直流伺服电动机控制系统及PWM驱动原理

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：采用直流伺服电动机作为执行元件的伺服控制系统，称为直流伺服系统。直流伺服电机驱动控制方式直流伺服电机为直流供电，为调节电机转速和方向，需要对其直流电压的大小和方向进行驱动控制。脉冲宽度调制直流调速驱动系统原理如下式所示。1）PWM变换器基本原理脉宽调制型功率放大电路的基本原理是：利用大功率电器的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压，通过对方脉冲宽度的控制，改变输出电压的平均值。

采用直流伺服电动机作为执行元件的伺服控制系统，称为直流伺服系统。

（1）直流伺服电机驱动控制方式

直流伺服电机为直流供电，为调节电机转速和方向，需要对其直流电压的大小和方向进行驱动控制。目前常用可控硅变流技术直流调速驱动和晶体管脉宽调速驱动两种方式。

近年来，随着半导体制造技术和变流技术的发展，相继出现了绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）、场控晶闸管（MCT）等新型电力电子器件。传统的开关器件包括晶闸管（SCR）、电力晶体管（GTR），可关断晶闸管（GTO）、电力场效应晶体管（MOSFET）等。包括可控硅（晶闸管）在内的电力电子器件是变流技术的核心。随着电力电子器件的发展，变流技术得到了突飞猛进的发展，特别是在交流调速应用方面获得了极大的成就。

变流技术按其功能应用可分成以下几种变流器类型。

整流器——把交流电变为固定的（或可调的）直流电。

逆变器——把固定直流电变成固定的（或可调的）交流电。

斩波器——把固定的直流电压变成可调的直流电压。

交流调压器——把固定的交流电压变成可调的交流电压。

周波变流器——把固定的交流电压和频率变成可调的交流电压和频率。

（2）常用直流伺服电机驱动

直流伺服电动机的驱动控制一般采用脉冲调制法（Pulse Width Modulation，PWM）。它是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压，广泛地用于电动机调速和阀门控制，如我们现在的电动车电机调速就是使用这种方式。

采用脉宽调速驱动系统，其开关频率高（通常达2 000～3 000 Hz），伺服机构能够响应的频带范围也较宽，与可控硅相比其输出电流脉动非常小，接近纯直流。

脉冲宽度调制（PWM）直流调速驱动系统原理如下式所示。

式中，μ为导通率，又称占空比或占空系数。

1）PWM变换器基本原理

脉宽调制型（PWM）功率放大电路的基本原理是：利用大功率电器的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压，通过对方脉冲宽度的控制，改变输出电压的平均值。如图4－9所示。

式中，μ为导通率，又称占空比或占空系数。

1）PWM变换器基本原理

图4－9　脉宽调速示意图

2）双极式PWM变换器

双极式PWM变换器的电路和电压、电流波形如图4－10和图4－11所示。H型电路是实际上广泛应用的可逆PWM变换器电路，它由四个可控电力电子器件（以下以电力晶体管为例）和四个续流二极管组成的桥式电路，这种电路只需要单极性电源，所需电力电子器件的耐压相对较低，但是构成调速系统的电动机电枢两端浮地。

图4－9　脉宽调速示意图

2）双极式PWM变换器

图4－10　双极式H型可逆PWM变换器的电路

图4－11　双极式PWM变换器的电压和电流波形

根据图4－10很容易导出双极式可逆PWM变换器电枢两端平均电压的表达式为

图4－11　双极式PWM变换器的电压和电流波形

根据图4－10很容易导出双极式可逆PWM变换器电枢两端平均电压的表达式为

双极式PWM变换器特点如下。

优点：

①电流连续；

②可使电动机在四个象限中运行；

③电动机停止时，有微振电流，能消除摩擦死区；

④低速时，每个晶体管的驱动脉冲仍较宽，有个晶体管的可靠导通；

⑤低速时平稳性好，调速范围宽。

缺点：在工作过程中，四个功率晶体管都处于开关状态，开关损耗大，且容易发生上、下两管直通的事故。为了防止上、下两管同时导通，在一管关断和另一管导通的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。

综上所述，我们可以看出直流伺服系统的优、缺点如下。

优点：精确的速度控制；转矩速度特性很硬；原理简单、使用方便；价格优势明显。

缺点：电刷换向；速度受限制；附加了阻力；会产生磨损微粒（对于无尘室）。