機器人驅(qū)動與運動控制 課件 第6章 直流伺服電機及其驅(qū)動控制技術(shù)

第6章直流伺服電機及其驅(qū)動控制技術(shù)6.1直流伺服電機的結(jié)構(gòu)6.2直流伺服電機的原理6.3無刷直流伺服電機的運行特性6.4無刷直流伺服電機的控制系統(tǒng)6.5本章小結(jié)

伺服系統(tǒng)是以機械參數(shù)為控制對象的自動控制系統(tǒng)。在伺服系統(tǒng)中，輸出量能夠自動、快速、準確地跟隨輸入量變化，因此又稱之為隨動系統(tǒng)或自動跟蹤系統(tǒng)。機械參數(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，伺服電機并非單指某一類型的電機，只要是在伺服系統(tǒng)中能夠滿足任務所要求的精度、快速響應性以及抗干擾性，就可以稱之為伺服電機。通常，為能夠達到伺服控制的性能要求，控制電機都需要具有位置/速度檢測部件。表6-1和表6-2所示為電機的不同分類形式。

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。

(4)調(diào)速范圍寬。

(5)低速大轉(zhuǎn)矩。

(6)能夠頻繁地啟動、制動以及正反轉(zhuǎn)切換。

6.1直流伺服電機的結(jié)構(gòu)

6.1.1有刷直流伺服電機的結(jié)構(gòu)有刷直流伺服電機一般由外殼、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。有刷直流伺服電機的結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是直流電機加上編碼器。圖6-2有刷直流伺服電機的結(jié)構(gòu)

由于永磁體提供的磁場有限，有時候用電勵磁替代永磁

體勵磁，因此就形成了如圖6-3所示的直流伺服電機(即電勵磁電機)的結(jié)構(gòu)。除上述結(jié)構(gòu)外，這種直流伺服電機一般還包括換向極繞組。圖6-3電勵磁電機的結(jié)構(gòu)

1.定子部分

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

定子為永磁體勵磁的直流伺服電機的定子結(jié)構(gòu)相對簡單，一般由交錯排布的永磁鐵黏接在軛部形成，如圖6-4所示。如果永磁體按照圖6-4(a)所示的方式排列，則其軛部材料為非導磁性材料；如果永磁體按照圖6-4(b)所示的方式排列，則其軛部材料為導磁性材料。圖6-4永磁體勵磁定子結(jié)構(gòu)

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

一般，直流伺服電機的機座既是電機的機械支撐，又是磁極外圍磁路閉合的部分，即磁廓，因此機座用導磁性能較好的鋼板焊接而成，或用鑄鋼制成。機座兩端裝有帶軸承的端蓋。電刷固定在機座或端蓋上，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無刷直流伺服電機的結(jié)構(gòu)

眾所周知，有刷直流伺服電機的電樞繞組要產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，必須有滑動的接觸機構(gòu)——電刷和換向器，通過它們把電流饋給旋轉(zhuǎn)著的電樞。無刷直流伺服電機卻與有刷直流伺服電機相反，它具有旋轉(zhuǎn)的磁場和固定的電樞。這樣，電子換向線路中的功率開關(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。在電機內(nèi)，裝有一個轉(zhuǎn)子位置傳感器，用來檢測轉(zhuǎn)子在運行過程中的位置，它與電子換向線路一起，替代了有刷直流伺服電機的機械換向裝置。綜上所述，無刷直流伺服電機由電機本體、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無刷直流伺服電機組成

無刷直流伺服電機的外觀有很多種，常見的如圖6-11和圖6-12所示。圖6-11無刷直流伺服電機外觀一圖6-12無刷直流伺服電機外觀二

無刷直流伺服電機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，它們要滿足機械方面的要求，保證機械結(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。此外，對于轉(zhuǎn)子和定子，還要考慮節(jié)約材料、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、運行可靠和溫升不超過規(guī)定的范圍等要求。無刷直流伺服電機結(jié)構(gòu)示意圖如圖6-13所示。圖6-13無刷直流伺服電機結(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，一般斜一個槽距。組裝定子部分時，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殼內(nèi)。有時為了增加絕緣和機械強度，還需要采用環(huán)氧樹脂進行灌封。

圖6-14所示為圖6-13所示無刷直流伺服電機的定子鐵芯。圖6-14定子鐵芯

(2)電樞繞組。電樞繞組是電機本體的一個最重要部件。當電機接上電源后，電流流入繞組，產(chǎn)生磁動勢，與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的勵磁磁場相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。當電機帶著負載轉(zhuǎn)起來以后，便在繞組中產(chǎn)生反電動勢，吸收一定的電功率，并通過轉(zhuǎn)子輸出一定的機械功率，從而實現(xiàn)了將電能轉(zhuǎn)換成機械能。顯然，繞組在實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換過程中起著極其重要的作用。因此，對繞組的要求有兩方面：一方面它能通過一定的電流，產(chǎn)生足夠的磁動勢以得到足夠的轉(zhuǎn)矩；另一方面它的結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，并應盡可能節(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，對散熱不利；分布繞組的工藝較復雜，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)，其端接部分有兩個出線頭，把各個線圈的出線頭按一定規(guī)律連接起來即可得到主定子繞組。圖6-15所示為圖6-13所示的無刷直流伺服電機的定子繞組的接線。圖6-15定子繞組接線圖

2.轉(zhuǎn)子部分

轉(zhuǎn)子是電機本體的轉(zhuǎn)動部分，是產(chǎn)生勵磁磁場的部件，它由三部分組成，即永磁體、導磁體和支撐零部件。永磁體和導磁體是產(chǎn)生磁場的核心，由永磁材料和導磁材料組成。無刷直流伺服電機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磁體的作用。轉(zhuǎn)軸由非導磁材料(如圓鋼或玻璃鋼棒等)車磨而成，且具有一定的機械強度和剛度。軸套和壓圈通常由黃銅或鋁等非導磁材料制成。

3.電子換向線路

電子換向線路和位置傳感器相配合，起到與機械換向類似的作用。所以，電子換向線路也是無刷直流伺服電機實現(xiàn)無接觸換向的兩個重要組成部分之一。

電子換向線路的作用是將位置傳感器的輸出信號進行解調(diào)、預放大、功率放大，然后觸發(fā)末級功率晶體管，使電樞繞組按一定的邏輯程序通電，保證電機的可靠運行。

一般來說，對電子換向線路的基本要求是線路簡單、運行穩(wěn)定可靠、體積小、重量輕、功耗小，同時能按照位置傳感器的信號進行正確換向和控制，能夠?qū)崿F(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)，并且能滿足不同環(huán)境條件和長期運行的要求。

6.2直流伺服電機的原理

6.2.1有刷直流伺服電機的原理有刷直流伺服電機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的原理，一個載流導體位于一個磁場中，空間上與磁力線垂直，這樣會產(chǎn)生一個力(洛倫茲力)，它與磁力線和導體垂直。圖6-16-有刷直流伺服電機的原理

為了實現(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，而線圈的兩個引出線分別接到換向片上。線圈的上下兩個邊產(chǎn)生的洛倫茲力使線圈逆時針轉(zhuǎn)起來，當線圈轉(zhuǎn)過90°時，在電刷和換向器的作用下，流過線圈的電流反向，根據(jù)洛倫茲力的原理，產(chǎn)生的力繼續(xù)維持逆時針方向旋轉(zhuǎn)。圖6-17有刷直流伺服電機旋轉(zhuǎn)的基本原理

事實上，導體的電流方向與磁場方向一直垂直，所以可用圖6-18所示的勵磁電流與電樞電流的關(guān)系進一步描述勵磁電流與電樞電流之間的關(guān)系，即f=BILsinθ，其中θ表示磁場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，也就是說當電流方向與磁場方向垂直時能夠有最大的洛倫茲力。這也就給出了在設(shè)計電機時讓電樞電流與磁場相互正交的原因，因為這樣可以使得電機得到最大的洛倫茲力。圖6-18勵磁磁場與電樞電流的關(guān)系

結(jié)合圖6-17，假設(shè)外加的電樞電壓為U，則在導體中會感應出一個相反的電動勢，方向與導體上原來的電流方向相反，這個電動勢稱為反電動勢，其在分析電機運行時尤為重要。

假設(shè)E為反電動勢，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運行的關(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，電機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為

式中，z

為電樞的導體數(shù)，a

為并聯(lián)回路對數(shù)，p

為極數(shù)，KT

為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。

有刷直流伺服電機是一種控制性能非常優(yōu)越的電機，因為在有刷直流伺服電機的調(diào)速系統(tǒng)中，由勵磁電流所產(chǎn)生的主磁通與電樞電流產(chǎn)生的電樞磁動勢在空間是互相垂直的，

兩者之間沒有耦合關(guān)系。在正常運行條件下，勵磁電流維持電機的磁場磁通，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)的動態(tài)特性得以優(yōu)化。圖6-22所示為有刷直流伺服電機調(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有刷直流伺服電機調(diào)速的原理框圖

6.2.2無刷直流伺服電機的原理

在無刷直流伺服電機中，借助反映轉(zhuǎn)子位置的位置傳感器的輸出信號，通過電子換向線路驅(qū)動與電樞繞組連接的相應的功率開關(guān)器件，即無刷直流伺服電機本質(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，驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，位置傳感器不斷地送出信號，以改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下導體中的電流方向始終保持不變，這就是無刷直流伺服電機的無接觸式換向過程。圖6-23為無刷直流伺服電機的工作原理框圖。圖6-23無刷直流伺服電機的工作原理框圖

1.電樞繞組的連接方式

無刷直流伺服電機的電樞繞組與交流電機的定子繞組類似，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，

其形式是多種多樣的，歸納起來可分為下列幾種。

(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.換向的實現(xiàn)

在無刷直流伺服電機中，來自位置傳感器的驅(qū)動信號按照一定的邏輯使某些功率開關(guān)器件在某一瞬間導通或截止，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。在換向過程中，電樞繞組的電流會在工作氣隙內(nèi)形成跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場，這種旋轉(zhuǎn)磁場在360°電角度范圍內(nèi)有三個磁狀態(tài)，每個磁狀態(tài)持續(xù)120°電角度，所以稱這種換向過程為“一相導通星形三相三狀態(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)子磁場的相互關(guān)系

3.位置傳感器

目前得到越來越廣泛的應用。目前在無刷直流電機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來實現(xiàn)其位置測量作用的，有開口變壓器位置傳感器、接近開關(guān)式位置傳感器等類型。

(1)開口變壓器位置傳感器。

(2)接近開關(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制成的，由跟隨電機轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的碼盤、固定不動的光源(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)律隨周圍磁場變化的半導體敏感元件，其基本原理為霍爾效應和磁阻效應。常見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)稱為霍爾效應磁敏傳感器，簡稱霍爾傳感器?；魻栐陔姍C的每一個電周期內(nèi)產(chǎn)生所要求的開關(guān)狀態(tài)。也就是說，電機傳感器的永磁轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對磁極(N、S極)的轉(zhuǎn)角，產(chǎn)生與電機邏輯分配狀態(tài)相對應的開關(guān)狀態(tài)數(shù)，以完成電機的一個換向全過程。如果轉(zhuǎn)子充磁的極對數(shù)越多，則在360°機械角度內(nèi)完成該換向過程的次數(shù)也就越多。

6.3無刷直流伺服電機的運行特性

由于無刷直流伺服電機在機器人驅(qū)動中的應用更廣泛，所以本節(jié)只討論無刷直流伺服電機。無刷直流伺服電機的運行特性是指電機在啟動、正常工作和調(diào)速等情況下，電機外部各可測物理量之間的關(guān)系。

電機是一種輸入電功率、輸出機械功率的原動機械。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、負載的變化而變化的規(guī)律。據(jù)此，電機的運行特性可分為啟動特性、工作特性、調(diào)節(jié)特性和機械特性。討論各種電機的運行特性時，一般都從轉(zhuǎn)速公式、電動勢平衡方程式、轉(zhuǎn)矩公式和轉(zhuǎn)矩平衡方程式出發(fā)。

對于無刷直流伺服電機，其電動勢平衡方程式為

式中，U

是電源電壓(V)；E

是電樞繞組反電動勢(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)，對于橋式換向線路為2ΔU。

6.3.1啟動特性

由式(6-1)~式(6-6)可知，電機在啟動時，由于反電動勢為零，因此電樞電流(即啟動電流)為

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

如果不考慮限制啟動電流，則圖6-29中轉(zhuǎn)速曲線的形狀由電機阻尼比決定。根據(jù)電機的傳遞函數(shù)，當阻尼比0<ξ<1時，系統(tǒng)處于欠阻尼狀態(tài)，轉(zhuǎn)速和電流會經(jīng)過一段超調(diào)和振蕩過程才能逐漸平穩(wěn)，如圖6-30所示。實際中由于要對電樞電流加以限制，因此啟動時一般不會有如圖6-30所示的轉(zhuǎn)速、電流振蕩。圖6-30啟動過程中的轉(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、電機效率和輸出轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。電樞電流隨負載轉(zhuǎn)矩的增大而增大，這樣電磁轉(zhuǎn)矩才能平衡負載轉(zhuǎn)矩，保證電機平穩(wěn)運行。

電機輸入功率為

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極驅(qū)動電壓有關(guān)，這里近似認為不變。

可見，電機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勢所消耗的功率，經(jīng)由磁場轉(zhuǎn)化為機械能，以電磁轉(zhuǎn)矩的形式作用于轉(zhuǎn)子?？紤]到負載端的損耗，這部分功率傳遞可以表示為

式中，TL

為負載轉(zhuǎn)矩；T0

為對應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

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

不變時，無刷直流伺服電機的電樞電流和效率隨負載轉(zhuǎn)矩變化的曲線。圖6-31無刷直流伺服電機的電樞電流和效率隨負載轉(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，電機轉(zhuǎn)速和直流母線電壓U

之間的變化關(guān)系。不計功率器件損耗，穩(wěn)態(tài)運行時

直流伺服電機的電樞電流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)矩下無刷直流伺服電機的轉(zhuǎn)速隨U變化的調(diào)節(jié)特性曲線。圖6-32無刷直流伺服電機的調(diào)節(jié)特性曲線

6.3.4機械特性

機械特性是指在直流母線電壓U

不變的情況下，電機轉(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刷直流伺服電機的機械特性曲線，如圖6-33所示。圖6-33無刷直流伺服電機的機械特性曲線

6.4無刷直流伺服電機的控制系統(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。由于其具有算法簡單、魯棒性好、可靠性高和參數(shù)易整定等優(yōu)點，已在工程實際中得到了廣泛應用，其控制系統(tǒng)框圖如圖6-34所示。圖6-34PID控制系統(tǒng)框圖

標準PID控制器的基本原理是根據(jù)設(shè)定值r(t)與實際值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)，利用控制量再對控制對象進行控制。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

為積分時間常數(shù)，TD

為微分時間常數(shù)。

為了提高現(xiàn)代電機控制系統(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：

(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)抗干擾性相對較強；

(3)控制靈活、系統(tǒng)精度高且易于實現(xiàn)復雜控制算法；

(4)易于實現(xiàn)與上層系統(tǒng)或遠程終端的通信，實現(xiàn)系統(tǒng)的分布式或網(wǎng)絡控制。

6.4.2PID控制器設(shè)計

1.抗積分飽和(anti-windup)控制器設(shè)計

應用PID控制器對無刷直流伺服電機進行單環(huán)或雙環(huán)調(diào)速已獲深入研究，通常能滿足一般應用場合的調(diào)速要求。但是，由于無刷直流伺服電機是一個多變量、非線性系統(tǒng)，因此還有許多問題需深入研究。目前，無刷直流伺服電機大多采用PID控制器和PWM調(diào)制方式進行調(diào)速，速度環(huán)后面往往有電流限幅環(huán)節(jié)，PWM本身也可視為一個飽和環(huán)節(jié)。雙閉環(huán)無刷直流伺服電機的調(diào)速系統(tǒng)如圖6-35所示。圖6-35雙閉環(huán)無刷直流伺服電機的調(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象的輸入是否不等)來停止或限制積分。兩者的不同之處只是非線性抗積分飽和控制器中存在開關(guān)環(huán)節(jié)等非線性控制單元。抗積分飽和控制器已經(jīng)在感應電

機和永磁同步電機等中獲得應用。

2.智能控制器設(shè)計

智能控制是結(jié)合自動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)在電機控制、電機參數(shù)

辨識與狀態(tài)估計、電機故障檢測與診斷等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。圖6-36為典型的無刷直流伺服電機智能控制系統(tǒng)框圖。圖6-36無刷直流伺服電機智能控制系統(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

下面僅對模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡控制進行介紹。

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標準模糊控制器

(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

應用在無刷直流伺服電機控制系統(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補償控制器(圖中，u0

為PID控制器的輸出值，u1

為模糊前饋補償控制器的輸出值)，特殊場合下圖中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償控制器對系統(tǒng)的實際參考輸入進行補償，得到理想的參考輸入信號，然后再利用傳統(tǒng)PID控制器對無刷直流伺服電機進行控制。圖6-42模糊預補償控制器

2)神經(jīng)網(wǎng)絡控制

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(ANN)簡稱神經(jīng)網(wǎng)絡，最早起源于19世紀初的Freud精神分析學時期，現(xiàn)已在永磁同步電機、開關(guān)磁阻電機、超聲波電機和無刷直流伺服電機等各種新型電機控制中得到了充分的應用，其包括位置、速度與電流控制以及電機參數(shù)辨識和狀態(tài)估計。

獲得訓練樣本以后，就可以按上文提出的自適應訓練算法對網(wǎng)絡進行離線訓練，整個離線訓練算法在PC中由MATLAB實現(xiàn)。