淺析直流伺服電動(dòng)機(jī)與交流伺服電動(dòng)機(jī)，直流伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊解析

　　伺服電機(jī)（servo motor ）是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)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(dòng)機(jī)

　　直流伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)際上就是他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)和原理與普通的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)相同，只不過直流伺服電動(dòng)機(jī)輸出功率較小而已。

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

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

　?。?）機(jī)械特性

　　改變控制電壓Uc，而機(jī)械特性的斜率不變，故其機(jī)械特性是一組平行的直線。

　?。?）調(diào)節(jié)特性

　　調(diào)節(jié)特性是指在一定的轉(zhuǎn)矩下電機(jī)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(shí)，如增強(qiáng)控制信號(hào)Uc，直流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速增加，且呈正比例關(guān)系；反之減弱控制信號(hào)Uc減弱到某一數(shù)值U1直流伺服電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，即在控制信號(hào)Uc小于U1時(shí)，電機(jī)堵轉(zhuǎn)，要使電機(jī)能夠轉(zhuǎn)動(dòng)，控制信號(hào)Uc必須大于U1才行，故U1　叫做始動(dòng)電壓。

　　電樞控制時(shí)的直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)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(dòng)機(jī)

　　交流伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)際上就是兩相異步電動(dòng)機(jī)，所以有時(shí)也叫兩相伺服電動(dòng)機(jī)。電機(jī)定子上有兩相繞組，一相叫勵(lì)磁繞組f，接到交流勵(lì)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(lì)磁電壓Uf和控制電壓Uc頻率相同。

　　交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理與單相異步電動(dòng)機(jī)有相似之處。當(dāng)交流伺服電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組接到勵(lì)磁電流Uf上，若控制繞組加上的控制電壓Uc為0時(shí)（即無控制電壓）所產(chǎn)生的是脈振磁通勢(shì)，所建立的是脈振磁場(chǎng)，電機(jī)無起動(dòng)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(lì)磁電流的相位不同時(shí)，建立起橢圓形旋轉(zhuǎn)

　　磁場(chǎng)（若Ic與If相位差為90°時(shí)，則為圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)），于是產(chǎn)生起動(dòng)力矩，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)起來。如果電機(jī)參數(shù)與一般的單相異步電動(dòng)機(jī)一樣，那么當(dāng)控制信號(hào)消失時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速雖會(huì)下降些，但仍會(huì)繼續(xù)不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。伺服電動(dòng)機(jī)在控制信號(hào)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(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊

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

　?。?）直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的基本形式及原理

　　原理上，直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)模塊，

　?。?）用功率集成電路構(gòu)成DSMDR驅(qū)動(dòng)模塊

　　由于直流伺服電動(dòng)機(jī)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(dòng)直流伺服電動(dòng)機(jī)。此外，目前市場(chǎng)上已有專用于驅(qū)動(dòng)直流伺服電動(dòng)機(jī)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(jiǎn)單和容易。

　　控制信號(hào)由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)給定，通過接口和功放電路驅(qū)動(dòng)直流伺服電動(dòng)機(jī)。

　　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(hào)對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，用寬度隨指令變化的脈沖信號(hào)去控制大功率晶體管的導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)電樞繞組兩端電壓的控制。

　　（2）開關(guān)功率放大器

　　作用：對(duì)電壓—脈寬變換器輸出的信號(hào)Us進(jìn)行放大，輸出具有足夠功率的信號(hào)Up，以驅(qū)動(dòng)直流伺服電動(dòng)機(jī)。

　　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(gè)周期內(nèi)電樞繞組兩端的電壓Ua為：

　　展開成傅里葉級(jí)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(dòng)機(jī)的頻帶高得多，因而所有的諧波（即交流分量）都將被電動(dòng)機(jī)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(jiǎn)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(jì)功放電路時(shí)應(yīng)注意的問題

　　切換頻率的選擇

　?。?）切換頻率應(yīng)使電動(dòng)機(jī)軸產(chǎn)生微振，以克服靜摩擦，改善運(yùn)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。

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

　　（3）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(dòng)電路和電動(dòng)機(jī)性能的發(fā)揮。