5.3 直流伺服电机的工作原理及驱动 一、直流伺服电机的结构与工作原理

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1 5.3 直流伺服电机的工作原理及驱动 一、直流伺服电机的结构与工作原理
结构与直流电动机相同，由定子、转子和换向器 三部分构成，根据定子磁场的产生方式可以分为： 电磁式 永磁式 + Ua － SM Ia If + Uf － + Ua － SM Ia E E 电磁式 永磁式

2 一、直流伺服电机的结构与工作原理 N N 电刷 电刷 ＋ U － ＋ U － S S 换向片 换向片

3 二、直流伺服电机的固有特性 1）直流伺服电机的转矩特性 电枢回路方程： 反电动势方程： 电机转矩与电流方程： 转矩方程（忽略摩擦力）：

4 1）直流伺服电机的转矩特性 忽略电枢电感，可以得到如下方程：

5 1）直流伺服电机的转矩特性 直流伺服电机转矩特性
不同的电枢电压可以得到一族斜率为负的直线，称为 直流电机的机械特性，由公式可知为和KT和KE为常数，R 对于机械特性的影响很大

6 2）直流伺服电机的调速特性 直流伺服电机的调速原理： 调速方法： （1）改变电枢外加电压u （2）改变励磁磁通 （3）改变电阻阻值

7 2）直流伺服电机的调速特性 对转子绕组所施加的电压u增加，则电机工作转速增 加，电压正比于转速
调速特性曲线为一族斜率为正的直线，斜率越大，说 明调速范围越宽，调速特性越好 当负载转矩T增加，其工作转速降低 直流伺服电机调速特性

8 三、直流伺服电机控制与驱动 1）脉宽调制（PWM）方法： Pulse Width Modulation 驱动电压： 占空比：=/T

9 （PWM）电路： 基本电路：锯齿波生成电压比较方波输出功率放大 实用电路：三角波生成电压比较方波输出功率放大

10 2）可逆PWM变换器: 可逆PWM变换器主电路有H型、T型多种形式，最常用的是桥式（亦称H型）电路 这时，电动机两端电压的极性随开关器件基极驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里只着重分析最常用的双极式控制的可逆PWM变换器

11 2）可逆PWM变换器: （1）双极式可逆PWM变换器，主电路结构 VT1 VT3 Ug1 Ug3 - + M VT2 VT4 Ug2 Ug4
VT1，VT4一组； VT2，VT3一组 +Us 驱动电压：Ug1=Ug4；Ug2=Ug3 = - Ug1 VT1 VT1 VT3 VT3 VD1 VD3 Ug1 Ug1 Ug3 Ug3 M + - A B M VT2 VT2 VT4 VT4 VD2 VD4 Ug2 Ug2 Ug4 Ug4 4个续流二极管 VD1~VD4 桥式可逆PWM变换器

12 2）可逆PWM变换器: 正向运行电流流向： VT1 VT3 Ug1 Ug3 - + M VT2 VT4 Ug2 Ug4 M
+Us Ug1 =Ug4=+ VT1 VT1 2 VT3 VT3 VD1 VD3 Ug1 Ug1 Ug3 Ug3 M + - A B M VT2 VT2 VT4 VT4 VD2 VD4 Ug2 Ug2 1 Ug4 Ug4 桥式可逆PWM变换器

13 2）可逆PWM变换器: （2） 工作状态与波形 ① 正向运行： 在0≤t≤ton 期间，Ug1=Ug4为正，VT1 、VT4导通，Ug2 =Ug3为负，VT2 、VT3截止，电流id沿回路1流通，电动机 M两端电压UAB =+Us 在ton≤t≤T 期间，Ug1=Ug4为负，VT1 、VT4截止；由于电感储存很大能量，放电，维持电流方向不变，这时通过VD2 、VD3续流，并钳位使VT2 、 VT3保持截止，电流 id 沿回路2流通，电动机 M两端电压UAB =–Us

14 2）可逆PWM变换器: 输出波形： U, i Ud E id +Us t ton T -Us O 正向电动运行波形

15 2）可逆PWM变换器: 反向运行电流流向： VT1 VT3 Ug1 Ug3 - + M VT2 VT4 Ug2 Ug4 M
+Us Ug2 =Ug3=+ Ug2 =Ug3= - VT1 VT1 4 VT3 VT3 VD1 VD3 Ug1 Ug1 Ug3 Ug3 M + - A B M VT2 VT2 VT4 VT4 VD2 VD4 Ug2 Ug2 3 Ug4 Ug4 桥式可逆PWM变换器

16 2）可逆PWM变换器: （2） 工作状态与波形 ② 反向运行：先分析 ton→T 阶段 在ton≤t≤T期间，Ug2 =Ug3为正，VT2、 VT3导通，Ug1=Ug4为负，使VT1、VT4截止，电流–id 沿回路3流通，电动机M两端电压UAB =–Us 在T≤t≤T+ton (下一周期的0≤t≤ton ) 期间，Ug2 =Ug3为负，VT2 、VT3截止，VD1、 VD4 续流，并钳位使 VT1、VT4截止，电流 –id 沿回路4流通，电动机M两端电压UAB= +Us

17 2）可逆PWM变换器: 输出波形： U, i Ud E id +Us t ton T -Us O 反向电动运行波形

18 •当 ρ > 0时，ton > T/2 ，Ud =+，电机正转
2）可逆PWM变换器: 输出的平均电压： 双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为： 为占空比 •当 ρ > 0时，ton > T/2 ，Ud =+，电机正转 •当 ρ < 0时，ton < T/2 ，Ud =-，电机反转 •当 ρ = 0时，ton = T/2，电机停止

19 c）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区 d）低速平稳性好，系统的调速范围可达1:20000 左右
2）可逆PWM变换器: 性能评价： 双极式可逆PWM变换器的优点： a）电流一定连续 b）可使电机在四象限运行 c）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区 d）低速平稳性好，系统的调速范围可达1:20000 左右 e）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽， 有利于保证器件的可靠导通

20 2）可逆PWM变换器: 性能评价： 双极式可逆PWM变换器的缺点： a）在工作过程中，4个大功率晶体管可能都处于 开关状态，开关损耗大 b）在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止上述情况，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时