一種直流力矩電機伺服驅動器的設計與研究

王昊

摘 要：基于一種車載光電跟蹤伺服系統的工程應用，文章介紹了基于直流力矩電機伺服驅動器的組成與設計實現，針對直流伺服電機驅動器小型化、模塊化的需求，重點闡述了驅動器的工作原理與設計，系統論述了電流和速度環路的設計與調節，試驗結果表明：該系統轉速電流可調且具有過流保護功能，有著較強的快速響應性和抗擾性，有一定的工程應用價值。

關鍵詞：伺服系統；直流力矩電機；電機驅動器；轉速調節；電流調節

中圖分類號：TM359.6 文獻標志碼：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

伺服系統廣泛應用于工業和軍事領域，一般多以電動機作為執行機構。伺服電機包括直流電機和交流電機。交流電機伺服輸出功率大，但結構較為復雜、成本較高，適用于輸出力矩大、負載慣性大的運動場合。相比而言直流電機伺服輸出功率相對較小且具有良好的調速性能，特別適用于負載轉動慣量小且對轉速范圍要求較高的運動場合[1]。本文基于一種光電跟蹤設備的伺服系統，設計了一種直流力矩電機伺服驅動器。

1 伺服驅動器工作原理及組成

電動機作為伺服系統的執行機構，其輸出力矩和轉速應滿足工程應用的要求。通過電機原理可以得出，想要有效的調節轉速和獲得高性能的動態響應，最有效的辦法是做好電樞電流控制即構造電流閉環。但單閉環調速系統達不到伺服系統要求的精確轉速和跟隨特性。因此伺服電機調速系統采用電流和速度雙閉環控制系統來滿足系統對速度的要求。為滿足不同的控制目標，系統中設置了轉速和電流兩個調節器，二者串聯連接。

該伺服驅動器由電源及保護電路、速度調節器、電流調節器、功率驅動器組成，系統組成框圖如圖1所示。速度給定信號與測速發電機輸出的速度反饋信號相比較，經速度調節器通過一定的控制校正算法輸出；速度調節器的輸出信號和電流傳感器的反饋信號比較后，經電流調節器的控制算法調節后輸出至功率驅動器；功率驅動器將給定的控制信號進行信號轉換和功率放大，輸出可以驅動電機的脈沖信號驅動電機帶動負載進行轉動；電源及保護電路主要是提供AC/DC、DC/DC電源變換及過壓、欠壓和過流等異常狀態的監測及保護，對整個伺服系驅動器予以很好的支持。

2 驅動器的設計

2.1 功率驅動器件原理及硬件實現

功率驅動器是伺服電機的直驅部件，其性能直接決定伺服系統跟蹤性能的優劣和工作可靠性。

系統的功率驅動器件選用SSA02型集成式PWM驅動模塊。該模塊是基于脈寬調制電路[2]，具有很寬的輸入電壓范圍，輸出功率最高1kW，連續工作電流20A，峰值電流可達30A，可單向或雙向驅動電機，模塊內部集成了誤差放大器，鋸齒波振蕩器，功率驅動器和功率放大器。輸入的誤差信號與鋸齒波發生器產生的鋸齒波信號作比較，產生一組脈沖信號，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形橋式結構，由兩只N溝道和兩只P溝道的MOSFET功率管組成，功率管處于開關狀態，調制信號經功率放大后直接驅動力矩電機帶動負載進行轉動，該模塊的工作原理圖及接線圖分別如圖2和圖3所示。

該模塊的技術指標如表1所示。

2.2 過流保護電路設計

電樞電流過大是引起功率驅動器被損毀的主要原因之一，在伺服驅動器中設計了過流保護電路，電路通過電流傳感器對電樞電流實時進行監測，當超過額定值時，及時禁能驅動模塊，關斷MOSFET功率管。電流傳感器檢測電樞電流，通過采樣電阻產生電壓信號，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行比較，當電樞電流超過額定值時，比較器反轉，輸出故障電平信號，經延時電路延時數秒后輸出禁能信號到驅動模塊，延時電路的作用是忽略電流瞬時超額，既保證了系統正常工作又避免了因電流過大造成的MOSFET損壞[4]。保護電路工作原理如圖4所示。

2.3 電流調節器的設計與實現

在轉速電流雙閉環控制系統中，電流環是內環，具有控制電樞電流，拓展系統帶寬，抵抗電網電壓波動造成的擾動，改善電機動態性能等作用。從系統的動態性能上看，在突加控制作用時電樞電流不能有太大超調，以保證電流在動態過程中不會超過額定值，應把電流環校正成典I型系統，而電流環對電網電壓波動的調節作用是次要因素，Ⅰ型系統的抗干擾恢復時間在實際工程應用中可以接受，因此按照典Ⅰ型系統來設計電流環[5]。電流環環路傳遞函數如圖5所示。

典Ⅰ型系統的開環傳遞函數為：

其中： T-系統的慣性時間常數；

K-系統的開環增益。

系統電流環的控制采用PI控制調節，其傳遞函數為：

其中Ki-電流調節器的比例系數；

τi-電流調節器的超前時間常數。

含有濾波環節的模擬式PI型電流調節器原理圖如圖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反饋信號，調節器的輸出就是驅動器的控制信號Uc。

根據運放的工作原理，可以導出：

根據以上公式并結合工程經驗，可以推出比例積分環節的具體參數。

2.4 速度調節器的設計與實現

速度環在調速系統中是外環，是電氣與機械有機結合的重要組成。測速發電機輸出速率反饋信號與速率給定信號相比較作為速度調節器的輸入。速度調節器可以使電機轉速快速地跟隨給定信號的變化，能夠很好的抵抗因負載變化而產生的電機力矩擾動。調節器輸出的幅值決定了電機最大工作電流。為消除速度靜態誤差，在擾動作用點前必須有一個積分環節包含在轉速調節器中，由于擾動作用點后已包括一個積分環節，因此系統速度環開環傳遞函數一共具有兩個積分環節，應設計成典II型系統，這樣系統不僅沒有速度靜差而且具有良好的抗擾性。轉速調節器也采用PI型調節器。

電流環是調速系統內環，可以視為速度環中的一個環節，電流環的閉環傳遞函數為：

速度調節器的傳遞函數為：

式中，Kn-速度調節器的比例系數；

τn-速度調節器的超前時間常數。

與電流調節器類似，速度調節器也采用模擬式PI型調節器，根據公式和工程經驗不難得出速度調節器的比例積分參數。

3 試驗驗證

經系統聯合調試，在功率電源為+28V下，當給定信號為+5V時，系統的閉環階躍響應輸出如圖8所示。在不同給定信號輸入的條件下，電動機轉速與給定信號的關系如表2所示。

經實測系統的響應速度和超調均符合預期，顯示了系統具有較快的響應性和較強的穩定抗擾性。在不同給定信號下，電動機輸出轉速線性度良好，滿足設計要求。

4 結束語

本文介紹了一種直流力矩電機伺服驅動器的設計方案，基于SSA02型模塊構成的電流轉速雙閉環控制結構調速性能優異，具有良好的動態及靜態性能，通過試驗及工程應用表明，該驅動器具有結構簡單、可靠性高、體積小巧等優點，可廣泛應用于各種直流力矩電機伺服控制系統中。

參考文獻：

[1]秦繼容，沈安俊.現代直流伺服控制技術及其系統設計[M].北京：機械工業出版社，1999.

[2]王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2009.

[3]王欣峰，張毅.直流伺服系統PWM功率放大器的改進方法[J].電力學報，2008，23（3）：198-199，239.

[4]喬建江.天氣雷達天線伺服控制系統中PWM保護電路的設計[J].河北省科學院學報，2011（1）：35-38.

[5]陳伯時.電力拖動自動控制系統-運動控制系統[M].北京：機械工業出版社，2003.