机器人驱动与控制

第三章 机器人直流伺服电动机驱动与控制技术及应用

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前言

电气伺服系统根据所驱动的电动机类型分为直流（DC）伺服系统和交流（AC）伺服系统。随着时代发展，无刷电动机和直流电动机实现了产品化，并在计算机外围设备和机械设备上取得了广泛应用。

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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、直流伺服电动机的特点

直流伺服电动机是通过电刷和换向器的整流作用，是磁场磁动势和电枢电流磁动势正交，从而产生转矩。其电枢多为永久磁铁。
磁动势：F,作用于磁路上的总电流，是磁路上的源。
源：所有物理现象的起源
与交流伺服电机相比，直流伺服电机启动转矩大，调速广，且不受频率及极对数限制（特别是电枢控制的），机械特性线性度好，从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，功率损耗小，具有较高的响应速度，精度，频率，优良的控制特性。

但也正因为直流电动机要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场必须恒维持90°，这就要借助电刷及整流子；电刷和换向器的存在增大了摩擦转矩；换向火花带来了无线电干扰。

使用时注意：先接通磁场电源，再加电枢电压
他励电动机:指电机的励磁线圈和电枢绕组是分开的，励磁电流单独提供，与电枢电流无关。控制方便，容易实现调速，控制器控制正反转不需要安装切换接触器 一般被广泛使用在电动叉车，电动汽车，电动观光车，电动牵引车。
1、如果电机直接加电枢电源，没有励磁，电枢电流过大
2、如果电机有剩磁，直接加电枢电源，电机会“飞车”，这是最主要的原因。是绝不允许的，可能造成电机损坏或人身伤害。

二、直流伺服电动机的工作原理

1.基本结构

定子：主磁极、换向磁极、机座、端盖等

转子（电枢）：电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴与风扇等

2.工作原理

加在直流电动机上的直流电源借助于换向器和电刷的作用，是直流电动机电枢绕组中流过的电流的方向是交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，确保直流电动机朝着确定的方向连续旋转。

3.大惯量宽调速直流伺服电机

既具有一般直流电动机的各项优点，又具有小惯量直流电动机的快速响应性能，易与较大的惯量负载匹配。

结构特点：励磁便于调整，易于安排补偿绕组和换向极。

三、直流伺服电动机驱动概述

1.直流电机的调速原理

1.1调节电枢供电电压

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，最优。

1.2减弱励磁磁通

虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上做小范围的弱磁升速。

1.3改变电枢回路电阻R

只能实现有级调速。

2.控制直流电压的大小和方向

为了直流供电和调节电动机转速与方向。

2.1晶闸管直流驱动方式

主要是通过触发装置控制品管的触发延迟角（控制电压的大小）来移动触发脉冲的相位，从而改变整流电压的大小，使直流电动机电枢电压变化。易于平滑调速。但是由于晶闸管的工作原理和电源的特点，容易造成电流的不稳定性。

2.2晶体管脉冲调速驱动方式

开关频率高，输出电流脉动非常小，接近于纯直流。通过改变脉冲宽度来改变电枢回路的平均电压，从而得到不同大小的电压值，使电动机平滑调速。
为使电动机实现双向调速，多采用桥式电路。

四、直流伺服电动机控制概述

1.电枢控制

电枢控制是由励磁绕组进行励磁，即将励磁绕组介于恒定电压的直流电源上，使其中通过电流以产生磁通，电枢绕组接受控制电压，即为控制绕组。

2.磁场控制

磁场控制中电枢绕组作为励磁绕组，接于恒定的励磁电压，而励磁绕组作为控制绕组，受控制电压。

缺点：磁场控制时的调节特性不是线性的

3.两种控制方式的比较

左为电枢控制，右为磁场控制
𝜶 = 𝟏时，两种控制方式的电磁关系完全一样
当𝜶 < 𝟏时，磁场控制的机械特性较为 平坦，也就是说，在转速变化比较大时，转矩变化比较小。

五、无刷直流电动机

1.结构

永磁无刷直流电动机主要由永磁电动机本体、转子位置传感器、功率电子开关三部分组成。

1.1永磁电动机本体

1.1.1电动机本体

电动机本体是一台反装式的普通永磁直流电动机，其电枢放在定子上，永磁磁极放在转子上。

1.1.2逆变器

逆变器的作用是使得无刷直流电机绕组内部不停换向。

1.1.3转子位置传感器

位置传感器用来检测转子磁场相对于定子绕组的位置，以决定功率电子开关器件的异通顺序。
磁敏式位置传感器：利用电流的磁效应进行工作。
精度高，成本也高

电磁式位置传感器：利用电磁效应来测量转子位置。反向电动势检测法就是基于电磁感应原理。
经济性更好，精度稍低

光电式位置传感器：发光二极管和光敏三极管。
轻便可靠，安装精度高，抗干扰能力强，调整方便

六、无刷直流电动机驱动与控制

1.无刷直流电动机控制系统

2.开环型无刷直流电动机驱动器

换向控制逻辑电路：三相永磁无刷直流电动机的转子位置传感器输出信号，在每360°电角度内给出6个代码，换相控制逻辑电路接收这些代码，并对其进行译码处理，得出电子换相器主回路（三相桥式逆变器）中6个开关管的驱动控制信号。换相控制逻辑电路还可以控制电动机的正反转。解决了无刷电动机的换相问题。

PWM调速电路：脉宽调制电路。解决电动机调速问题。

保护电路：过流保护。一般在主回路中的直流母线上取得过流反馈信号，在过流保护环节中与设定的保护值进行比较，一般是封锁逆变器中的开关管实现保护。

3.速度闭环型无刷直流电动机驱动器

速度控制器的输出信号用作脉宽调制器的控制信号，一般将霍尔位置传感器的信号加以处理后，形成速度反馈信号。由于反馈通道中存在大的滤波惯性环节，使得系统较易振荡，较难稳定，在设计速度控制器的动态参数时，应当考虑相位超前补偿，以抵消由于反馈通路带来的相位滞后。采用速度单闭环控制的无刷直流电动机控制系统可以提高电动机的速度控制精度，减小速度误差。如果对系统的动态性能要求较高，其中转速环由PI调节器构成，电流环由电流滞环调节器构成。

七、直流伺服电动机在机器人驱动与控制应用概况

1.优势

高转矩／惯量比，动态响应快；调速范围宽，低速脉动小；低速转矩大，连续运行稳定及过载能力强；高效节能；体积小，重量轻；多种灵
活安装方式；结构简单，维修方便；工艺稳定，产品一致性好；噪声振动小，使用寿命长；高防护等级，可按用户要求提供更高要求的防护等级；高等级绝缘结构，提高了电动机使用寿命，增加了电动机可靠性。
和液压、气动等驱动方式相比，直流电动机駆动具有体积小、
功耗小、精确度高等优点。

2.选型

电动机选型必须满足以下两个条件：
1.有效转矩必须要比所选电动机的连续转矩小。
2.所选电动机的堵转转矩通常要大于所需的峰值转矩。

在满足要求的情况下，遵循功耗越小越好的原则。