直流伺服系統(tǒng)解析，直流伺服系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)及其控制原理

　　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，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，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。

　　1、位置檢測(cè)與信號(hào)綜合環(huán)節(jié)

　?。?）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。

　?。?）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)。

　?。?）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關(guān)作用，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓，通過對(duì)方脈沖寬度的控制，改變輸出電壓的平均值。

　　（1）PWM變換器

　?。?）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)：

　?、匐娏鬟B續(xù)；

　　②可使電動(dòng)機(jī)在四個(gè)象限中運(yùn)行；

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

　?、艿退贂r(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；

　?、莸退贂r(shí)平穩(wěn)性好，調(diào)速范圍寬。

　　缺點(diǎn)：

　　在工作過程中，四個(gè)功率晶體管都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(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．?dāng)_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)。

　　直流伺服和交流伺服相似，可以采用控制器開環(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)過速度控制器轉(zhuǎn)化為電流控制信號(hào)，電流信號(hào)通過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)方波或正弦波無刷伺服電機(jī)（PMSM），直流有伺服電機(jī)，通過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)語言（TML）提供各種高級(jí)運(yùn)動(dòng)控制和plc專用功能。

　　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，過流，過壓或欠壓，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，在C/C++、Basic、Delphi、Labview開發(fā)的應(yīng)用程序中調(diào)用庫中的.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。

　　Starter Kit for IDM640：包含驅(qū)動(dòng)器的完整組件，包括一個(gè)IDM640驅(qū)動(dòng)器，一個(gè)電機(jī)，一個(gè)I/O板，EasyMoTIon Studio軟件，以及應(yīng)用程序的幫助和完整文件。是測(cè)試您的運(yùn)動(dòng)控制程序的理想實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。如上所述均包含在一個(gè)可立即運(yùn)行、即插即用的組件中。

　　直流伺服電機(jī)包括如下組成部分：

　　定子：磁場(chǎng)—永磁體

　　轉(zhuǎn)子：電樞繞組

　　換向：換向器與碳刷

　　加于直流電機(jī)的直流電源，借助于換向器和電刷的作用，使直流電機(jī)電樞線圈流過的電流，方向是交變的，從而使電樞產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變，確保直流電動(dòng)朝確定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

　　5

　　直流伺服優(yōu)點(diǎn)：

　　• 精確的速度控制

　　• 轉(zhuǎn)矩速度特性很硬

　　• 原理簡(jiǎn)單、使用方便

　　• 價(jià)格優(yōu)勢(shì)

　　缺點(diǎn)：

　　• 電刷換向

　　• 速度限制

　　• 附加阻力

　　• 產(chǎn)生磨損微粒（對(duì)于無塵室）