淺析直流伺服電動機與交流伺服電動機，直流伺服電動機的驅(qū)動模塊解析

　　伺服電機（servo motor ）是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當(dāng)信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

　　1、直流伺服電動機

　　直流伺服電動機實際上就是他勵直流電動機，其結(jié)構(gòu)和原理與普通的他勵直流電動機相同，只不過直流伺服電動機輸出功率較小而已。

　　電樞控制：把控制信號加到電樞繞組上，通過改變控制信號的大小和極性來控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的大小和方向；磁場控制：把控制信號加到勵磁繞組上進行控制。

　　直流伺服電動機進行電樞控制時，電樞繞組即為控制繞組，控制電壓直接加到電樞繞組上進行控制。而勵磁方式則有兩種：一種用勵磁繞組通過直流電流進行勵磁，稱為電磁式直流伺服電動機；另一種使用永久磁鐵作磁極，省去勵磁繞組，稱為永磁式直流伺服電動機。

　?。?）機械特性

　　改變控制電壓Uc，而機械特性的斜率不變，故其機械特性是一組平行的直線。

　　（2）調(diào)節(jié)特性

　　調(diào)節(jié)特性是指在一定的轉(zhuǎn)矩下電機的轉(zhuǎn)速n與控制電壓Uc的關(guān)系。

　　由調(diào)節(jié)特性可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)矩不變時，如增強控制信號Uc，直流伺服電動機的轉(zhuǎn)速增加，且呈正比例關(guān)系；反之減弱控制信號Uc減弱到某一數(shù)值U1直流伺服電動機停止轉(zhuǎn)動，即在控制信號Uc小于U1時，電機堵轉(zhuǎn)，要使電機能夠轉(zhuǎn)動，控制信號Uc必須大于U1才行，故U1　叫做始動電壓。

　　電樞控制時的直流伺服電動機的機械特性和調(diào)節(jié)特性都是線性的，而且不存在“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。

　　2、交流伺服電動機

　　交流伺服電動機實際上就是兩相異步電動機，所以有時也叫兩相伺服電動機。電機定子上有兩相繞組，一相叫勵磁繞組f，接到交流勵磁電源Uf上，另一相為控制繞組c，接入控制電壓Uc　，兩繞組在空間上互差90°電角度，勵磁電壓Uf和控制電壓Uc頻率相同。

　　交流伺服電動機的工作原理與單相異步電動機有相似之處。當(dāng)交流伺服電動機的勵磁繞組接到勵磁電流Uf上，若控制繞組加上的控制電壓Uc為0時（即無控制電壓）所產(chǎn)生的是脈振磁通勢，所建立的是脈振磁場，電機無起動轉(zhuǎn)矩；

　　當(dāng)控制繞組加上的控制電壓不為0，且產(chǎn)生的控制電流與勵磁電流的相位不同時，建立起橢圓形旋轉(zhuǎn)

　　磁場（若Ic與If相位差為90°時，則為圓形旋轉(zhuǎn)磁場），于是產(chǎn)生起動力矩，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來。如果電機參數(shù)與一般的單相異步電動機一樣，那么當(dāng)控制信號消失時，電機轉(zhuǎn)速雖會下降些，但仍會繼續(xù)不停地轉(zhuǎn)動。伺服電動機在控制信號消失后仍繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的失控現(xiàn)象稱為“自轉(zhuǎn)”。

　　可以通過增加轉(zhuǎn)子電阻的辦法來消除“自轉(zhuǎn)”。

　　直流伺服電動機的驅(qū)動模塊

　　由于直流伺服電動機實際上就是一臺小容量的他勵直流電動機，因此，普通直流電動機的各種驅(qū)動模塊實際上均可用來驅(qū)動直流伺服電動機。但是，一般而言，直流伺服電動機的容量遠小于普通驅(qū)動用直流電動機，即電樞驅(qū)動容量較小，而普通直流電動機的驅(qū)動模塊通常都是應(yīng)用于中大容量的電動機作為電力驅(qū)動。另外，作為伺服電動機由于其控制的線性度、靈敏性和快速性等的特殊要求，對驅(qū)動模塊的動靜態(tài)特性也有相應(yīng)的要求。因此，直流伺服電動機往往需要有自己專門的驅(qū)動模塊。適用于直流伺服電動機的典型驅(qū)動電路實際上是一種直流線性功率放大器，它將直流控制信號直接進行電壓和功率放大而驅(qū)動直流伺服電動機，如圖1所示。因此，直流伺服電動機的驅(qū)動模塊又叫做直流伺服放大模塊。

　?。?）直流伺服電動機驅(qū)動模塊的基本形式及原理

　　原理上，直流伺服電動機驅(qū)動模塊也由功率電路和控制電路兩部分構(gòu)成。而功率電路原理上有兩種基本形式，這兩種基本形式分別叫電壓控制型（DSMDRV）和電流控制型（DSMDRC）。

　?。?）用功率電子器件構(gòu)成的驅(qū)動模塊DSMDR

　　用功率電子器件可以構(gòu)成一種帶限流功能的電壓控制型雙向驅(qū)動模塊，

　?。?）用功率集成電路構(gòu)成DSMDR驅(qū)動模塊

　　由于直流伺服電動機通常是低電壓小功率。因此，可以采用一些通用功率集成電路構(gòu)成直流伺服放大器直接驅(qū)動直流伺服電動機。此外，目前市場上已有專用于驅(qū)動直流伺服電動機的專用功率集成電路。這種集成電路具有很大的輸出電流能力且用它們構(gòu)成直流伺服放大器非常簡單和容易。

　　控制信號由計算機控制系統(tǒng)給定，通過接口和功放電路驅(qū)動直流伺服電動機。

　　功放電路又稱功率放大器，目前主要有兩種：

　?。?）晶閘管功率放大器

　?。?）晶體管脈沖寬度調(diào)制（PWM）功率放大器。

　　1、PWM晶體管功率放大器的工作原理

　?。?）電壓—脈寬變換器

　　作用：根據(jù)控制指令信號對脈沖寬度進行調(diào)制，用寬度隨指令變化的脈沖信號去控制大功率晶體管的導(dǎo)通時間，實現(xiàn)對電樞繞組兩端電壓的控制。

　?。?）開關(guān)功率放大器

　　作用：對電壓—脈寬變換器輸出的信號Us進行放大，輸出具有足夠功率的信號Up，以驅(qū)動直流伺服電動機。

　　開關(guān)功率放大器常采用大功率晶體管構(gòu)成。根據(jù)各晶體管基極所加的控制電壓波形，可分為單極性輸出、雙極性輸出和有限單極性輸出三種方式。

　　2、PWM晶體管功率放大器的數(shù)學(xué)模型

　　如果忽略功放電路中晶體管的導(dǎo)通壓降，則UP的幅值與電源電壓UC相等。設(shè)三角波周期為T，US的正脈沖寬度為TP，則一個周期內(nèi)電樞繞組兩端的電壓Ua為：

　　展開成傅里葉級數(shù)，得：

　　由于晶體管的切換頻率（即Us的頻率）通常高于1000Hz，比直流伺服電動機的頻帶高得多，因而所有的諧波（即交流分量）都將被電動機的低通濾波作用所衰減掉。這樣，式中的交流分量可忽略，從而簡化為Ua=2UcUi/UTpp?？紤]到PWM晶體管功率放大器所具有的限幅特性，可得到其數(shù)學(xué)模型如下：

　　3、設(shè)計功放電路時應(yīng)注意的問題

　　切換頻率的選擇

　?。?）切換頻率應(yīng)使電動機軸產(chǎn)生微振，以克服靜摩擦，改善運行特性，但微振的最大角位移不應(yīng)大于允許的角位置誤差。

　?。?）切換頻率應(yīng)選得足夠高，以使電動機電樞感抗足夠大，減小電動機內(nèi)產(chǎn)生的高頻功耗和交流分量的影響。

　?。?）切換頻率應(yīng)高于系統(tǒng)中任一部件的諧振頻率，以防止共振產(chǎn)生。

　　大功率晶體管的選擇

　　大功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，其允許的開關(guān)頻率一定要大于切換頻率，而且開關(guān)特性要好，導(dǎo)通后的壓降要小，反向耐壓要高，以保證驅(qū)動電路和電動機性能的發(fā)揮。