直流伺服电机的调速控制原理是什么？对单元组成系统进行分析

一、伺服电机(servomotor)的由来和定义

伺服：一词源于希腊语“奴隶”的意思。人们想把“伺服机构”当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。

伺服系统：是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的任意变化的自动控制系统。伺服的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制的非常灵活方便。

由于它的“伺服”性能，因此它就被命名为伺服电机。其功能是将输入的电压控制信号转为轴上输出的角位移和角速度驱动控制对象。

伺服电机一般分为两大类：直流伺服电机、交流伺服电机。

二、交流伺服电动机

1、交流伺服电机的结构

伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。

交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似。其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上;另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长;另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子。空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。

2、交流伺服电动机的工作原理

交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。

3、伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点：

(1)、起动转矩大

由于转子电阻大，与普通异步电动机的转矩特性曲线相比，有明显的区别。它可使临界转差率,这样不仅使转矩特性(机械特性)更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。

(2)、运行范围较广

(3)、无自转现象

正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。当伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性以及合成转矩特性.

交流伺服电动机的输出功率一般是0.1-100W。当电源频率为50Hz，电压有36V、110V、220、380V;当电源频率为400Hz，电压有20V、26V、36V、115V等多种。

交流伺服电动机运行平稳、噪音小。但控制特性是非线性，并且由于转子电阻大，损耗大，效率低，因此与同容量直流伺服电动机相比，体积大、重量重，所以只适用于0.5-100W的小功率控制系统。

直流伺服电机，它包括定子、转子铁芯、电机转轴、伺服电机绕组换向器、伺服电机绕组、测速电机绕组、测速电机换向器，所述的转子铁芯由矽钢冲片叠压固定在电机转轴上构成 。伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm 。

直流伺服电机特指直流有刷伺服电机——电机成本高结构复杂，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便(换碳刷)，会产生电磁干扰，对环境有要求 。因此它不可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合 。

直流伺服电机还包括直流无刷伺服电机——电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定，电机功率有局限做不大 。容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相 。电机免维护不存在碳刷损耗的情况，效率很高，运行温度低噪音小，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境 。

直流伺服系统的结构及其原理

1、位置检测与信号综合环节

(1)旋转变压器：是一种输出电压随转角变化的角位移测量装置 。

(2)相敏放大器：将交流电压转换为与之成正比的直流电压，并使它的极性与输入的交流电压的相位相适应 。

(3)位置检测与信号综合环节

2、脉宽调制型(PWM)功率放大

基本原理：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 。

(1)PWM变换器

(2)双极型PWM变换器

根据图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

双极式PWM变换器特点：

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 。

直流伺服系统的稳态误差分析

影响伺服系统的稳态精度，导致系统产生稳态误差的因素有以下几个方面：由检测元件引起的检测误差;由系统的结构和输入信号引起的原理误差;负载扰动引起的扰动误差 。

1.检测误差

2.原理误差

3.扰动误差

直流伺服系统的动态校正

方法：

1、速度调节器的设计 。

2、位置调节器的设计 。

直流伺服系统的组成及其控制直流伺服和交流伺服相似，可以采用控制器开环控制方式，控制器半闭环控制和全闭环控制系统 。

直流伺服系统控制面板结构如下，面板右侧为与直流伺服电机接口板的接口，包括电机驱动接口和编码器接口;左侧为与运动控制器面板的接口，包括位置控制模式接口和速度控制模式接口 。

M+，M-信号为直流无刷伺服电机的电源线，用于驱动电机的运动 。

A+，A-，B+，B-，C+，C-，5+，0V信号为编码器信号，用于反馈电机轴的实际位置 。

A，/A，B，/B，C，/C，+5V，PUL+，DIR+，OGND，OVCC，GND，DAC，RESET，ALM，ENABLE为与控制器相连的控制信号 。

其含义为：

A，/A，B，/B，C，/C为驱动器反馈给运动器控制器的编码器信号 。

+5V为电源 。

PUL+，PUL-为脉冲信号，用于位置模式下的电机控制 。

DIR+，DIR-为方向信号，用于位置模式下的电机控制 。

OGND，OVCC，GND分别为模拟地，模拟电源和数字地 。

DAC为驱动器接受的模拟控制信号，范围一般为-10V-10V 。

RESET，ALM，ENABLE为控制信号，分别表示驱动器的复位，报警以及使能功能 。

直流伺服驱动器通常具有速度控制模式和位置控制模式 。

采用位置模式时，输入控制信号为脉冲和方向(或是正负脉冲)，采用速度模式时，输入控制信号为模拟量 。驱动器将输入信号转化为速度控制信号，经过速度控制器转化为电流控制信号，电流信号通过PWM回路作用于功率扩大模块的输出模块，最后施加给电机 。

直流伺服驱动器采用IDM智能伺服驱动器

IDM240/640是嵌入式智能、高精密、全数字化的伺服驱动器，可驱动方波或正弦波无刷伺服电机(PMSM)，直流有伺服电机，通过CAN或RS-485接口可组成多达256个轴的分布式智能网络运动系统，嵌入的高级可编程运动语言(TML)提供各种高级运动控制和plc专用功能 。

主要特点如下 ：

分布式智能，单轴主控运行或从动轴模式

控制模式：位置，速度，转矩，电压，外部变量

运动模式：脉冲+方向，电子齿轮，Profiling，Contouring

可编程保护：位置误差，过流，过压或欠压，I2t，

DSP控制技术：基于MoTIonChipTM 技术

RS232/485串行接口，波特率可达115KB

CAN2.0局域总线，兼容CANopen，波特率可达1MHz

输出电流：连续电流5A/8A，峰值电流16A，

电源电压：12-48VDC(IDM240) ，12-48VDC(逻辑电源)/80V(电机)(IDM640)

紧凑结构设计：136 x 84.5 x 26 mm

控制软件采用Easy MoTIon Studio，控制软件特点如下：

高级图形化评估分析编程工具EasyMoTIon Studio平台快速设置电机、驱动器参数及编程运动程序，TML_LIB函数库是智能化伺服驱动器在 PC上执行运动控制应用的一个函数库，在C/C++、Basic、Delphi、Labview开发的应用程序中调用库中的.DLL文件执行后，能直接与驱动器通信、设置参数、查询状态、传送命令、定义运动事件，测试输入输出口状态等 。

直流调速器就是调节直流电动机速度的设备, 由于直流电动机具有低转速大力矩的特点,是交流电动机无 法取代的, 因此调节直流电动机速度的设备—直流调速器,具有广阔的应用天地。

直流调速器的工作原理：

直流调速器就是调节直流电动机速度的设备，上端和交流电源连接，下端和直流电动机连接。直流调速器将交流电转化成两路输出直流电源，一路输入给直流电机砺磁(定子)，一路输入给直流电机电枢(转子)，直流调速器通过控制电枢直流电压来调节直流电动机转速。

同时直流电动机给调速器一个反馈电流，调速器根据反馈电流来判断直流电机的转速情况，必要时修正电枢电压输出，以此来再次调节电机的转速。