DC伺服电机和交流伺服电机分析 DC伺服电机驱动模块分析

伺服电机是控制伺服系统中机械元件运行的发动机，是辅助电机的间接变速装置。伺服电机可以精确控制速度和位置，并将电压信号转换成扭矩和转速来驱动被控对象。伺服电机转子速度由输入信号控制，并能快速响应。在自动控制系统中，它作为执行机构，具有机电时间常数小、线性度高、启动电压低等特点。它可以将接收到的电信号转换成电机轴上的角位移或角速度并输出。它分为两类：DC伺服电机和交流伺服电机。它的主要特点是信号电压为零时，没有旋转现象，转速随着扭矩的增加而匀速下降。

　　1、直流伺服电动机

事实上，DC伺服电机是一个单独激励的DC电机。它的结构和原理与普通的单独励磁DC电机相同，只是DC伺服电机的输出功率小。

电枢控制：向电枢绕组施加控制信号，通过改变控制信号的大小和极性来控制转子速度的大小和方向；磁场控制：控制信号施加到励磁绕组进行控制。

当DC伺服电机处于电枢控制时，电枢绕组为控制绕组，控制电压直接施加到电枢绕组上进行控制。励磁方式有两种：一种是用励磁绕组用DC电流励磁，称为电磁DC伺服电机；另一种使用永磁体作为磁极，省略了励磁绕组，称为永磁DC伺服电机。

(1)机械特性

当控制电压Uc改变时，机械特性的斜率不变，所以其机械特性是一组平行的直线。

(2)调节特性

调节特性是指在一定转矩下电机转速n和控制电压Uc之间的关系。

从调节特性可以看出，在转矩不变的情况下，如加强控制信号Uc，DC伺服电机转速增大，呈正比例关系；相反，当控制信号Uc减弱到一定值时，U1的DC伺服电机停止转动，即当控制信号Uc小于U1时，电机被锁定，控制信号Uc必须大于U1才能使电机转动，所以U1称为启动电压。

电枢控制下的DC伺服电机的机械特性和调节特性是线性的，不存在“旋转”现象。

　　2、交流伺服电动机

交流伺服电机实际上是两相异步电机，所以有时也叫两相伺服电机。电机定子上有两相绕组，一相称为励磁绕组F，接交流励磁电源Uf，另一相为控制绕组C，接控制电压Uc。两个绕组在空间上相差90度，激励电压Uf和控制电压Uc具有相同的频率。

交流伺服电机的工作原理与单相异步电机相似。当交流伺服电机的励磁绕组连接到励磁电流Uf时，如果施加到控制绕组的控制电压Uc为0(即没有控制电压)，则产生脉冲磁场，电机没有启动转矩。

当由控制绕组施加的控制电压不是0，并且产生的控制电流的相位不同于激励电流时，建立椭圆旋转

磁场(如果ic和If的相位差为90，则为圆形旋转磁场)，于是产生启动转矩，电机转子旋转。如果电机参数与普通单相异步电机相同，当控制信号消失时，电机转速会下降

，但仍会继续不停地转动。伺服电动机在控制信号消失后仍继续旋转的失控现象称为“自转”。

　　可以通过增加转子电阻的办法来消除“自转”。

　　直流伺服电动机的驱动模块

　　由于直流伺服电动机实际上就是一台小容量的他励直流电动机，因此，普通直流电动机的各种驱动模块实际上均可用来驱动直流伺服电动机。但是，一般而言，直流伺服电动机的容量远小于普通驱动用直流电动机，即电枢驱动容量较小，而普通直流电动机的驱动模块通常都是应用于中大容量的电动机作为电力驱动。另外，作为伺服电动机由于其控制的线性度、灵敏性和快速性等的特殊要求，对驱动模块的动静态特性也有相应的要求。因此，直流伺服电动机往往需要有自己专门的驱动模块。适用于直流伺服电动机的典型驱动电路实际上是一种直流线性功率放大器，它将直流控制信号直接进行电压和功率放大而驱动直流伺服电动机，如图1所示。因此，直流伺服电动机的驱动模块又叫做直流伺服放大模块。

　　（1）直流伺服电动机驱动模块的基本形式及原理

　　原理上，直流伺服电动机驱动模块也由功率电路和控制电路两部分构成。而功率电路原理上有两种基本形式，这两种基本形式分别叫电压控制型（DSMDRV）和电流控制型（DSMDRC）。

　　（2）用功率电子器件构成的驱动模块DSMDR

　　用功率电子器件可以构成一种带限流功能的电压控制型双向驱动模块，

　　（3）用功率集成电路构成DSMDR驱动模块

　　由于直流伺服电动机通常是低电压小功率。因此，可以采用一些通用功率集成电路构成直流伺服放大器直接驱动直流伺服电动机。此外，目前市场上已有专用于驱动直流伺服电动机的专用功率集成电路。这种集成电路具有很大的输出电流能力且用它们构成直流伺服放大器非常简单和容易。

　　控制信号由计算机控制系统给定，通过接口和功放电路驱动直流伺服电动机。

　　功放电路又称功率放大器，目前主要有两种：

　　（1）晶闸管功率放大器

　　（2）晶体管脉冲宽度调制（PWM）功率放大器。

　　1、PWM晶体管功率放大器的工作原理

　　（1）电压—脉宽变换器

　　作用：根据控制指令信号对脉冲宽度进行调制，用宽度随指令变化的脉冲信号去控制大功率晶体管的导通时间，实现对电枢绕组两端电压的控制。

　　（2）开关功率放大器

　　作用：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。

　　开关功率放大器常采用大功率晶体管构成。根据各晶体管基极所加的控制电压波形，可分为单极性输出、双极性输出和有限单极性输出三种方式。

　　2、PWM晶体管功率放大器的数学模型

　　如果忽略功放电路中晶体管的导通压降，则UP的幅值与电源电压UC相等。设三角波周期为T，US的正脉冲宽度为TP，则一个周期内电枢绕组两端的电压Ua为：

　　展开成傅里叶级数，得：

　　由于晶体管的切换频率（即Us的频率）通常高于1000Hz，比直流伺服电动机的频带高得多，因而所有的谐波（即交流分量）都将被电动机的低通滤波作用所衰减掉。这样，式中的交流分量可忽略，从而简化为Ua=2UcUi/UTpp。考虑到PWM晶体管功率放大器所具有的限幅特性，可得到其数学模型如下：

　　3、设计功放电路时应注意的问题

　　切换频率的选择

　　（1）切换频率应使电动机轴产生微振，以克服静摩擦，改善运行特性，但微振的最大角位移不应大于允许的角位置误差。

　　（2）切换频率应选得足够高，以使电动机电枢感抗足够大，减小电动机内产生的高频功耗和交流分量的影响。

　　（3）切换频率应高于系统中任一部件的谐振频率，以防止共振产生。

　　大功率晶体管的选择

　　大功率晶体管工作在开关状态，其允许的开关频率一定要大于切换频率，而且开关特性要好，导通后的压降要小，反向耐压要高，以保证驱动电路和电动机性能的发挥。