直流电动机驱动及其控制

5.3直流电动机驱动及其控制5.3.1直流伺服电动机特性和调速原理5.3.2直流电动机的驱动调速方法5.3.3直流伺服系统的组成3.1直流伺服电动机特性和调速原理直流伺服电动机是伺服系统中使用最早，也是应用最广的执行元件。在性能要求较高的系统中多采用直流伺服电动机。

直流伺服电机的基本结构和工作原理与普通直流电机基本相同，不同之点只是它做得比较长一些，惯量小一些，以便能满足快速响应的要求。

根据直流电动机的工作原理，当给电动机的激磁绕组通以直流电时，会在电机气隙中建立极性不变的磁场(永磁电机由永久磁铁产生)。电枢绕组两端加直流控制电压Ua时，电枢绕组中便产生电枢电流Ia

，处于气隙磁场中的电枢载流导体受到磁场力的作用，产生电磁转矩M，驱动电动机转动起来。电机一旦旋转起来之后，电枢导体将切割气隙磁场产生感应电势Ea，其极性与Ua相反，称为反电势。当电机稳定运行的时候(转运n不变)，电磁转矩与空载阻转矩和负载转矩相平衡。

描述直流电机稳态(静态)特性的基本方程为：

上式中Ra－电枢总电阻(电枢绕组电阻和换向器接触电阻)；Ia－电枢总电流；Φ－每级磁通；J－折算到电机转轴上的转动惯量；电势系数Ce＝Np/60a，N为电枢绕组元件边数，p是极对数，a是电枢绕组的支路对数；力矩系数Cm＝Np/2πa。

根据上式可得直流电机的调速公式：

上式中，n0－理想空载转速；k－机械特性斜率。从上式可知，直流电机的调速方法通常有三种：(1)通过改变电枢电压Ua进行调速；(2)在电枢回路中串入可调电阻Ra进行调速；(3)Ua保持恒定，在激磁回路中串入调节电阻Rf调速(弱磁调速)。

串入电阻调速将引起功率损耗，效率低，机械特性变软，而且只能将转速调低。弱磁调速的调速范围小，所以在伺服系统的调速中，这两种方法都很少采用。电枢电压调速具有起动力矩大，阻尼效果好，响应速度快且线性度好等特点，所以在伺服系统中普遍采用，本节也重点讨论电枢电压调速。5.3.2直流伺服电动机的驱动调速方法

直流电动机的电枢电压调速要求灵活地控制电枢电压的大小和极性，因此直流电动机的驱动电路实际上是一个可控的大功率整流电路。常用的方法有可控硅法和PWM法等。这里重点讨论PWM法。

PWM驱动装置是利用大功率晶体管的开关作用，将恒定的直流电源电压转换成一定频率的方波电压，加在直流电动机的电枢上，通过对方被脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，从而控制电动机的转速。因此，这种装置又称为“开关驱动装置”。PWM法调速原理图5-24(a)所示是PWM控制的原理图。可控开关S以一定的时间间隔重复地接通和断开。当S接通时，供电电源US通过开关S施加到电机的两端，电源向1电机提供能量，电机储能；当开关S断开，中断了供电电源US向电机提供能量。在S接通期间电枢电感所储存的能量将通过续流二极管使电机电流继续流通。于是在电机两端得到的电压波形如图5-24(b、c)所示，电压的平均值为图5-24PWM原理图

式中，为占空比。由上式可见，改变开关接通时间ton和开关周期T的比例，亦即改变脉冲的占空比，电机两端电压的平均值也随之改变，因而电机的转速就可以得到调节。改变占空比的方法有两种，从而获得两种调制方法：(1)脉冲频率不变(T不变)，改变脉冲宽度(ton改变)，从而改变占空比，这就是脉冲宽度调制，英文名称是PulseWidthModulation，简写为PWM。(2)脉冲宽度不变(ton不变)，改变脉冲频率(T改变)，从而改变占空比，这就是脉冲频率调制，英文名称是PulseFrequencyModulation

，简写为PFM。目前，直流电动机的调速电路中，以应用PWM控制方式为主。2．PWM驱动电路装置

根据PWM的工作原理，必须有一种电路或装置将控制转速的指令转换成脉冲的宽度，其中元件工作在高速开关状态，这种装置叫直流PWM驱动装置。

PWM脉宽调制放大器是由脉冲频率发生器、电压－脉冲变换与分配器和功率放大器等部分组成，如图5-25所示。图5-25PWM驱动电路框图频率脉冲发生器可以是三角波发生器或者锯齿波发生器，它的作用是产生一个频率固定的调制信号U0。电压－脉冲变换器的作用是将外加直流控制电平信号Ue与脉冲频率发生器送来的三角波电压U0在其中混合后，产生一个宽度被调制了的开关脉冲信号。

分配器的作用是将电压－脉冲变换器输出的脉冲信号按一定的逻辑关系分配到功率放大器的各个晶体管基极，以保证各晶体管协调工作。

基极驱动电路工作在开关状态，它对宽度被调制了的脉冲信号进行功率放大，以驱动主电路的功率晶体管。图5-26所示是一个电压－脉冲变换器线路及调制原理的波形图。当控制电压Ue为零时，输出电压UA和UB的脉冲宽度相同，且等于T/2(T为三角波的周期)。当控制电压Ue为正时，UA的宽度大于T/2，UB的宽度小于T/2；Ue为负时，情况则相反。由此得到两种不同的被调制直流电压。图5-26PWM脉宽调制波形图

开关功率放大器的作用是对电压－脉宽变换器输出的信号Us进行放大，输出具有足够功率的信号Up

，以驱动直流伺服电动机。

5.3.3直流伺服系统的组成一.速度伺服系统

通过以上分析，我们知道，在PWM构成的驱动电路中，只要改变脉冲的宽度，就可以调节电机的转速。但这样的调速系统是开环的，由于直流电动机本身的机械特性比较软，直流开环伺服系统不能满足机电一体化系统的要求，在实际应用中一般都采用闭环伺服系统。闭环直流调速系统中，目前用得最多的是晶闸管直流调速系统和PWM直流脉宽调速系统。

晶闸管直流调速系统有单闭环调速系统、双闭环调速系统和可逆调速系统。实际中常用的具有转速、电流双闭环调速系统如图5-29所示。系统具有速度调节器ST和电流调节器LT两个控制环，电流调节环在里面，是内环；速度调节环在外面，为外环。

采用双闭环原理组成的晶体管PWM调速系统如图5-30所示，图中BU是电压－脉冲变换器，EP是脉冲分配器。ST和LT一般都是采用比例积分调节器。作为速度检测的元件主要有直流测速发电机、频率发电机和编码器等。

图5-29晶闸管转速与电流双闭环调速系统方框图图5-30晶体管脉宽调速系统方框图

二.位置伺服系统位置控制伺服系统是应用领域非常广泛的一类系统，如数控机床、工业机器人和雷达天线等。在速度伺服系统的基础上增加位置反馈环节就可构成直流位置控制伺服系统。在位置伺服系统中，位置环有模拟式和数字式，前者如仿形机床伺服系统，采用自整角机的角度跟踪系统等。随着计算机控制技术的发展，在位置控制伺服系统中，越来越多采用数字式，而速度环常采用模拟式，构成混合式的伺服系统。在这里只讨论数字式的位置控制伺服系统。图5-31是现在广泛采用的位置控制伺服系统组成示意图，图中TG是速度检测装置，PG是位置检测装置。

图5-31直流位置伺服系统

数字式位置控制系统根据其位置反馈信号检测和比较方式的不同分为以下四种控制方案：

1．数字式脉