一種直流力矩電機(jī)伺服驅(qū)動器的設(shè)計與研究

王昊

摘 要：基于一種車載光電跟蹤伺服系統(tǒng)的工程應(yīng)用，文章介紹了基于直流力矩電機(jī)伺服驅(qū)動器的組成與設(shè)計實(shí)現(xiàn)，針對直流伺服電機(jī)驅(qū)動器小型化、模塊化的需求，重點(diǎn)闡述了驅(qū)動器的工作原理與設(shè)計，系統(tǒng)論述了電流和速度環(huán)路的設(shè)計與調(diào)節(jié)，試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)轉(zhuǎn)速電流可調(diào)且具有過流保護(hù)功能，有著較強(qiáng)的快速響應(yīng)性和抗擾性，有一定的工程應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：伺服系統(tǒng)；直流力矩電機(jī)；電機(jī)驅(qū)動器；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；電流調(diào)節(jié)

中圖分類號：TM359.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）09-0121-03

Abstract： Based on the engineering application of a vehicle photoelectric tracking servo system， this paper introduces the composition and design of servo driver based on DC （direct current） torque motor， aiming at the demand of miniaturization and modularization of DC servo motor driver. The working principle and design of the driver are described in detail. The design and regulation of the current and speed loop are discussed systematically. The experimental results show that the speed and current of the system can be adjusted and have the function of over-current protection. It has strong fast response and immunity， and has certain engineering application value.

Keywords： servo system； DC （direct current） torque motor； motor driver； speed regulation； current regulation

引言

伺服系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)和軍事領(lǐng)域，一般多以電動機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。伺服電機(jī)包括直流電機(jī)和交流電機(jī)。交流電機(jī)伺服輸出功率大，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、成本較高，適用于輸出力矩大、負(fù)載慣性大的運(yùn)動場合。相比而言直流電機(jī)伺服輸出功率相對較小且具有良好的調(diào)速性能，特別適用于負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量小且對轉(zhuǎn)速范圍要求較高的運(yùn)動場合[1]。本文基于一種光電跟蹤設(shè)備的伺服系統(tǒng)，設(shè)計了一種直流力矩電機(jī)伺服驅(qū)動器。

1 伺服驅(qū)動器工作原理及組成

電動機(jī)作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其輸出力矩和轉(zhuǎn)速應(yīng)滿足工程應(yīng)用的要求。通過電機(jī)原理可以得出，想要有效的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和獲得高性能的動態(tài)響應(yīng)，最有效的辦法是做好電樞電流控制即構(gòu)造電流閉環(huán)。但單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)達(dá)不到伺服系統(tǒng)要求的精確轉(zhuǎn)速和跟隨特性。因此伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用電流和速度雙閉環(huán)控制系統(tǒng)來滿足系統(tǒng)對速度的要求。為滿足不同的控制目標(biāo)，系統(tǒng)中設(shè)置了轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器，二者串聯(lián)連接。

該伺服驅(qū)動器由電源及保護(hù)電路、速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、功率驅(qū)動器組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。速度給定信號與測速發(fā)電機(jī)輸出的速度反饋信號相比較，經(jīng)速度調(diào)節(jié)器通過一定的控制校正算法輸出；速度調(diào)節(jié)器的輸出信號和電流傳感器的反饋信號比較后，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器的控制算法調(diào)節(jié)后輸出至功率驅(qū)動器；功率驅(qū)動器將給定的控制信號進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換和功率放大，輸出可以驅(qū)動電機(jī)的脈沖信號驅(qū)動電機(jī)帶動負(fù)載進(jìn)行轉(zhuǎn)動；電源及保護(hù)電路主要是提供AC/DC、DC/DC電源變換及過壓、欠壓和過流等異常狀態(tài)的監(jiān)測及保護(hù)，對整個伺服系驅(qū)動器予以很好的支持。

2 驅(qū)動器的設(shè)計

2.1 功率驅(qū)動器件原理及硬件實(shí)現(xiàn)

功率驅(qū)動器是伺服電機(jī)的直驅(qū)部件，其性能直接決定伺服系統(tǒng)跟蹤性能的優(yōu)劣和工作可靠性。

系統(tǒng)的功率驅(qū)動器件選用SSA02型集成式PWM驅(qū)動模塊。該模塊是基于脈寬調(diào)制電路[2]，具有很寬的輸入電壓范圍，輸出功率最高1kW，連續(xù)工作電流20A，峰值電流可達(dá)30A，可單向或雙向驅(qū)動電機(jī)，模塊內(nèi)部集成了誤差放大器，鋸齒波振蕩器，功率驅(qū)動器和功率放大器。輸入的誤差信號與鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生的鋸齒波信號作比較，產(chǎn)生一組脈沖信號，其寬度隨輸入誤差信號的大小而改變。模塊的功率放大采用H形橋式結(jié)構(gòu)，由兩只N溝道和兩只P溝道的MOSFET功率管組成，功率管處于開關(guān)狀態(tài)，調(diào)制信號經(jīng)功率放大后直接驅(qū)動力矩電機(jī)帶動負(fù)載進(jìn)行轉(zhuǎn)動，該模塊的工作原理圖及接線圖分別如圖2和圖3所示。

該模塊的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

2.2 過流保護(hù)電路設(shè)計

電樞電流過大是引起功率驅(qū)動器被損毀的主要原因之一，在伺服驅(qū)動器中設(shè)計了過流保護(hù)電路，電路通過電流傳感器對電樞電流實(shí)時進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)超過額定值時，及時禁能驅(qū)動模塊，關(guān)斷MOSFET功率管。電流傳感器檢測電樞電流，通過采樣電阻產(chǎn)生電壓信號，信號的大小與電樞電流大小成正比，該信號與給定安全電壓信號進(jìn)行比較，當(dāng)電樞電流超過額定值時，比較器反轉(zhuǎn)，輸出故障電平信號，經(jīng)延時電路延時數(shù)秒后輸出禁能信號到驅(qū)動模塊，延時電路的作用是忽略電流瞬時超額，既保證了系統(tǒng)正常工作又避免了因電流過大造成的MOSFET損壞[4]。保護(hù)電路工作原理如圖4所示。

2.3 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

在轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，電流環(huán)是內(nèi)環(huán)，具有控制電樞電流，拓展系統(tǒng)帶寬，抵抗電網(wǎng)電壓波動造成的擾動，改善電機(jī)動態(tài)性能等作用。從系統(tǒng)的動態(tài)性能上看，在突加控制作用時電樞電流不能有太大超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不會超過額定值，應(yīng)把電流環(huán)校正成典I型系統(tǒng)，而電流環(huán)對電網(wǎng)電壓波動的調(diào)節(jié)作用是次要因素，Ⅰ型系統(tǒng)的抗干擾恢復(fù)時間在實(shí)際工程應(yīng)用中可以接受，因此按照典Ⅰ型系統(tǒng)來設(shè)計電流環(huán)[5]。電流環(huán)環(huán)路傳遞函數(shù)如圖5所示。

典Ⅰ型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

其中： T-系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)；

K-系統(tǒng)的開環(huán)增益。

系統(tǒng)電流環(huán)的控制采用PI控制調(diào)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：

其中Ki-電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；

τi-電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。

含有濾波環(huán)節(jié)的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖6所示。

圖中Ui為電流給定信號，-βId為電流傳感器互感輸出的負(fù)反饋信號，調(diào)節(jié)器的輸出就是驅(qū)動器的控制信號Uc。

根據(jù)運(yùn)放的工作原理，可以導(dǎo)出：

根據(jù)以上公式并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，可以推出比例積分環(huán)節(jié)的具體參數(shù)。

2.4 速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

速度環(huán)在調(diào)速系統(tǒng)中是外環(huán)，是電氣與機(jī)械有機(jī)結(jié)合的重要組成。測速發(fā)電機(jī)輸出速率反饋信號與速率給定信號相比較作為速度調(diào)節(jié)器的輸入。速度調(diào)節(jié)器可以使電機(jī)轉(zhuǎn)速快速地跟隨給定信號的變化，能夠很好的抵抗因負(fù)載變化而產(chǎn)生的電機(jī)力矩擾動。調(diào)節(jié)器輸出的幅值決定了電機(jī)最大工作電流。為消除速度靜態(tài)誤差，在擾動作用點(diǎn)前必須有一個積分環(huán)節(jié)包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中，由于擾動作用點(diǎn)后已包括一個積分環(huán)節(jié)，因此系統(tǒng)速度環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)一共具有兩個積分環(huán)節(jié)，應(yīng)設(shè)計成典II型系統(tǒng)，這樣系統(tǒng)不僅沒有速度靜差而且具有良好的抗擾性。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也采用PI型調(diào)節(jié)器。

電流環(huán)是調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)環(huán)，可以視為速度環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

速度調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：

式中，Kn-速度調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；

τn-速度調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。

與電流調(diào)節(jié)器類似，速度調(diào)節(jié)器也采用模擬式PI型調(diào)節(jié)器，根據(jù)公式和工程經(jīng)驗(yàn)不難得出速度調(diào)節(jié)器的比例積分參數(shù)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試，在功率電源為+28V下，當(dāng)給定信號為+5V時，系統(tǒng)的閉環(huán)階躍響應(yīng)輸出如圖8所示。在不同給定信號輸入的條件下，電動機(jī)轉(zhuǎn)速與給定信號的關(guān)系如表2所示。

經(jīng)實(shí)測系統(tǒng)的響應(yīng)速度和超調(diào)均符合預(yù)期，顯示了系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)性和較強(qiáng)的穩(wěn)定抗擾性。在不同給定信號下，電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速線性度良好，滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種直流力矩電機(jī)伺服驅(qū)動器的設(shè)計方案，基于SSA02型模塊構(gòu)成的電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)調(diào)速性能優(yōu)異，具有良好的動態(tài)及靜態(tài)性能，通過試驗(yàn)及工程應(yīng)用表明，該驅(qū)動器具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、體積小巧等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各種直流力矩電機(jī)伺服控制系統(tǒng)中。

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