直流伺服系统解析，直流伺服系统的组成、结构及其控制原理

　　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。

　　Starter Kit for IDM640：包含驱动器的完整组件，包括一个IDM640驱动器，一个电机，一个I/O板，EasyMotion Studio软件，以及应用程序的帮助和完整文件。是测试您的运动控制程序的理想实验平台。如上所述均包含在一个可立即运行、即插即用的组件中。

　　

　　直流伺服电机包括如下组成部分：

　　定子：磁场—永磁体

　　转子：电枢绕组

　　换向：换向器与碳刷

　　加于直流电机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，使直流电机电枢线圈流过的电流，方向是交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，确保直流电动朝确定的方向连续旋转。

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　　直流伺服优点：

　　• 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

　　缺点：

　　• 电刷换向

　　• 速度限制

　　• 附加阻力

　　• 产生磨损微粒（对于无尘室）