直流伺服電機(jī)的調(diào)速控制原理是什么？對(duì)單元組成系統(tǒng)進(jìn)行分析

一、伺服電機(jī)(servomotor)的由來(lái)和定義

伺服：一詞源于希臘語(yǔ)“奴隸”的意思。人們想把“伺服機(jī)構(gòu)”當(dāng)個(gè)得心應(yīng)手的馴服工具，服從控制信號(hào)的要求而動(dòng)作。

伺服系統(tǒng)：是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)(或給定值)的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服的主要任務(wù)是按控制命令的要求、對(duì)功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動(dòng)裝置輸出的力矩、速度和位置控制的非常靈活方便。

由于它的“伺服”性能，因此它就被命名為伺服電機(jī)。其功能是將輸入的電壓控制信號(hào)轉(zhuǎn)為軸上輸出的角位移和角速度驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。

伺服電機(jī)一般分為兩大類(lèi)：直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)。

二、交流伺服電動(dòng)機(jī)

1、交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)

伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

交流伺服電動(dòng)機(jī)定子的構(gòu)造基本上與電容分相式單相異步電動(dòng)機(jī)相似。其定子上裝有兩個(gè)位置互差90°的繞組，一個(gè)是勵(lì)磁繞組Rf，它始終接在交流電壓Uf上;另一個(gè)是控制繞組L，聯(lián)接控制信號(hào)電壓Uc。交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子通常做成鼠籠式，但為了使伺服電動(dòng)機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍、線性的機(jī)械特性，無(wú)“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象和快速響應(yīng)的性能，它與普通電動(dòng)機(jī)相比，應(yīng)具有轉(zhuǎn)子電阻大和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小這兩個(gè)特點(diǎn)。目前應(yīng)用較多的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種形式：一種是采用高電阻率的導(dǎo)電材料做成的高電阻率導(dǎo)條的鼠籠轉(zhuǎn)子，為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，轉(zhuǎn)子做得細(xì)長(zhǎng);另一種是采用鋁合金制成的空心杯形轉(zhuǎn)子，杯壁很薄，僅0.2-0.3mm，為了減小磁路的磁阻，要在空心杯形轉(zhuǎn)子內(nèi)放置固定的內(nèi)定子?？招谋无D(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，反應(yīng)迅速，而且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，因此被廣泛采用。

2、交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理

交流伺服電動(dòng)機(jī)在沒(méi)有控制電壓時(shí)，定子內(nèi)只有勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的脈動(dòng)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)。當(dāng)有控制電壓時(shí)，定子內(nèi)便產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)，在負(fù)載恒定的情況下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨控制電壓的大小而變化，當(dāng)控制電壓的相位相反時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)將反轉(zhuǎn)。

3、伺服電動(dòng)機(jī)與單機(jī)異步電動(dòng)機(jī)相比，有三個(gè)顯著特點(diǎn)：

(1)、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大

由于轉(zhuǎn)子電阻大，與普通異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線相比，有明顯的區(qū)別。它可使臨界轉(zhuǎn)差率,這樣不僅使轉(zhuǎn)矩特性(機(jī)械特性)更接近于線性，而且具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因此，當(dāng)定子一有控制電壓，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng)，即具有起動(dòng)快、靈敏度高的特點(diǎn)。

(2)、運(yùn)行范圍較廣

(3)、無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象

正常運(yùn)轉(zhuǎn)的伺服電動(dòng)機(jī)，只要失去控制電壓，電機(jī)立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)伺服電動(dòng)機(jī)失去控制電壓后，它處于單相運(yùn)行狀態(tài)，由于轉(zhuǎn)子電阻大，定子中兩個(gè)相反方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的兩個(gè)轉(zhuǎn)矩特性以及合成轉(zhuǎn)矩特性.

交流伺服電動(dòng)機(jī)的輸出功率一般是0.1-100W。當(dāng)電源頻率為50Hz，電壓有36V、110V、220、380V;當(dāng)電源頻率為400Hz，電壓有20V、26V、36V、115V等多種。

交流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、噪音小。但控制特性是非線性，并且由于轉(zhuǎn)子電阻大，損耗大，效率低，因此與同容量直流伺服電動(dòng)機(jī)相比，體積大、重量重，所以只適用于0.5-100W的小功率控制系統(tǒng)。

直流伺服電機(jī)，它包括定子、轉(zhuǎn)子鐵芯、電機(jī)轉(zhuǎn)軸、伺服電機(jī)繞組換向器、伺服電機(jī)繞組、測(cè)速電機(jī)繞組、測(cè)速電機(jī)換向器，所述的轉(zhuǎn)子鐵芯由矽鋼沖片疊壓固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上構(gòu)成 。伺服主要靠脈沖來(lái)定位，基本上可以這樣理解，伺服電機(jī)接收到1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移，因?yàn)?，伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來(lái)，系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又收了多少脈沖回來(lái)，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位，可以達(dá)到0.001mm 。

直流伺服電機(jī)特指直流有刷伺服電機(jī)——電機(jī)成本高結(jié)構(gòu)復(fù)雜，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)不方便(換碳刷)，會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，對(duì)環(huán)境有要求 。因此它不可以用于對(duì)成本敏感的普通工業(yè)和民用場(chǎng)合 。

直流伺服電機(jī)還包括直流無(wú)刷伺服電機(jī)——電機(jī)體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，力矩穩(wěn)定，電機(jī)功率有局限做不大 。容易實(shí)現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相 。電機(jī)免維護(hù)不存在碳刷損耗的情況，效率很高，運(yùn)行溫度低噪音小，電磁輻射很小，長(zhǎng)壽命，可用于各種環(huán)境 。

直流伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其原理

1、位置檢測(cè)與信號(hào)綜合環(huán)節(jié)

(1)旋轉(zhuǎn)變壓器：是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)角變化的角位移測(cè)量裝置 。

(2)相敏放大器：將交流電壓轉(zhuǎn)換為與之成正比的直流電壓，并使它的極性與輸入的交流電壓的相位相適應(yīng) 。

(3)位置檢測(cè)與信號(hào)綜合環(huán)節(jié)

2、脈寬調(diào)制型(PWM)功率放大

基本原理：利用大功率電器的開(kāi)關(guān)作用，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓，通過(guò)對(duì)方脈沖寬度的控制，改變輸出電壓的平均值 。

(1)PWM變換器

(2)雙極型PWM變換器

根據(jù)圖很容易導(dǎo)出雙極式可逆PWM變換器電樞兩端平均電壓的表達(dá)式

雙極式PWM變換器特點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：

①電流連續(xù);

②可使電動(dòng)機(jī)在四個(gè)象限中運(yùn)行;

③電動(dòng)機(jī)停止時(shí)，有微振電流，能消除摩擦死區(qū);

④低速時(shí)，每個(gè)晶體管的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有個(gè)晶體管的可靠導(dǎo)通;

⑤低速時(shí)平穩(wěn)性好，調(diào)速范圍寬 。

缺點(diǎn)：

在工作過(guò)程中，四個(gè)功率晶體管都處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗大，且容易發(fā)生上、下兩管直通的事故 。為了防止上、下兩管同時(shí)導(dǎo)通，在一管關(guān)斷和另一管導(dǎo)通的驅(qū)動(dòng)脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí) 。

直流伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析

影響伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差的因素有以下幾個(gè)方面：由檢測(cè)元件引起的檢測(cè)誤差;由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和輸入信號(hào)引起的原理誤差;負(fù)載擾動(dòng)引起的擾動(dòng)誤差 。

1.檢測(cè)誤差

2.原理誤差

3.擾動(dòng)誤差

直流伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)校正

方法：

1、速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 。

2、位置調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 。

直流伺服系統(tǒng)的組成及其控制直流伺服和交流伺服相似，可以采用控制器開(kāi)環(huán)控制方式，控制器半閉環(huán)控制和全閉環(huán)控制系統(tǒng) 。

直流伺服系統(tǒng)控制面板結(jié)構(gòu)如下，面板右側(cè)為與直流伺服電機(jī)接口板的接口，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口和編碼器接口;左側(cè)為與運(yùn)動(dòng)控制器面板的接口，包括位置控制模式接口和速度控制模式接口 。

M+，M-信號(hào)為直流無(wú)刷伺服電機(jī)的電源線，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng) 。

A+，A-，B+，B-，C+，C-，5+，0V信號(hào)為編碼器信號(hào)，用于反饋電機(jī)軸的實(shí)際位置 。

A，/A，B，/B，C，/C，+5V，PUL+，DIR+，OGND，OVCC，GND，DAC，RESET，ALM，ENABLE為與控制器相連的控制信號(hào) 。

其含義為：

A，/A，B，/B，C，/C為驅(qū)動(dòng)器反饋給運(yùn)動(dòng)器控制器的編碼器信號(hào) 。

+5V為電源 。

PUL+，PUL-為脈沖信號(hào)，用于位置模式下的電機(jī)控制 。

DIR+，DIR-為方向信號(hào)，用于位置模式下的電機(jī)控制 。

OGND，OVCC，GND分別為模擬地，模擬電源和數(shù)字地 。

DAC為驅(qū)動(dòng)器接受的模擬控制信號(hào)，范圍一般為-10V-10V 。

RESET，ALM，ENABLE為控制信號(hào)，分別表示驅(qū)動(dòng)器的復(fù)位，報(bào)警以及使能功能 。

直流伺服驅(qū)動(dòng)器通常具有速度控制模式和位置控制模式 。

采用位置模式時(shí)，輸入控制信號(hào)為脈沖和方向(或是正負(fù)脈沖)，采用速度模式時(shí)，輸入控制信號(hào)為模擬量 。驅(qū)動(dòng)器將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為速度控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)速度控制器轉(zhuǎn)化為電流控制信號(hào)，電流信號(hào)通過(guò)PWM回路作用于功率擴(kuò)大模塊的輸出模塊，最后施加給電機(jī) 。

直流伺服驅(qū)動(dòng)器采用IDM智能伺服驅(qū)動(dòng)器

IDM240/640是嵌入式智能、高精密、全數(shù)字化的伺服驅(qū)動(dòng)器，可驅(qū)動(dòng)方波或正弦波無(wú)刷伺服電機(jī)(PMSM)，直流有伺服電機(jī)，通過(guò)CAN或RS-485接口可組成多達(dá)256個(gè)軸的分布式智能網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，嵌入的高級(jí)可編程運(yùn)動(dòng)語(yǔ)言(TML)提供各種高級(jí)運(yùn)動(dòng)控制和plc專(zhuān)用功能 。

主要特點(diǎn)如下 ：

分布式智能，單軸主控運(yùn)行或從動(dòng)軸模式

控制模式：位置，速度，轉(zhuǎn)矩，電壓，外部變量

運(yùn)動(dòng)模式：脈沖+方向，電子齒輪，Profiling，Contouring

可編程保護(hù)：位置誤差，過(guò)流，過(guò)壓或欠壓，I2t，

DSP控制技術(shù)：基于MoTIonChipTM 技術(shù)

RS232/485串行接口，波特率可達(dá)115KB

CAN2.0局域總線，兼容CANopen，波特率可達(dá)1MHz

輸出電流：連續(xù)電流5A/8A，峰值電流16A，

電源電壓：12-48VDC(IDM240) ，12-48VDC(邏輯電源)/80V(電機(jī))(IDM640)

緊湊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：136 x 84.5 x 26 mm

控制軟件采用Easy MoTIon Studio，控制軟件特點(diǎn)如下：

高級(jí)圖形化評(píng)估分析編程工具EasyMoTIon Studio平臺(tái)快速設(shè)置電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器參數(shù)及編程運(yùn)動(dòng)程序，TML_LIB函數(shù)庫(kù)是智能化伺服驅(qū)動(dòng)器在 PC上執(zhí)行運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的一個(gè)函數(shù)庫(kù)，在C/C++、Basic、Delphi、Labview開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序中調(diào)用庫(kù)中的.DLL文件執(zhí)行后，能直接與驅(qū)動(dòng)器通信、設(shè)置參數(shù)、查詢(xún)狀態(tài)、傳送命令、定義運(yùn)動(dòng)事件，測(cè)試輸入輸出口狀態(tài)等 。

直流調(diào)速器就是調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)速度的設(shè)備, 由于直流電動(dòng)機(jī)具有低轉(zhuǎn)速大力矩的特點(diǎn),是交流電動(dòng)機(jī)無(wú) 法取代的, 因此調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)速度的設(shè)備—直流調(diào)速器,具有廣闊的應(yīng)用天地。

直流調(diào)速器的工作原理：

直流調(diào)速器就是調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)速度的設(shè)備，上端和交流電源連接，下端和直流電動(dòng)機(jī)連接。直流調(diào)速器將交流電轉(zhuǎn)化成兩路輸出直流電源，一路輸入給直流電機(jī)礪磁(定子)，一路輸入給直流電機(jī)電樞(轉(zhuǎn)子)，直流調(diào)速器通過(guò)控制電樞直流電壓來(lái)調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

同時(shí)直流電動(dòng)機(jī)給調(diào)速器一個(gè)反饋電流，調(diào)速器根據(jù)反饋電流來(lái)判斷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速情況，必要時(shí)修正電樞電壓輸出，以此來(lái)再次調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。