机器人驱动及控制 课件 第3章 机器人直流伺服电动机驱动及控制

机器人驱动及控制第3章机器人直流伺服电动机驱动及控制●学习目标掌握直流伺服电机结构和励磁方式掌握直流伺服电机工作原理了解直流伺服电机技术参数掌握直流伺服电机控制方式和特性掌握直流伺服电机动态特性了解常见特种伺服电机结构和特点了解直流伺服电机在足球机器人中的应用01020304050607

伺服电动机控制系统又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。

很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或速度、加速度的反馈控制系统。作用是使输出的机械位移/转角准确地跟踪输入的位移/转角。3.1概述伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中用作执行元件。将输入的电压信号变换成转轴的角位移或角速度，来驱动控制对象。输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。改变控制电压可改变伺服电动机的转速和转向。伺服电动机定义伺服电动机直流伺服电动机良好的调速性能、较大的起动转矩及快速响应交流伺服电动机结构简单、运行可靠、维护方便。2025/2/113.1概述

调速范围广。电机转速随控制电压的变化能在更宽范围内连续调节。

机械特性和调节特性线性化。线性的机械特性和调节特性利于提高机器人动态精度。

无“自转”现象。在控制电压为零时能自行停转。

响应速度快。转速能随控制电压的改变而迅速变化。

可承受高强度工作环境，需要进行频繁换向和加减速运行，可承受短时的数倍过载。

体积小，重量轻，使用寿命长，方便配合机器人的体形。工业机器人对伺服电动机的基本要求2025/2/113.2直流伺服电动机基本结构和励磁方式

3.2.1基本结构

直流伺服电机有永磁式和电磁式两种类型。

电磁式直流伺服电机按励磁方式分为他励、并励、串励和复励四种。

由定子（固定部分）和转子（旋转部分）两大部分组成。定、转子之间存在气隙。

定子用来安装磁极和电机自身的支撑，包括定子铁心、励磁绕组、机壳、端盖和电刷装置等。

转子用来感应电势和实现能量转换，称为电枢，包括电枢铁心、电枢绕组、换向器和轴等。2025/2/113.2直流伺服电动机基本结构和励磁方式

定子铁心和励磁绕组

小容量直流伺服电机定子铁心将磁极和磁轭连为一体，用0.35-0.5mm厚的电工钢片的冲片叠压而成。机壳由铝合金浇铸而成。

励磁绕组由铜线绕制而成，包上绝缘材料后套在磁极上。当励磁绕组通以直流电时，产生磁通，形成N、S极。

上述励磁方式称为电磁式。定子磁极还可以用永磁体制成，称为永磁式。2025/2/113.2直流伺服电动机基本结构和励磁方式

电枢铁心和电枢绕组

电枢铁心用0.35-0.5mm厚的电工钢片的冲片叠压而成。铁心上的槽放置绕组，电枢铁心也是主磁通磁路的组成部分。为减少铁心的涡流损耗，铁心冲片两面要有绝缘层。

绝缘铜导线嵌入槽中，两端按照一定规律接到换向器上组成电枢绕组。2025/2/113.2直流伺服电动机基本结构和励磁方式

换向器和电刷

换向器是由许多换向片（铜片）叠装而成。换向片之间用塑料或云母绝缘，各换向片和元件相连。换向器有金属套筒式换向器和塑料换向器。

电刷放在电刷座中，用弹簧将它压在换向器上，和换向器有良好的滑动接触。

电刷和换向器的作用是将电枢绕组中的交变电势转换成电刷间的直流电势。2025/2/113.2直流伺服电动机基本结构和励磁方式

3.2.2励磁方式

直流伺服电机按励磁绕组与电枢绕组不同的连接方式分他励、并励、串励和复励四种。2025/2/113.3直流伺服电动机工作原理

3.3.1工作原理概述

加在直流伺服电机上的直流电源，借助换向器和电刷，使直流电机电枢线圈中流过的电流方向交变，电枢产生的电磁转矩方向恒定不变，确保直流伺服电机以确定方向连续旋转。2025/2/113.3直流伺服电动机工作原理

3.3.2感应电动势和电磁转矩

电动机工作时转子线圈在磁场中转动切割磁感线，线圈将产生感应电动势。式中Ea电枢电动势；φ一对磁极磁通；n电枢旋转速度；Ke电动势常数，与电机结构有关。

电机转子线圈中有电流，则处于磁场中的线圈导体必然会受到电磁力的作用。式中T电枢绕组电磁转矩；φ一对磁极磁通；Km转矩常数电磁转矩T与每极磁通量φ和电枢电流Ia的乘积成正比。2025/2/113.4直流伺服电动机技术参数和运行特点

3.4.1技术参数

额定功率：电动机在额定状态下运行时的输出功率。

额定电压：额定状态下运行，励磁绕组和电枢控制绕组上应加的电压额定值。

额定电流：额定电压下，驱动负载为额定功率时绕组中的电流。

额定转速：额定电压下，输出额定功率时的转速。调速范围一般在额定转速以下。

额定转矩：电动机在额定状态下运行时的输出转矩。

最大转矩：电动机在短时间内输出的最大转矩，反映了电动机的瞬时过载能力。最大转矩一般可达额定转矩的5-10倍。2025/2/113.4直流伺服电动机技术参数和运行特点3.4.2运行特点

稳定性好

可控性好

响应迅速

直流伺服电机具有较硬的机械特性，能够在较宽的速度范围内稳定运行。

直流伺服电机具有线性调节作用，通过控制电枢电压大小和极性，可控制转速和转向。当电枢电压为零时，由于转子惯量小，电机能立即停止。

直流伺服电机具有较大启动转矩和较小转动惯量，控制信号输入、增加、减小或消失的瞬间，电机能够快速起动、增速、减速或停止。2025/2/11

3.5直流伺服电动机控制方法和运行特性3.5.1控制方式

电枢回路中的电压平衡方程式为

改变电枢电压Ua和改变励磁磁通φ都可改变电动机的转速。控制方式：

电枢控制控制电枢电压Ua（永磁式直流伺服电机）

磁场控制控制磁通φ将式代入上式，可得出电枢电流Ia表示式为：进一步变换可得：2025/2/113.5直流伺服电动机控制方法和运行特性3.5.2运行特性

直流伺服电机运行特性指机械特性和调节特性。由转速公式：将式代入上式，可得：机械特性指直流电动机的转速n与电磁转矩T之间的关系曲线，即n=f(T)转矩—转速特性。

机械特性n0理想空载转速。k机械特性的斜率，表示电机机械特性的硬度，即电磁转矩变化所引起的转速变化程度。2025/2/113.5直流伺服电动机控制方法和运行特性

机械特性

当电机的电枢电压及磁通均为额定值（即U=UN，φ=φN），且电枢回路没有外接电阻时的机械特性称为固有机械特性，又称自然特性。方程式为：

人为机械特性

固有机械特性需满足三个条件，即U=UN，φ=φN和电枢回路没有外接电阻。改变其中任何一个条件，都会使电动机的机械特性发生变化。人为机械特性是指通过改变这些参数所得到的机械特性。2025/2/113.5直流伺服电动机控制方法和运行特性

电枢回路串接附加电阻

机械特性方程式为：

与固有特性相比，人为机械特性特点：

理想空载转速相同

转速降变大，即特性变软。Rad越大，特性越软。

电枢回路串接附加电阻时的人为机械特性可用于直流伺服电机的启动及调速。2025/2/113.5直流伺服电动机控制方法和运行特性

改变电枢电压

机械特性方程式为：

与固有特性相比，人为机械特性特点：

理想空载转速随电压变化而变化，特性斜率不变。

转速降不变，较串电阻时的人为机械特性硬。

降低电压，电动机转速降低。

不同电枢电压的人为机械特性曲线均在固有机械特性曲线之下调节。

改变电枢电压时的人为机械特性常用于需要平滑调速的场合。2025/2/113.5直流伺服电动机控制方法和运行特性

改变磁通

机械特性方程式为：

与固有特性相比，人为机械特性特点：

理想空载转速随磁通减弱而上升。

转速降增加（减弱磁通），机械特性变软。

特性曲线上移且变软（减弱磁通）。

减弱磁通可用于平滑调速，但调速范围不大。2025/2/113.5直流伺服电动机控制方法和运行特性

绘制机械特性曲线

他励直流伺服电动机的固有机械特性和人为机械特性都是直线。绘制固有机械特性曲线时，常选择理想空载点（0，n0）和额定工作点（TN，nN）这两个特殊点。

计算电枢电阻

计算电枢电阻

计算理想空载转速

计算额定电磁转矩2025/2/113.5直流伺服电动机控制方法和运行特性

例题

固有机械特性

一台他励直流伺服电动机，PN=10kW，UN=220V，IN=50A，nN=1500r/min，额定负载，求解以下问题：

固有机械特性。

电枢回路串电阻Rad=0.4Ω时人为机械特性和转速nRN。

电源电压降低为110V时的人为机械特性和转速。

减弱磁通φ=0.8φN时的人为机械特性和转速

。2025/2/113.5直流伺服电动机控制方法和运行特性

串电阻时的人为机械特性和转速

电压降低时的人为机械特性和转速

计算额定电磁转矩

固有机械特性2025/2/113.5直流伺服电动机控制方法和运行特性上述四步对应的机械特性曲线

减弱磁通时的人为机械特性和转速2025/2/113.5直流伺服电动机控制方法和运行特性

调节特性

调节特性：电动机在一定的负载转矩下，稳态转速n随电枢电压Ua变化的关系。当负载转矩TL保持不变时，电机轴上总阻转矩Ts=TL+T0也保持不变，电机稳态运行时

调节特性为一上翘的直线。调节特性与横轴交点Ua0称为始动电压，是电机处在待动而未动的临界状态时的控制电压。

Ua0∝Ts，即负载转矩越大，始动电压越高。控制电压从零到Ua0电动机不转动，称为死区。负载越大，死区也越大。2025/2/113.5直流伺服电动机控制方法和运行特性

调节特性

当电动机转速很低时，其转动不均匀，出现时快、时慢，甚至暂时停转现象，称为低速运转的不稳定性。产生原因：

电枢齿槽影响。低速时，反电势平均值很小，电枢齿槽效应引起电势脉动增大，导致电磁转矩波动明显。

电刷接触压降影响。低速时，控制电压很低，电刷和换向器间的接触压降不稳定，影响电枢上电压，导致输出转矩不稳定。

电刷和换向器之间摩擦影响。低速时，电刷和换向器间的摩擦转矩不稳定，造成电机初始阻转矩不稳定，导致总阻转矩不稳定。

低速运转的不稳定性在控制系统中造成误差。当要求电机在低转速下运行时，必须在控制线路中采取措施，使其转速平稳，或者选用低速稳定性好的直流力矩电动机。2025/2/113.6直流伺服电动机动态特性

调节特性：电动机在一定的负载转矩下，稳态转速n随电枢电压Ua变化的关系。当负载转矩TL保持不变时，电机轴上总阻转矩Ts=TL+T0也保持不变，电机稳态运行时

Ua0∝Ts，即负载转矩越大，始动电压越高。控制电压从零到Ua0电动机不转动，称为死区。负载越大，死区也越大。

动态特性:电枢控制下，电枢绕组上加阶跃电压，电机转速和电枢电流随时间变化的规律。这是处在过渡过程中的动态问题。

当电机工况发生变化时，总存在着一个过渡过程，即由一个稳定运转状态变化到另一个稳定运转状态，需要经历一段时间才能完成。

产生过渡过程原因主要是电动机中存在着机械和电磁两种惯性。转动惯量和电感是产生机械过渡过程和电磁过渡过程的主要因素。

电磁过渡过程所需时间比机械过渡过程短得多，许多场合，只考虑机械过渡过程，忽略电磁过渡过程。2025/2/113.6直流伺服电动机动态特性其解为：

3.6.1过渡过程分析

研究电动机过渡过程，是将过渡过程中的物理规律用微分方程表示。过渡过程中，电磁转矩和感应电势：动态电压平衡方程式：转矩平衡方程式：上式化简整理：大多数情况下，特别是放大器内阻与电枢绕组相串联时，则有τm远大于τd，τd忽略不计，上式简化为：τm为机电时间常数，τd为电磁时间常数，n0为理想空载转速。

2025/2/113.6直流伺服电动机动态特性

3.6.1过渡过程分析

机电时间常数τm：电动机空载状态下，励磁绕组加额定励磁电压，电枢加阶跃额定控制电压时，转速从零上升到理想空载转速的63.2%所需要的时间。3τm为过渡过程时间。

3.6.2机电时间常数与电动机参数的关系

电机过渡过程时间的长短主要由机电时间常数τm来决定。

机电时间常数τm与旋转部分的转动惯量J、电枢回路电阻Ra成正比。

机电时间常数表示了电机过渡过程时间的长短，反映了电动机转速跟随信号变化的快慢程度，是伺服电机一项重要的动态性能指标。一般直流伺服电动机的机电时间常数在十几毫秒到几十毫秒之间。2025/2/113.7特种直流伺服电动机

直流伺服电动机因具有起动转矩大、调速范围广、机械特性和调节特性线性度好、控制方便等优点，获得了广泛的应用。

但是，因直流伺服电动机存在转子铁心且铁心有齿和槽，具有转动惯量大、机电时间常数大和灵敏度差，低速转矩波动大、转动不平稳，换向火花大、寿命短和无线电干扰大等性能上的缺陷，其应用受到一定的限制。直流伺服电动机克服上述缺点直流力矩电动机低惯量直流伺服电动机2025/2/113.7特种直流伺服电动机

3.7.1直流力矩电动机

基本结构

力矩电机是一种能低速运转并产生较大转矩的控制电机。能和负载直接相连，带动负载在堵转或远低于空载转速下运转的电动机。

具有反应速度快、转矩和转速波动小、能在低转速下稳定运行、机械特性和调节特性线性度好等优点，特别适用于在位置伺服系统和低速伺服系统中作为执行元件。

直流力矩电动机工作原理和普通直流伺服电动机相同。

一般直流伺服电动机为减少转动惯量，大部分做成细长的圆柱形。而直流力矩电动机为能在相同体积和电枢电压下，产生比较大的转矩和较低的转速，一般做成圆盘状。2025/2/11

3.7特种直流伺服电动机

基本特点

转矩大

从直流电机基本工作原理可知，每根导体所受的电磁力和电磁转矩为电磁转矩为N电枢绕组总的导体数；D电枢铁心直径。

式中近似为常数，电磁转矩T与直径D近似呈正比例关系。

转速低

外加电压与感应电势相等，列平衡方程式即

式中不变情况下，理想空载转速n0与直径D成反比例。

其他条件相同，增大电动机直径，减小轴向长度，有利于增加电机转矩和降低空载转速。2025/2/113.7特种直流伺服电动机2025/2/11

3.7.2低惯量型直流伺服电动机

杯形电枢直流伺服电动机

与传统直流伺服电机相比，低惯量型直流伺服电机具有时间常数小、响应速度快的特点。

低惯量型直流伺服电机主要形式有杯形电枢直流伺服电机、盘形电枢直流伺服电机和无槽电枢直流伺服电机。

空心杯转子可由单个线圈，沿圆柱面排列成杯形或直接绕成导线杯，再用环氧树脂热固化定型，也可采用印制绕组。

外定子装有永久磁钢，内定子由软磁材料制成起磁轭作用。空心杯电枢直接装在电机轴上，在内、外定子间气隙中旋转。磁阻大，磁通势利用率低。常用高性能永磁材料作磁极。3.7特种直流伺服电动机2025/2/11

杯形电枢直流伺服电机机械惯性小，控制灵敏度高，无控制死区，体积可做得非常小且重量轻。但堵转转矩小，目前它的容量还不能做得很大，是一种微型伺服电动机。

杯形电枢直流伺服电动机性能特点低惯量灵敏度高损耗小，效率高力矩波动小，低速运转平稳，噪声低换向性能好，寿命长

杯形电枢直流伺服电机大多应用于高精度的自动控制系统及测量装置等设备中。3.7特种直流伺服电动机2025/2/11

盘形电枢直流伺服电动机

盘形电枢特点：电枢直径远大于长度，电枢有效导体沿径向排列，定子与转子之间的气隙为轴向平面气隙，主磁通沿轴向通过气隙。圆盘中电枢绕组可以是印制绕组或绕线式绕组，后者功率比前者大。

印制绕组是单片双面或多片重叠。绕线式是线圈排列成盘形，用环氧树脂热固化成型。

印制绕线盘形电枢直流伺服电机不独立设置换向器，是利用靠近转轴的电枢端部兼作换向器。为延长使用寿命，导体表面镀一层耐磨材料。3.7特种直流伺服电动机2025/2/11

盘形电枢直流伺服电动机性能特点结构简单，制造成本低启动转矩大力矩波动小，低速运行稳定，调速范围广且平滑换向性能好电枢转动惯量小，反应快

盘形电枢直流伺服电机适用于低速、起动和反转频繁，要求薄形安装尺寸系统中。

较大功率的盘形电枢直流伺服电机主要用于数控机床、工业机器人等伺服系统中。3.7特种直流伺服电动机2025/2/11

无槽电枢直流伺服电动机

无槽电枢直流伺服电机的结构同普通直流电机的差别在于其电枢铁心是光滑、无槽的圆柱体，电枢绕组直接排列在铁心表面，再用环氧树脂把它与电枢铁心固化成一体，定子磁极可用永久磁钢做成，也可采用电磁式结构。

无槽直流电机在磁路上不存在齿部磁通密度饱和的问题，因此可提高电机的气隙磁通密度和减小电枢的外径。

无槽直流伺服电动机具有转动惯量低、启动转矩大、反应快、启动灵敏度高、转速平稳、低速运行均匀和换向性能良好等优点。3.8直流伺服电动机在足球机器人中的应用

3.8.1应用概述

直流伺服电机转矩-惯量比大、动态响应快、调速范围宽、低速转矩大且脉动小、过载能力强、稳定性好、结构简单、体积小、重量轻、功耗小、精确度高和安装灵活。

与机器人所要求的驱动机构结构紧凑、体积小、重量轻、力-质量比大的性能相契合。

显然，直流伺服电动机很适合机器人的应用环境和驱动及控制要求，尤其在功率小、精度高的驱动场合。

在机器人驱动选型中，根据关节负载来选择可能的直流伺服电动机型号，所需驱动电动机的有效转矩小于所选电动机的连续转矩，所选驱动电动机的堵转转矩大于所需的峰值转矩。3.8直流伺服电动机在足球机器人中的应用

3.8.2应用案例

足球机器人设计中，要实现机器