機(jī)器人驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制 課件 第6章 直流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)

第6章直流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)6.1直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)6.2直流伺服電機(jī)的原理6.3無(wú)刷直流伺服電機(jī)的運(yùn)行特性6.4無(wú)刷直流伺服電機(jī)的控制系統(tǒng)6.5本章小結(jié)

伺服系統(tǒng)是以機(jī)械參數(shù)為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。在伺服系統(tǒng)中，輸出量能夠自動(dòng)、快速、準(zhǔn)確地跟隨輸入量變化，因此又稱之為隨動(dòng)系統(tǒng)或自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。機(jī)械參數(shù)主要包括位移、角度、力、轉(zhuǎn)矩、速度和加速度。

圖6-1所示為一般工業(yè)用伺服系統(tǒng)組成框圖。圖6-1一般工業(yè)用伺服系統(tǒng)組成框圖

按照“伺服系統(tǒng)”的概念，伺服電機(jī)并非單指某一類型的電機(jī)，只要是在伺服系統(tǒng)中能夠滿足任務(wù)所要求的精度、快速響應(yīng)性以及抗干擾性，就可以稱之為伺服電機(jī)。通常，為能夠達(dá)到伺服控制的性能要求，控制電機(jī)都需要具有位置/速度檢測(cè)部件。表6-1和表6-2所示為電機(jī)的不同分類形式。

伺服系統(tǒng)性能的基本要求如下：

(1)精度高。

(2)穩(wěn)定性好。

(3)快速響應(yīng)。

(4)調(diào)速范圍寬。

(5)低速大轉(zhuǎn)矩。

(6)能夠頻繁地啟動(dòng)、制動(dòng)以及正反轉(zhuǎn)切換。

6.1直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)

6.1.1有刷直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)有刷直流伺服電機(jī)一般由外殼、定子軛、轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子電樞繞組、永磁體、換向器、電刷、端蓋等構(gòu)成，其具體結(jié)構(gòu)如圖6-2所示。有刷直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是直流電機(jī)加上編碼器。圖6-2有刷直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)

由于永磁體提供的磁場(chǎng)有限，有時(shí)候用電勵(lì)磁替代永磁

體勵(lì)磁，因此就形成了如圖6-3所示的直流伺服電機(jī)(即電勵(lì)磁電機(jī))的結(jié)構(gòu)。除上述結(jié)構(gòu)外，這種直流伺服電機(jī)一般還包括換向極繞組。圖6-3電勵(lì)磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)

1.定子部分

由于直流伺服電機(jī)的定子勵(lì)磁方式可以分為永磁體勵(lì)磁和電樞繞組勵(lì)磁兩種，因此定子結(jié)構(gòu)也各不相同。

定子為永磁體勵(lì)磁的直流伺服電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，一般由交錯(cuò)排布的永磁鐵黏接在軛部形成，如圖6-4所示。如果永磁體按照?qǐng)D6-4(a)所示的方式排列，則其軛部材料為非導(dǎo)磁性材料；如果永磁體按照?qǐng)D6-4(b)所示的方式排列，則其軛部材料為導(dǎo)磁性材料。圖6-4永磁體勵(lì)磁定子結(jié)構(gòu)

定子為電樞繞組勵(lì)磁的直流伺服電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，一般由主磁極、電刷裝置和機(jī)座構(gòu)成。主磁極的作用是產(chǎn)生主磁場(chǎng)，它由主磁極鐵芯和套在鐵芯上的勵(lì)磁繞組構(gòu)成，如圖6-5所示。圖6-5主磁極

一般，直流伺服電機(jī)的機(jī)座既是電機(jī)的機(jī)械支撐，又是磁極外圍磁路閉合的部分，即磁廓，因此機(jī)座用導(dǎo)磁性能較好的鋼板焊接而成，或用鑄鋼制成。機(jī)座兩端裝有帶軸承的端蓋。電刷固定在機(jī)座或端蓋上，一般電刷數(shù)等于主磁極數(shù)。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿、彈簧壓板和座圈等組成，如圖6-6所示。圖6-6-電刷裝置

2.轉(zhuǎn)子部分

轉(zhuǎn)子由電樞鐵芯、電樞繞組和換向器組成，如圖6-7所示。電樞鐵芯是主磁路的組成部分，為了減少電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)鐵芯中磁通方向不斷變化而產(chǎn)生的渦流和磁損耗，電樞鐵芯通常由0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，疊片間有一層絕緣漆。硅鋼片如圖6-8所示，圖中環(huán)繞軸孔的一圈小圓孔為軸向通風(fēng)孔。圖6-7轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖6-8硅鋼片

換向器由許多彼此絕緣的換向片組合而成，如圖6-9所示。圖6-9換向器

6.1.2無(wú)刷直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)

眾所周知，有刷直流伺服電機(jī)的電樞繞組要產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，必須有滑動(dòng)的接觸機(jī)構(gòu)——電刷和換向器，通過(guò)它們把電流饋給旋轉(zhuǎn)著的電樞。無(wú)刷直流伺服電機(jī)卻與有刷直流伺服電機(jī)相反，它具有旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)和固定的電樞。這樣，電子換向線路中的功率開(kāi)關(guān)器件(如晶閘管、晶體管、功率OSFET或IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)等)可直接與電樞繞組連接。在電機(jī)內(nèi)，裝有一個(gè)轉(zhuǎn)子位置傳感器，用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過(guò)程中的位置，它與電子換向線路一起，替代了有刷直流伺服電機(jī)的機(jī)械換向裝置。綜上所述，無(wú)刷直流伺服電機(jī)由電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子換向線路三大部分組成，如圖6-10所示。圖6-10無(wú)刷直流伺服電機(jī)組成

無(wú)刷直流伺服電機(jī)的外觀有很多種，常見(jiàn)的如圖6-11和圖6-12所示。圖6-11無(wú)刷直流伺服電機(jī)外觀一圖6-12無(wú)刷直流伺服電機(jī)外觀二

無(wú)刷直流伺服電機(jī)的本體的主要部件有轉(zhuǎn)子和定子。首先，它們必須滿足電磁方面的要求，保證在工作氣隙中產(chǎn)生足夠的磁通，電樞繞組允許通過(guò)一定的電流，以便產(chǎn)生一定的電磁轉(zhuǎn)矩；其次，它們要滿足機(jī)械方面的要求，保證機(jī)械結(jié)構(gòu)牢固和穩(wěn)定，能傳送一定的轉(zhuǎn)矩，并能經(jīng)受住一定環(huán)境條件的考驗(yàn)。此外，對(duì)于轉(zhuǎn)子和定子，還要考慮節(jié)約材料、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、運(yùn)行可靠和溫升不超過(guò)規(guī)定的范圍等要求。無(wú)刷直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖6-13所示。圖6-13無(wú)刷直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.定子部分

(1)定子鐵芯。定子鐵芯一般由硅鋼片疊成，選用硅鋼片的目的是減少主定子的鐵耗。硅鋼片沖成帶有齒槽的環(huán)形沖片，在槽內(nèi)嵌入放電樞繞組，槽數(shù)視繞組的相數(shù)和極對(duì)數(shù)而定。為減少鐵芯的渦流損耗，沖片表面涂絕緣漆或磷化處理。為了減少噪聲和寄生轉(zhuǎn)矩，定子鐵芯采用斜槽，一般斜一個(gè)槽距。組裝定子部分時(shí)，先將疊裝后的鐵芯槽內(nèi)放置槽絕緣和電樞線圈，然后整形、浸漆，最后把主定子鐵芯壓入機(jī)殼內(nèi)。有時(shí)為了增加絕緣和機(jī)械強(qiáng)度，還需要采用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行灌封。

圖6-14所示為圖6-13所示無(wú)刷直流伺服電機(jī)的定子鐵芯。圖6-14定子鐵芯

(2)電樞繞組。電樞繞組是電機(jī)本體的一個(gè)最重要部件。當(dāng)電機(jī)接上電源后，電流流入繞組，產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)，與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電機(jī)帶著負(fù)載轉(zhuǎn)起來(lái)以后，便在繞組中產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，吸收一定的電功率，并通過(guò)轉(zhuǎn)子輸出一定的機(jī)械功率，從而實(shí)現(xiàn)了將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。顯然，繞組在實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換過(guò)程中起著極其重要的作用。因此，對(duì)繞組的要求有兩方面：一方面它能通過(guò)一定的電流，產(chǎn)生足夠的磁動(dòng)勢(shì)以得到足夠的轉(zhuǎn)矩；另一方面它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，并應(yīng)盡可能節(jié)省材料。

繞組一般分為集中繞組和分布繞組兩種，其中集中繞組的工藝簡(jiǎn)單，制造方便，但因繞組集中在一起，空間利用率差，發(fā)熱集中，對(duì)散熱不利；分布繞組的工藝較復(fù)雜，但能克服集中繞組的一些不足。繞組由許多線圈連接而成，每個(gè)線圈也叫繞組元件，由漆包線在繞線模上繞制而成。線圈的直線部分放在鐵芯槽內(nèi)，其端接部分有兩個(gè)出線頭，把各個(gè)線圈的出線頭按一定規(guī)律連接起來(lái)即可得到主定子繞組。圖6-15所示為圖6-13所示的無(wú)刷直流伺服電機(jī)的定子繞組的接線。圖6-15定子繞組接線圖

2.轉(zhuǎn)子部分

轉(zhuǎn)子是電機(jī)本體的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，是產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)的部件，它由三部分組成，即永磁體、導(dǎo)磁體和支撐零部件。永磁體和導(dǎo)磁體是產(chǎn)生磁場(chǎng)的核心，由永磁材料和導(dǎo)磁材料組成。無(wú)刷直流伺服電機(jī)常采用的永磁材料有鋁鎳鈷、鐵氧體、釹鐵硼及高磁能積的稀土鈷永磁材料等。

常見(jiàn)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)所采用的磁極形式有以下三種形式。

(1)表面粘貼式磁極(又稱為瓦形磁極)。

(2)嵌入式磁極(又稱為矩形磁極)。

(3)環(huán)形磁極。

機(jī)械支撐零部件主要是指轉(zhuǎn)軸、軸套和壓圈等，它們起固定永磁體和導(dǎo)磁體的作用。轉(zhuǎn)軸由非導(dǎo)磁材料(如圓鋼或玻璃鋼棒等)車磨而成，且具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和剛度。軸套和壓圈通常由黃銅或鋁等非導(dǎo)磁材料制成。

3.電子換向線路

電子換向線路和位置傳感器相配合，起到與機(jī)械換向類似的作用。所以，電子換向線路也是無(wú)刷直流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸換向的兩個(gè)重要組成部分之一。

電子換向線路的作用是將位置傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、預(yù)放大、功率放大，然后觸發(fā)末級(jí)功率晶體管，使電樞繞組按一定的邏輯程序通電，保證電機(jī)的可靠運(yùn)行。

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)電子換向線路的基本要求是線路簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、體積小、重量輕、功耗小，同時(shí)能按照位置傳感器的信號(hào)進(jìn)行正確換向和控制，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，并且能滿足不同環(huán)境條件和長(zhǎng)期運(yùn)行的要求。

6.2直流伺服電機(jī)的原理

6.2.1有刷直流伺服電機(jī)的原理有刷直流伺服電機(jī)的基本原理就是利用洛倫茲力定律(f=BIL)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。圖6-16為有刷直流伺服電機(jī)的原理，一個(gè)載流導(dǎo)體位于一個(gè)磁場(chǎng)中，空間上與磁力線垂直，這樣會(huì)產(chǎn)生一個(gè)力(洛倫茲力)，它與磁力線和導(dǎo)體垂直。圖6-16-有刷直流伺服電機(jī)的原理

為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，需要電刷和換向器，換向器也常稱為整流子。有刷直流伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)的基本原理如圖6-17所示。圖中換向器由相互絕緣的兩片換向片構(gòu)成，而線圈的兩個(gè)引出線分別接到換向片上。線圈的上下兩個(gè)邊產(chǎn)生的洛倫茲力使線圈逆時(shí)針轉(zhuǎn)起來(lái)，當(dāng)線圈轉(zhuǎn)過(guò)90°時(shí)，在電刷和換向器的作用下，流過(guò)線圈的電流反向，根據(jù)洛倫茲力的原理，產(chǎn)生的力繼續(xù)維持逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。圖6-17有刷直流伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)的基本原理

事實(shí)上，導(dǎo)體的電流方向與磁場(chǎng)方向一直垂直，所以可用圖6-18所示的勵(lì)磁電流與電樞電流的關(guān)系進(jìn)一步描述勵(lì)磁電流與電樞電流之間的關(guān)系，即f=BILsinθ，其中θ表示磁場(chǎng)方向與電流方向的夾角。如果θ為90°，則得出的洛倫茲力最大，也就是說(shuō)當(dāng)電流方向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)能夠有最大的洛倫茲力。這也就給出了在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)讓電樞電流與磁場(chǎng)相互正交的原因，因?yàn)檫@樣可以使得電機(jī)得到最大的洛倫茲力。圖6-18勵(lì)磁磁場(chǎng)與電樞電流的關(guān)系

結(jié)合圖6-17，假設(shè)外加的電樞電壓為U，則在導(dǎo)體中會(huì)感應(yīng)出一個(gè)相反的電動(dòng)勢(shì)，方向與導(dǎo)體上原來(lái)的電流方向相反，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)稱為反電動(dòng)勢(shì)，其在分析電機(jī)運(yùn)行時(shí)尤為重要。

假設(shè)E為反電動(dòng)勢(shì)，則

式中，N

為電樞繞組的匝數(shù)，Φ

為每極下的磁通。

根據(jù)有刷直流伺服電機(jī)的等效電路(如圖6-19所示)可知，

式中，Rf+Ra

為電樞繞組阻抗，Ia

為電樞電流，U

為電樞電壓。

在有刷直流伺服電機(jī)中，電流

轉(zhuǎn)矩圖以及電壓

轉(zhuǎn)速圖是理解有刷直流伺服電機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵，它們分別如圖6-20和圖6-21所示。圖6-19有刷直流伺服電機(jī)的等效電路圖6-20電流

轉(zhuǎn)矩圖圖6-21電壓

轉(zhuǎn)速圖

電流與電磁轉(zhuǎn)矩之間互為正比例，電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為

式中，z

為電樞的導(dǎo)體數(shù)，a

為并聯(lián)回路對(duì)數(shù)，p

為極數(shù)，KT

為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。

有刷直流伺服電機(jī)是一種控制性能非常優(yōu)越的電機(jī)，因?yàn)樵谟兴⒅绷魉欧姍C(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中，由勵(lì)磁電流所產(chǎn)生的主磁通與電樞電流產(chǎn)生的電樞磁動(dòng)勢(shì)在空間是互相垂直的，

兩者之間沒(méi)有耦合關(guān)系。在正常運(yùn)行條件下，勵(lì)磁電流維持電機(jī)的磁場(chǎng)磁通，電樞電流改變轉(zhuǎn)矩，由于兩者是相互解耦的，因此在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種情況下，調(diào)速系統(tǒng)都能保持轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的高靈敏度，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性得以優(yōu)化。圖6-22所示為有刷直流伺服電機(jī)調(diào)速的原理框圖。圖中，n*

代表轉(zhuǎn)速輸入值，IA*代表電流輸入值，IA

代表電流，IF*

代表電流輸入?yún)⒖贾?。圖6-22有刷直流伺服電機(jī)調(diào)速的原理框圖

6.2.2無(wú)刷直流伺服電機(jī)的原理

在無(wú)刷直流伺服電機(jī)中，借助反映轉(zhuǎn)子位置的位置傳感器的輸出信號(hào)，通過(guò)電子換向線路驅(qū)動(dòng)與電樞繞組連接的相應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)器件，即無(wú)刷直流伺服電機(jī)本質(zhì)上是把直流電

源轉(zhuǎn)換成交流電源，使得電樞繞組依次饋電，從而在定子上產(chǎn)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，位置傳感器不斷地送出信號(hào)，以改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下導(dǎo)體中的電流方向始終保持不變，這就是無(wú)刷直流伺服電機(jī)的無(wú)接觸式換向過(guò)程。圖6-23為無(wú)刷直流伺服電機(jī)的工作原理框圖。圖6-23無(wú)刷直流伺服電機(jī)的工作原理框圖

1.電樞繞組的連接方式

無(wú)刷直流伺服電機(jī)的電樞繞組與交流電機(jī)的定子繞組類似，有星形繞組和封閉式繞組兩類，它們的換向線路一般也有橋式和非橋式之分。這樣，電樞繞組與換向線路相組合時(shí)，

其形式是多種多樣的，歸納起來(lái)可分為下列幾種。

(1)星形繞組。星形繞組是把所有繞組的首端或尾端接在一起，與之相配合的電子換向線路可以為橋式線路，也可以為非橋式線路。橋式星形連接如圖6-24(a)、(b)所示，非橋式星形連接如圖6-24(c)~(e)所示。圖6-24星形繞組圖6-24星形繞組

(2)封閉式繞組。封閉式繞組是由各相繞組組成封閉形，即第一相繞組的尾端與第二相繞組的首端相連接，第二相繞組的尾端再與第三相繞組的首端相連接，依次類推，直至最后一相繞組的尾端又與第一相繞組的首端相連接，與之相配合的電子換向線路為橋式線路。圖6-25(a)所示為三相封閉式橋式連接，而圖6-26(b)所示為四相封閉式橋式連接。圖6-25封閉式繞組

2.換向的實(shí)現(xiàn)

在無(wú)刷直流伺服電機(jī)中，來(lái)自位置傳感器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)按照一定的邏輯使某些功率開(kāi)關(guān)器件在某一瞬間導(dǎo)通或截止，電樞繞組內(nèi)的電流發(fā)生跳變，從而改變主定子的磁狀態(tài)。電

樞繞組內(nèi)的這種電流變化過(guò)程的物理現(xiàn)象稱為換向。

圖6-26所示為三相星形非橋式聯(lián)結(jié)的換向線路的原理圖。在換向過(guò)程中，電樞繞組的電流會(huì)在工作氣隙內(nèi)形成跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這種旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在360°電角度范圍內(nèi)有三個(gè)磁狀態(tài)，每個(gè)磁狀態(tài)持續(xù)120°電角度，所以稱這種換向過(guò)程為“一相導(dǎo)通星形三相三狀態(tài)”。這種狀態(tài)的各相繞組電流與主轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相互關(guān)系如圖6-27所示。圖6-26三相星形非橋式連接的換向電路的原理圖圖6-27繞組電流與主轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相互關(guān)系

3.位置傳感器

目前得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目前在無(wú)刷直流電機(jī)中常用的位置傳感器有下述幾種形式。

1)電磁式位置傳感器

電磁式位置傳感器是利用電磁效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)其位置測(cè)量作用的，有開(kāi)口變壓器位置傳感器、接近開(kāi)關(guān)式位置傳感器等類型。

(1)開(kāi)口變壓器位置傳感器。

(2)接近開(kāi)關(guān)式位置傳感器。

2)光電式位置傳感器

光電式位置傳感器是利用光電效應(yīng)制成的，由跟隨電機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的碼盤(pán)、固定不動(dòng)的光源(發(fā)光二極管(LED)、光敏元件及平行光柵等部件組成，如圖6-28所示。圖6-28光電式位置傳感器的結(jié)構(gòu)

3)磁敏式位置傳感器

磁敏式位置傳感器是指它的某些電參數(shù)按一定規(guī)律隨周圍磁場(chǎng)變化的半導(dǎo)體敏感元件，其基本原理為霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)。常見(jiàn)的磁敏式位置傳感器有霍爾元件或霍爾集成

電路、磁敏電阻以及磁敏二極管等。其中根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制成的霍爾元件、霍爾集成電路、霍爾組件統(tǒng)稱為霍爾效應(yīng)磁敏傳感器，簡(jiǎn)稱霍爾傳感器?；魻栐陔姍C(jī)的每一個(gè)電周期內(nèi)產(chǎn)生所要求的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。也就是說(shuō)，電機(jī)傳感器的永磁轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)一對(duì)磁極(N、S極)的轉(zhuǎn)角，產(chǎn)生與電機(jī)邏輯分配狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)數(shù)，以完成電機(jī)的一個(gè)換向全過(guò)程。如果轉(zhuǎn)子充磁的極對(duì)數(shù)越多，則在360°機(jī)械角度內(nèi)完成該換向過(guò)程的次數(shù)也就越多。

6.3無(wú)刷直流伺服電機(jī)的運(yùn)行特性

由于無(wú)刷直流伺服電機(jī)在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用更廣泛，所以本節(jié)只討論無(wú)刷直流伺服電機(jī)。無(wú)刷直流伺服電機(jī)的運(yùn)行特性是指電機(jī)在啟動(dòng)、正常工作和調(diào)速等情況下，電機(jī)外部各可測(cè)物理量之間的關(guān)系。

電機(jī)是一種輸入電功率、輸出機(jī)械功率的原動(dòng)機(jī)械。因此，我們最關(guān)心的是它的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，以及轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速隨輸入電壓、電流、負(fù)載的變化而變化的規(guī)律。據(jù)此，電機(jī)的運(yùn)行特性可分為啟動(dòng)特性、工作特性、調(diào)節(jié)特性和機(jī)械特性。討論各種電機(jī)的運(yùn)行特性時(shí)，一般都從轉(zhuǎn)速公式、電動(dòng)勢(shì)平衡方程式、轉(zhuǎn)矩公式和轉(zhuǎn)矩平衡方程式出發(fā)。

對(duì)于無(wú)刷直流伺服電機(jī)，其電動(dòng)勢(shì)平衡方程式為

式中，U

是電源電壓(V)；E

是電樞繞組反電動(dòng)勢(shì)(V)；I

是平均電樞電流(A)；R

是電樞繞組的平均電阻(Ω)；ΔU

是功率晶體管飽和管壓降(V)，對(duì)于橋式換向線路為2ΔU。

6.3.1啟動(dòng)特性

由式(6-1)~式(6-6)可知，電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，由于反電動(dòng)勢(shì)為零，因此電樞電流(即啟動(dòng)電流)為

其值可為正常工作電樞電流的幾倍到十幾倍。所以當(dāng)啟動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩很大時(shí)，電機(jī)可以很快啟動(dòng)，并能帶負(fù)載直接啟動(dòng)。隨著轉(zhuǎn)子的加速，反電動(dòng)勢(shì)E增加，電磁轉(zhuǎn)矩降低，加速轉(zhuǎn)矩也減小，最后電機(jī)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。在空載啟動(dòng)時(shí)，電樞電流和轉(zhuǎn)速的變化如圖6-29所示。圖6-29空載啟動(dòng)時(shí)電樞電流與轉(zhuǎn)速的變化

如果不考慮限制啟動(dòng)電流，則圖6-29中轉(zhuǎn)速曲線的形狀由電機(jī)阻尼比決定。根據(jù)電機(jī)的傳遞函數(shù)，當(dāng)阻尼比0<ξ<1時(shí)，系統(tǒng)處于欠阻尼狀態(tài)，轉(zhuǎn)速和電流會(huì)經(jīng)過(guò)一段超調(diào)和振蕩過(guò)程才能逐漸平穩(wěn)，如圖6-30所示。實(shí)際中由于要對(duì)電樞電流加以限制，因此啟動(dòng)時(shí)一般不會(huì)有如圖6-30所示的轉(zhuǎn)速、電流振蕩。圖6-30啟動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)速和電流振蕩

6.3.2工作特性

工作特性是指在直流母線電壓U不變的情況下，電樞電流、電機(jī)效率和輸出轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。電樞電流隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增大而增大，這樣電磁轉(zhuǎn)矩才能平衡負(fù)載轉(zhuǎn)矩，保證電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。

電機(jī)輸入功率為

式中，PCu為電樞繞組的銅損耗；Pe為電磁功率；PT

為逆變橋功率器件的損耗，其大小和電子器件特性及門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓有關(guān)，這里近似認(rèn)為不變。

可見(jiàn)，電機(jī)的輸入功率由電磁功率Pe

和損耗

PCu+PT

兩部分組成。其中電磁功率是電源克服反電動(dòng)勢(shì)所消耗的功率，經(jīng)由磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，以電磁轉(zhuǎn)矩的形式作用于轉(zhuǎn)子?？紤]到負(fù)載端的損耗，這部分功率傳遞可以表示為

式中，TL

為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；T0

為對(duì)應(yīng)于空載損耗的空載轉(zhuǎn)矩；P2

為輸出功率；P0

為空載損耗，包括鐵芯損耗和機(jī)械摩擦損耗兩部分；ω

為轉(zhuǎn)子的角速度。

式(6-13)中的PT+P0

不隨負(fù)載變化，為不變損耗；銅損耗PCu隨著負(fù)載的變化而變化，屬于可變損耗。式(6-13)表明，當(dāng)無(wú)刷直流伺服電機(jī)的可變損耗等于不變損耗時(shí)，電機(jī)的效率最高。圖6-31給出了當(dāng)直流母線電壓U

不變時(shí)，無(wú)刷直流伺服電機(jī)的電樞電流和效率隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化的曲線。圖6-31無(wú)刷直流伺服電機(jī)的電樞電流和效率隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化曲線

6.3.3調(diào)節(jié)特性

調(diào)節(jié)特性是指在電磁轉(zhuǎn)矩Te

不變的情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速和直流母線電壓U

之間的變化關(guān)系。不計(jì)功率器件損耗，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)

直流伺服電機(jī)的電樞電流I

與磁通相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩，且電磁轉(zhuǎn)矩的大小為

結(jié)合式(6-14)和式(6-15)可以得到

圖6-32為不同電磁轉(zhuǎn)矩下無(wú)刷直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨U變化的調(diào)節(jié)特性曲線。圖6-32無(wú)刷直流伺服電機(jī)的調(diào)節(jié)特性曲線

6.3.4機(jī)械特性

機(jī)械特性是指在直流母線電壓U

不變的情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。由式(6-16)可得到不同電壓下無(wú)刷直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性曲線，如圖6-33所示。圖6-33無(wú)刷直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性曲線

6.4無(wú)刷直流伺服電機(jī)的控制系統(tǒng)

6.4.1PID控制比例積分微分(proportionalintegralderivative，PID)控制是最早發(fā)展起來(lái)的線性控制算法之一，至今已有七十多年歷史，目前仍然是工業(yè)控制系統(tǒng)中最常用的一類控制算法。由于其具有算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高和參數(shù)易整定等優(yōu)點(diǎn)，已在工程實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用，其控制系統(tǒng)框圖如圖6-34所示。圖6-34PID控制系統(tǒng)框圖

標(biāo)準(zhǔn)PID控制器的基本原理是根據(jù)設(shè)定值r(t)與實(shí)際值y(t)之間的偏差e(t)，按比例

積分

微分的線性組合關(guān)系構(gòu)成控制量u(t)，利用控制量再對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。連續(xù)控制系統(tǒng)PID控制規(guī)律形式為

式中，kp為比例常數(shù)，TI

為積分時(shí)間常數(shù)，TD

為微分時(shí)間常數(shù)。

為了提高現(xiàn)代電機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性，一般使用數(shù)字式PID控制器。與傳統(tǒng)的PID控制器相比較，數(shù)字式PID控制器具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)數(shù)字元器件比模擬元器件具有更高的可靠性、靈活性和穩(wěn)定性；

(2)抗干擾性相對(duì)較強(qiáng)；

(3)控制靈活、系統(tǒng)精度高且易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法；

(4)易于實(shí)現(xiàn)與上層系統(tǒng)或遠(yuǎn)程終端的通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的分布式或網(wǎng)絡(luò)控制。

6.4.2PID控制器設(shè)計(jì)

1.抗積分飽和(anti-windup)控制器設(shè)計(jì)

應(yīng)用PID控制器對(duì)無(wú)刷直流伺服電機(jī)進(jìn)行單環(huán)或雙環(huán)調(diào)速已獲深入研究，通常能滿足一般應(yīng)用場(chǎng)合的調(diào)速要求。但是，由于無(wú)刷直流伺服電機(jī)是一個(gè)多變量、非線性系統(tǒng)，因此還有許多問(wèn)題需深入研究。目前，無(wú)刷直流伺服電機(jī)大多采用PID控制器和PWM調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)速，速度環(huán)后面往往有電流限幅環(huán)節(jié)，PWM本身也可視為一個(gè)飽和環(huán)節(jié)。雙閉環(huán)無(wú)刷直流伺服電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)如圖6-35所示。圖6-35雙閉環(huán)無(wú)刷直流伺服電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)

抗積分飽和控制器的種類有很多，主要分為線性抗積分飽和控制器和非線性抗積分飽和控制器兩大類。這兩類抗積分飽和控制器的原理均是根據(jù)系統(tǒng)的限幅作用與否(即根據(jù)控制器的輸出與被控對(duì)象的輸入是否不等)來(lái)停止或限制積分。兩者的不同之處只是非線性抗積分飽和控制器中存在開(kāi)關(guān)環(huán)節(jié)等非線性控制單元?？狗e分飽和控制器已經(jīng)在感應(yīng)電

機(jī)和永磁同步電機(jī)等中獲得應(yīng)用。

2.智能控制器設(shè)計(jì)

智能控制是結(jié)合自動(dòng)控制與人工智能概念而產(chǎn)生的一種控制方法，通常泛指以模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等智能算法為基礎(chǔ)的控制。智能控制已經(jīng)在電機(jī)控制、電機(jī)參數(shù)

辨識(shí)與狀態(tài)估計(jì)、電機(jī)故障檢測(cè)與診斷等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。圖6-36為典型的無(wú)刷直流伺服電機(jī)智能控制系統(tǒng)框圖。圖6-36無(wú)刷直流伺服電機(jī)智能控制系統(tǒng)框圖

圖6-37列出了兩種典型的智能控制方法結(jié)合方式。圖6-37智能控制方法結(jié)合方式

下面僅對(duì)模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制進(jìn)行介紹。

1)模糊控制

經(jīng)典的模糊控制系統(tǒng)由模糊控制器和控制對(duì)象組成，其結(jié)構(gòu)如圖6-38所示。圖6-38模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖6-39標(biāo)準(zhǔn)模糊控制器

(2)模糊-PID切換控制器。模糊-PID切換控制器如圖6-40所示。圖6-40模糊PID切換控制器

(3)優(yōu)化模糊控制器。優(yōu)化模糊控制器如圖6-41所示。圖6-41優(yōu)化模糊控制器

應(yīng)用在無(wú)刷直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的模糊控制器還有其他多種形式，而且隨著技術(shù)的發(fā)展必將涌現(xiàn)出更多的新型模糊控制器。圖6-42所示就是一種模糊預(yù)補(bǔ)償控制器(圖中，u0

為PID控制器的輸出值，u1

為模糊前饋補(bǔ)償控制器的輸出值)，特殊場(chǎng)合下圖中PID控制器可以取消，其基本控制思想是首先利用模糊前饋補(bǔ)償控制器對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際參考輸入進(jìn)行補(bǔ)償，得到理想的參考輸入信號(hào)，然后再利用傳統(tǒng)PID控制器對(duì)無(wú)刷直流伺服電機(jī)進(jìn)行控制。圖6-42模糊預(yù)補(bǔ)償控制器

2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)簡(jiǎn)稱神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，最早起源于19世紀(jì)初的Freud精神分析學(xué)時(shí)期，現(xiàn)已在永磁同步電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、超聲波電機(jī)和無(wú)刷直流伺服電機(jī)等各種新型電機(jī)控制中得到了充分的應(yīng)用，其包括位置、速度與電流控制以及電機(jī)參數(shù)辨識(shí)和狀態(tài)估計(jì)。

獲得訓(xùn)練樣本以后，就可以按上文提出的自適應(yīng)訓(xùn)練算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行離線訓(xùn)練，整個(gè)離線訓(xùn)練算法在PC中由MATLAB實(shí)現(xiàn)。