淺析直流伺服電動(dòng)機與交流伺服電動(dòng)機，直流伺服電動(dòng)機的驅動(dòng)模塊解析

　　伺服電機（servo motor ）是指在伺服系統中控制機械元件運轉的發(fā)動(dòng)機，是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動(dòng)控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動(dòng)控制系統中，用作執行元件，且具有機電時(shí)間常數小、線(xiàn)性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號轉換成電動(dòng)機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機兩大類(lèi)，其主要特點(diǎn)是，當信號電壓為零時(shí)無(wú)自轉現象，轉速隨著(zhù)轉矩的增加而勻速下降。

　　1、直流伺服電動(dòng)機

　　直流伺服電動(dòng)機實(shí)際上就是他勵直流電動(dòng)機，其結構和原理與普通的他勵直流電動(dòng)機相同，只不過(guò)直流伺服電動(dòng)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(guò)改變控制信號的大小和極性來(lái)控制轉子轉速的大小和方向；磁場(chǎng)控制：把控制信號加到勵磁繞組上進(jìn)行控制。

　　直流伺服電動(dòng)機進(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。而勵磁方式則有兩種：一種用勵磁繞組通過(guò)直流電流進(jìn)行勵磁，稱(chēng)為電磁式直流伺服電動(dòng)機；另一種使用永久磁鐵作磁極，省去勵磁繞組，稱(chēng)為永磁式直流伺服電動(dòng)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(xiàn)。

　?。?）調節特性

　　調節特性是指在一定的轉矩下電機的轉速n與控制電壓Uc的關(guān)系。

　　由調節特性可以看出，當轉矩不變時(shí)，如增強控制信號Uc，直流伺服電動(dòng)機的轉速增加，且呈正比例關(guān)系；反之減弱控制信號Uc減弱到某一數值U1直流伺服電動(dòng)機停止轉動(dòng)，即在控制信號Uc小于U1時(shí)，電機堵轉，要使電機能夠轉動(dòng)，控制信號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)機的機械特性和調節特性都是線(xiàn)性的，而且不存在“自轉”現象。

　　2、交流伺服電動(dòng)機

　　交流伺服電動(dòng)機實(shí)際上就是兩相異步電動(dòng)機，所以有時(shí)也叫兩相伺服電動(dòng)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(dòng)機的工作原理與單相異步電動(dòng)機有相似之處。當交流伺服電動(dòng)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(shí)（即無(wú)控制電壓）所產(chǎn)生的是脈振磁通勢，所建立的是脈振磁場(chǎng)，電機無(wú)起動(dòng)轉矩；

　　當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(shí)，建立起橢圓形旋轉

　　磁場(chǎng)（若Ic與If相位差為90°時(shí)，則為圓形旋轉磁場(chǎng)），于是產(chǎn)生起動(dòng)力矩，電機轉子轉動(dòng)起來(lái)。如果電機參數與一般的單相異步電動(dòng)機一樣，那么當控制信號消失時(shí)，電機轉速雖會(huì )下降些，但仍會(huì )繼續不停地轉動(dòng)。伺服電動(dòng)機在控制信號消失后仍繼續旋轉的失控現象稱(chēng)為“自轉”。

　　可以通過(guò)增加轉子電阻的辦法來(lái)消除“自轉”。

　　直流伺服電動(dòng)機的驅動(dòng)模塊

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

　?。?）直流伺服電動(dòng)機驅動(dòng)模塊的基本形式及原理

　　原理上，直流伺服電動(dòng)機驅動(dòng)模塊也由功率電路和控制電路兩部分構成。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）。

　?。?）用功率電子器件構成的驅動(dòng)模塊DSMDR

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

　?。?）用功率集成電路構成DSMDR驅動(dòng)模塊

　　由于直流伺服電動(dòng)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成直流伺服放大器直接驅動(dòng)直流伺服電動(dòng)機。此外，目前市場(chǎng)上已有專(zhuān)用于驅動(dòng)直流伺服電動(dòng)機的專(zhuān)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成直流伺服放大器非常簡(jiǎn)單和容易。

　　控制信號由計算機控制系統給定，通過(guò)接口和功放電路驅動(dòng)直流伺服電動(dòng)機。

　　功放電路又稱(chēng)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：根據控制指令信號對脈沖寬度進(jìn)行調制，用寬度隨指令變化的脈沖信號去控制大功率晶體管的導通時(shí)間，實(shí)現對電樞繞組兩端電壓的控制。

　?。?）開(kāi)關(guān)功率放大器

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

　　開(kāi)關(guān)功率放大器常采用大功率晶體管構成。根據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學(xué)模型

　　如果忽略功放電路中晶體管的導通壓降，則UP的幅值與電源電壓UC相等。設三角波周期為T(mén)，US的正脈沖寬度為T(mén)P，則一個(gè)周期內電樞繞組兩端的電壓Ua為：

　　展開(kāi)成傅里葉級數，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，可得到其數學(xué)模型如下：

　　3、設計功放電路時(shí)應注意的問(wèn)題

　　切換頻率的選擇

　?。?）切換頻率應使電動(dòng)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大于允許的角位置誤差。

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

　?。?）切換頻率應高于系統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(kāi)關(guān)狀態(tài)，其允許的開(kāi)關(guān)頻率一定要大于切換頻率，而且開(kāi)關(guān)特性要好，導通后的壓降要小，反向耐壓要高，以保證驅動(dòng)電路和電動(dòng)機性能的發(fā)揮。