驱动方式

利用运算放大器驱动大功率晶体管组成的线性驱动电路，对控制器发出的弱电信号Vin（几伏、几毫安），进行功率放大（放大为几百毫安的电流），输出足够大的电压与电流，直接驱动控制小功率直流伺服电动机运转。

3.直流伺服电动机两种驱动控制电路任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机直流电动机线性驱动电路原理图几伏、几毫安几百毫安3.直流伺服电动机两种驱动控制电路任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机线性驱动方式晶体管脉宽调制（PWM)开关驱动方式

图中开关S周期性的开和关，二极管VD周期性导通与截止，随着占空比

（

）不同，输出到直流电机转子绕组阻中的平均电压UVD也随之变化。3.直流伺服电动机两种驱动控制电路任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机PWM直流调速驱动系统原理图

PWM直流调速驱动系统原理图晶体管脉宽调制（PWM)开关驱动方式任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机PWM晶体管脉宽调制开关驱动方式电路原理图

目前常用PWM晶体管脉宽调制电路，作为开关驱动电路。PWM电路主要是由比较运算放大器、三角波或锯齿波发生器及大功率晶件管组成，以代替开关S，如图所示。晶体管脉宽调制（PWM)开关驱动方式任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.1有刷直流伺服电动机9/8/21任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机

4机电一体化伺服驱动技术任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机1无刷直流伺服电动机的结构2永磁无刷直流电动机伺服系统构成及工作原理3

永磁无刷直流电动机调速原理4

无刷直流电动机的特点任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机

无刷直流伺服电机

brushlessDCmotor(BLDCM)由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。

无刷直流电机是指无电刷和换向器（或集电环），电机的控制需要位置信息反馈，又称无换向器电机。从电机理论上讲，直流无刷伺服电机与交流永磁同步伺服电机相似。任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机1.无刷直流电机结构无刷直流电机和有刷直流电机的比较任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机说明：普通直流电动机的电枢在转子上，定子产生固定不动的磁场。为了使直流电动机旋转，需要通过换向器和电刷不断改变电枢绕组中电流的方向使两个磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的电磁转矩驱动电动机不断旋转。无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子制成永磁体，称为永磁无刷直流电机，这样的结构正好和普通直流电动机相反。任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机无刷直流电动机应用实例AGV自动导引运输车，又名无人搬运车任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机1.无刷直流电机结构任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机1.无刷直流电机结构任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机霍尔传感器的磁体分布与转子磁极的分布一致1.无刷直流电机结构任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机1.无刷直流电机结构任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机2.永磁无刷直流电动机伺服系统构成及工作原理无刷直流电动机伺服控制系统基本结构框图任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机逆变器:控制电机定子各相绕组通电顺序和时间位置传感器:实时检测转子位置控制器:无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心三者共同组成换相装置,起到电子换向器作用2.永磁无刷直流电动机伺服系统构成及工作原理任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机开关管的导通顺序决定共有6种导通状态,间隔60°电角度改变一次导通状态，每改变一次状态更换一个开关管，每个开关管导通180°电角度，导通的时间增加了。当VT1、VT2、VT3导通时，电流的线路为:三三导通方式电源正极VT1VT3A相绕组B相绕组C相绕组VT2电源负极其中A相绕组和B相绕组相当于并联，再与C相串联。因为三相同时通电，产生的转矩分量互有抵消，所以总的转矩并不比二二导通方式大。因此很少用。2.永磁无刷直流电动机伺服系统构成及工作原理任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机二二导通方式开关管的导通顺序决定共有6种导通状态,间隔60°电角度改变一次导通状态，每改变一次状态更换一个开关管，每个开关管导通120°电角度，每相绕组导通240°。当VT1、VT2导通时，电流的线路为:电源正极VT1A相绕组C相绕组VT2电源负极其中A相绕组和C相绕组相当于串联。这种连接方式比半桥方式绕组的利用率增加了,输出转矩也增加了。2.永磁无刷直流电动机伺服系统构成及工作原理任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机

控制六个MOS管的通断情况就可以让电机旋转起来。一般MOS管控制是需要专用的MOS管驱动IC来实现的。2.永磁无刷直流电动机伺服系统构成及工作原理任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机

当前时刻要选择图中“哪一步”，即换相

什么时候要给哪个绕组正电压、给哪个绕组负电压以及哪个绕组悬空？

获取当前转子所处位置信号，完成换相，控制

电机旋转。问题转子的位置信息的获取方法有两种：

（1）有传感器模式

（2）无传感器模式

2.永磁无刷直流电动机伺服系统构成及工作原理任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机电磁式传感器优点1：具有较高的强度，可经受较大的振动冲击，故多用于航空航天领域。优点2：电磁式位置传感器输出信号较大，一般不需要经过放大便可直接驱动开关管，但因输出电压是交流必须先整流和滤波缺点：传感器过于笨重，因而大大限制了其在普通条件下的应用。现在已经逐渐退出。

光电式传感器光敏三极管或光敏二极管的输出电信号一般都较弱，需要经过放大和整形才能去控制功率晶体管。

磁敏式传感器——霍尔元件霍尔无刷直流电动机结构简单,体积小，但安置和定位不便，元件片薄易碎，对环境及工作温度有一定要求，耐震差。实时检测转子位置的位置传感器有以下3种：任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机直流无刷电机中一般安装3个霍尔传感器，间隔120度或60度按圆周分布。如果间隔120度，则3个霍尔传感器的输出波形相差120度。转子旋转180度后转子磁极极性转换，因此输出信号中高、低电平各占180度。如果规定输出信号高电平为“1”，低电平为“0”，则输出的三个信号可用3位二进制编码表示。每60度编码改变一次。无刷电机中霍尔传感器输出波形及编码(霍尔传感器间隔120度)任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机无刷电机、电机驱动电路和控制器组成的系统（每一种电机的开关导通表会有差别）任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机3.永磁无刷直流电动机调速原理无刷直流电机的速度正比于电压，其控制特性与机械特性均与有刷直流电机基本相同。

用脉冲宽度调制技术(PWM)实现BLDC电机速度控制。任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机100%直接导通A-和C+,绕组中电流非常大,转子转动速度非常高。PWM的占空比,是高电平时间占总周期时间的比例。换成高频率(一般十几KH或几十KH)的PWM,保证A-和C+的PWM频率相等，且周期起始位置相同。加上电机绕组本身是感性负载,这样整体加在电机绕组上的电压就是0V到电源正电压(24V)之间，最终实现电机转动速度的控制。任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机无刷直流电机既具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列的优点，又具有直流电动机运行效率高（96%以上）、寿命长（2万小时以上）、噪音低、调速性能好等诸多的优点。

无刷直流电机驱动器可以控制转子维持在一定的转速，性能更加的稳定。

无刷直流电机是一种利用电子换向的小功率电动机。无刷直流电机广泛应用于现代生产设备、仪器仪表、计算机外围设备和高级家用电器。4.无刷直流电机的特点任务4.3直流伺服电动机驱动控制──4.3.2无刷直流伺服电动机9/8/21任务4.3直流伺服电动机驱动控制

──4.3.3直流伺服电动机的接线

4机电一体化伺服驱动技术1直流伺服电动机的铭牌2直流伺服电动机的驱动器3

直流伺服电动机的应用领域