1.1 直流伺服电动机

1.1.1 结构和分类

直流伺服电动机是指使用直流电源驱动的伺服电动机，它实质上就是一台他励式直流电动机。直流伺服电动机的结构可分为传统型和低惯量型两大类。

1.传统型直流伺服电动机

传统型直流伺服电动机的结构形式和普通直流电动机基本相同，也是由定子、转子两大部分所组成，只是它的容量与体积较小。按励磁方式的不同，传统型直流伺服电动机可以再分为永磁式和电磁式两种。永磁式直流伺服电动机的定子磁极由永久磁钢组成。电磁式直流伺服电动机的定子磁极通常由硅钢片铁芯和励磁绕组组成。这两种电动机的转子结构与普通直流电动机的结构相同，其铁芯均由硅钢片冲制叠压而成，在转子冲片的外圆周上开有均匀布置的齿槽，在转子槽中放置电枢绕组，并通过换向器和电刷与外电路连接。

2.低惯量型直流伺服电动机

与传统型的直流伺服电动机相比，低惯量型直流伺服电动机具有时间常数小响应快速的特点。目前低惯量型直流伺服电动机主要有：盘形直流伺服电动机、空心杯形直流伺服电动机和无槽电枢直流伺服电动机。

（1）盘形直流伺服电动机

盘形直流伺服电动机主要是盘式永磁直流电动机。图1-1为盘形永磁直流伺服电动机的结构示意图。电动机结构呈扁平状，其定子是由永久磁钢和前后磁轭所组成，磁钢若放置于圆盘的一侧称为单边结构，若同时放置在两侧则称为双边结构。电动机的气隙位于圆盘的两面。不论哪种结构，永磁体都为轴向磁化，在气隙中产生多极轴向磁场。电枢通常无铁芯，仅由导体以适当的方式制成圆盘状，其形式可分为印制绕组和绕线式绕组两种形式。印制绕组采用与制造印制电路板相类似的工艺制成，它可以是单片双面的，也可以采用多片重叠的结构，但一般最多不超过8层。印刷绕组电枢制造精度高，成本也高，但转动惯量小。绕线式绕组则是先绕制成单个线圈，然后将绕好的全部线圈沿径向圆周排列起来，再用环氧树脂浇注成圆盘形。盘形电枢上电枢绕组中的电流沿径向流过圆盘表面，并与永磁体产生的多极轴向磁场相互作用而产生转矩。因此，绕组的径向段为有效部分，弯曲段为端接部分。在这种电动机中也常用电枢绕组有效部分的裸导体表面兼作换向器与电刷直接接触实现与外电路的相连，从而可以省去换向器。

（2）空心杯形转子直流伺服电动机

图1-2为空心杯转子直流伺服电动机的结构简图。空心杯转子上的绕组同盘式永磁直流伺服电动机的一样，其形式也可分为印制绕组和绕线式绕组两种形式，不同之处是空心杯转子上的绕组沿圆周的轴向排列成空心杯形。其定子由一个外定子和一个内定子组成。通常外定子是由两个半圆形的永久磁钢所组成，而内定子则用圆柱形的软磁材料做成，仅作为磁路的一部分，以减小磁路磁阻。但也有内定子采用永久磁钢、外定子采用软磁材料的结构形式。空心杯电枢直接装在电动机轴上，在内、外定子间的气隙中旋转。电枢绕组通过换向器和电刷与外电路相连。

（3）无槽电枢直流伺服电动机

无槽电枢直流伺服电动机的结构与传统的直流伺服电动机类似，不同之处是在其电枢铁芯上并不开槽，其电枢绕组直接排列在铁芯表面，再用环氧树脂把它与电枢铁芯固化成一个整体，如图1-3所示。定子磁极可以用永久磁钢做成，也可以采用电磁式结构。这种电动机的转动惯量和电枢绕组的电感比前面介绍的两种无铁芯转子的电动机要大些，因而其动态性能也较差。

1.1.2 运行原理

1.控制方式

如前所述，直流伺服电动机实质上就是一台他励式直流电动机，故其控制方式同他励式直流电动机一样，可分为两类：对磁通进行控制的励磁控制法和对电枢电压控制的电枢控制法。其中励磁控制法在低速时受磁饱和的限制，在高速时受换向火花和换向结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种方法应用较少。电枢控制法是以电枢绕组为控制绕组，是在负载转矩一定时，保持励磁电压Uf为恒定，通过改变电枢电压Ua来改变电动机的转速；即Ua增加转速增大，Ua减小转速降低，若电枢电压为零，则电动机停转。当电枢电压的极性改变后，电动机的旋转方向也随之改变。因此，把电枢电压作为控制信号就可以实现对电动机的转速控制。对于电磁式直流伺服电动机采用电枢控制时，其励磁绕组须由外施恒压的直流电源励磁，而永磁式直流伺服电动机则由永磁磁极励磁。

2.静态特性

直流伺服电动机的静态特性主要指机械特性与调节特性。电枢控制时直流伺服电动机的工作原理如图1-4所示。为了分析简便，先做如下假设：①电动机磁路不饱和；②电刷位于几何中性线。根据此两项假设，可认为负载时电枢反应磁势的影响可以略去，电动机的每个电极气隙磁通将保持恒定。

这样，直流电动机电枢回路的电压平衡方程式为：

Ua=Ea+IaRa （1-1）

式中，Ua为电动机电枢绕组两端的电压；Ea为电动机电枢回路电动势；Ia为电动机电枢回路的电流；Ra为电动机电枢回路的总电阻（包括电刷的接触电阻）。

当磁通Ф恒定时，电枢绕组的感应电势将正比于转速，则

Ea=CeΦn=Ken （1-2）

式中，Ke为电动势常数，表示单位转速时所产生的电动势；n为电动机转速。另外，电动机的电磁转矩为：

Tem=CtΦIa=KtIa （1-3）

式中，Kt为转矩常数，表示单位电枢电流所产生的转矩。

若忽略电动机的空载损耗和转轴机械损耗等，则电磁转矩等于负载转矩。

将式（1-1）、式（1-2）和式（1-3）联立求解得：

根据式（1-4）可画出直流伺服电动机的机械特性和调节特性。

（1）机械特性

机械特性是指控制电压恒定时，电动机的转速与转矩的关系，即Ua=C为常数时，n=f（Tem）|Ua=C。

根据式（1-4）得：

由式（1-5）可得出直流伺服电动机的机械特性如图1-5所示。从图中可以看出，机械特性是以Ua为参变量的一簇平行直线。这些特性曲线与纵轴的交点为电磁转矩等于零时电动机的理想空载转速n0，即

由于直流伺服电动机本身存在空载损耗和转轴的机械损耗等，即使负载转矩为零，电磁转矩也并不为零。只有在理想的情况下Tem才可能为零，为此，转速n0是指在理想空载（即Tem=0）时的电动机转速，故称理想空载转速。

当n=0时机械特性曲线与横轴的交点对应的转矩称为电动机堵转时的转矩Tk。

在图1-7中机械特性曲线的斜率为：

式中，k为机械特性的斜率，它表示了电动机机械特性的硬度，即电动机的转速随转矩Tem的改变而变化的程度。

由式（1-5）或图1-5中都可以看出，随着电枢控制电压Ua的增大，空载转速n0与堵转转矩Tk同时增大，但曲线的斜率保持不变，电动机的机械特性曲线平行地向转速和转矩增加的方向移动。斜率k的大小只与电枢电阻Ra成正比而与Ua无关。电枢电阻越大，斜率k越大，机械特性就变软；反之，电枢电阻Ra小，斜率k也小，机械特性就越硬。

在实际应用中，电动机的电枢电压Ua通常由系统中的放大器提供，所以还要考虑放大器的内阻，此时式（1-8）中的Ra应为电动机电枢电阻与放大器内阻之和。

（2）调节特性

调节特性是指在电磁转矩恒定时，电动机的转速与控制电压的关系，即n=f（Ua）|Tem=C。调节特性曲线如图1-6所示，它们是以Tem为参变量的一簇平行直线。

当n=0时调节特性曲线与横轴的交点，就表示在某一电磁转矩（若略去电动机的空载损耗和机械损耗等，则为负载转矩值）时电动机的始动电压Ua0。

当电磁转矩一定时，只有电动机的控制电压大于相应的始动电压，电动机才能启动起来并达到某一需要的转速；反之，当控制电压小于相应的始动电压时，电动机所能产生的最大电磁转矩仍小于所要求的负载转矩值，电动机就不能启动。所以，在调节特性曲线上从原点到始动电压点的这一段横坐标所示的范围，称为在某一电磁转矩值时伺服电动机的失灵区（有的资料也称其为“死区”）。显然，失灵区的大小与负载转矩的大小成正比，负载转矩越大，要想使直流伺服电动机运动起来，电枢绕组需要加的控制电压也要相应地增大。

由以上分析可知，电枢控制时直流伺服电动机的机械特性和调节特性都是一簇平行的直线，这是直流伺服电动机很可贵的优点，也是两相交流伺服电动机所不及的。需要注意的是，上述结论，是在开始时所作的两条假设的前提下才得到的，若考虑实际因素的影响，直流伺服电动机的特性曲线仅是一组接近直线的曲线。

3.动态特性

伺服电动机在自动控制系统通常作为执行元件使用，对控制系统性能的影响很大，因此它应具备如下功能：

①宽广的调速范围。要求伺服电动机的转速随着控制电压的改变能在宽广的范围内连续调节。

②机械特性和调节特性均为线性。线性的机械特性和调节特性有利于提高自动控制系统的控制精度。

③无“自转”现象。即伺服电动机在控制电压为零时能立即自行停转。

④响应快速。即过渡过程持续的时间要短，电动机的机电时间常数要小。

通过1.1.1节的分析我们知道直流伺服电动机能很好地满足前三项的要求，现在分析直流伺服电动机的动态特性。

直流伺服电动机的动态特性是指电动机的电枢上外施电压突变时，电动机从一种稳定转速过渡到另一稳定转速的过程，即n=f（t）或Ω=f（t）。

自动控制系统要求直流伺服电动机的机电过渡过程应尽可能短，即电动机转速的变化能迅速跟上控制信号的改变。假设电动机在电枢外施控制电压前处于停转状态。当电枢外施阶跃电压后，由于电枢绕组电感储存的磁场能不能跃变，致使电枢电流Ia不能跃变，因此存在一个电磁过渡过程，相应电磁转矩的增长也有一个过程。在电磁转矩的作用下，由于转子有一定的转动惯量，机械转动的动能不能跃变，致使转速不能跃变，电动机从一种稳定转速过渡到另一种稳定转速也需要一定的时间，该过程称为机械过渡过程。电磁和机械的过渡过程交叠在一起，形成了伺服电动机的机电过渡过程。在整个机电过渡过程中，电磁的和机械的过渡过程相互影响。一方面由于电动机的转速从一种稳定转速过渡到另一种稳定转速由电磁转矩（或电枢电流）所决定；另一方面电磁转矩或电枢电流又随转速而变化。一般情况下，电磁过渡过程要比机械过渡过程短得多，因此常予以忽略电磁过渡过程。

通常研究直流伺服电动机动态特性的方法是，列出直流伺服电动机的动态方程，经拉普拉斯变换，求出伺服电动机的传递函数。再经拉普拉斯反变换得到在电枢电压发生跃变时，转速或角速度随时间变化的时域关系。

（1）直流伺服电动机的动态方程

直流伺服电动机的动态方程可根据直流伺服电动机的等效电路列出，假设电枢绕组的电感为La，电阻为Ra，直流伺服电动机的等效电路如图1-7所示。在过渡过程中，对应于电枢回路的电压平衡方程式为：

假设转子的机械角速度为Ω，负载和电动机的总转动惯量为J。当负载转矩为零，并略去电动机的铁芯损耗和机械损耗等后，则电动机的电磁转矩全部用来使转子加速，即

将式（1-2）、式（1-3）和式（1-10）代入式（1-9）及可得：

将式（1-11）两边同乘以得：

式中，为机械时间常数为电磁时间常数。

（2）直流伺服电动机的传递函数

分别以Ua和n为输入变量和输出变量，将式（1-12）进行拉普拉斯变换可得传递函数为：

因电枢绕组的电感很小，电磁时间常数和机械时间常数相比小得多，近似认为τe=0，则式（1-13）可简化为：

（3）直流伺服电动机的时间常数

如果不考虑直流伺服电动机的电磁过渡过程，同时假设电压Ua为阶跃电压，其象函数Ua（s）为：

代入式（1-14）可得：

将上式进行拉普拉斯反变换即得电动机角速度随时间变化的规律为：

式中为伺服电动机理想空载角速度，单位为rad/s。

电动机的角速度随时间的变化关系如图1-8所示。从式（1-15）可以看出，当时间t=τm时，则电动机的角速度上升到稳定角速度的0.632倍；当时间t=4τm时，则电动机的角速度为Ω=0.985Ω0，一般可认为这时过渡过程已经结束。所以将t=4τm作为过渡过程的时间。

将机械时间常数τm进行变换得：

式中，Ω0为电动机理想空载角速度，单位为rad/s；Tk为堵转转矩，单位为kg·m2，机械时间常数τm的单位为s。

还可将式（1-16）变换为：

根据式（1-17）可以看出影响机械时间常数的因素有：

①τm与电枢电阻Ra的大小成正比。为了减小电动机的机械时间常数，应尽可能减小电枢电阻，当伺服电动机用于自动控制系统并由放大器供给控制电压时，其机械时间常数还受到系统放大器的内阻Ri的影响，相应式（1-17）中的电阻Ra应改写为Ra+Ri。

②τm与电动机电枢的转动惯量J的大小成正比。为了减小电动机的机械时间常数，宜采用细长形的电枢或采用空心杯电枢、盘形电枢，以获得尽量小的J值。

③τm与电动机的每极气隙磁通的平方成反比。为了减小电动机的机械时间常数，应增加每个电极气隙的磁通，即提高气隙的磁密。

最后需要说明的是，上述的分析是在忽略电磁过渡过程的基础上得出的，由于电动机的过渡过程是电磁和机械过渡过程交叠在一起的复杂过程。因此电动机空载时外施阶跃电压，若计及电磁过渡过程，情况将略微复杂，对电枢控制直流伺服电动机，一般总有τe≪τm，此时其角速度阶跃响应曲线与图1-8类似，只是转速从零升至稳定转速的63.2%所需的时间实际上要略大于机械时间常数，应由电动机的电磁时间常数和机械时间常数两者所确定，称之为机电时间常数τem。当τe≪τm时，可取机电时间常数近似等于机械时间常数τm。

我国目前生产的SY系列永磁式直流伺服电动机的机电时间常数一般也不超过30ms。SZ系列直流伺服电动机的机电时间常数不超过30ms。在低惯量直流伺服电动机中，机电时间常数通常在10ms以下。其中空心杯电枢永磁式直流伺服电动机的机电时间常数可小到2～3ms。

1.1.3 直流伺服电动机的应用

1.直流伺服控制技术简介

近年来，直流伺服电动机的结构和控制方式都发生了很大变化。随着计算机技术的发展以及新型的电力电子功率器件的不断出现，采用全控型开关功率元件进行脉宽调制（PWM）的控制方式已经成为主流。

（1）PWM调速原理

前面已经介绍，直流伺服电动机的转速控制方法可以分为两类：即对磁通Φ进行控制的励磁控制，和对电枢电压Ua进行控制的电枢电压控制。

绝大多数直流伺服电动机采用开关驱动方式，现以电枢控制方式，直流伺服电动机为分析对象，介绍通过脉宽调制（PWM）来控制电枢电压实现调速的方法。

图1-9是利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制的原理图和输入/输出电压波形。在图1-9（a）中，当开关管MOSFET的栅极输入信号UP为高电平时，开关管导通，直流电动机的电枢绕组两端电压Ua=Us，经历t1时间后，栅极输入信号UP变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为零。经历t2时间后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复上面的过程。这样，在一个周期时间T=t1+t2内，直流电动机电枢绕组两端的电压平均值Ua为

式中，占空比α=t1/T。

α表示了在一个周期T里，功率开关管导通的时间与周期的比值。α的变化范围在0到1之

间。由上式可知，当电源电压不变的情况下，电枢的端电压平均值Ua取决于占空比α的大小，改变α的值，就可以改变Ua的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM的调速原理。

在PWM调速中，占空比是一个重要的参数。改变占空比有以下三种方法：

①定宽调频法。该方法保持t1不变，只改变t2，这时斩波频率（或周期T）也随之改变。

②调宽调频法。该方法与方法①相反，保持t2不变，只改变t1，此时，斩波频率（或周期T）也随之改变。

③定频调宽法。该方法同时改变t1和t2，而保持斩波频率（或周期T）不变。

由于前两种方法中在调速过程中改变了斩波频率，当斩波频率的频率与系统固有频率接近时，会引起振荡，因此，这两种方法应用较少。在现阶段，一般采用调速方法③，即定频调宽法。

在直流电动机要求工作在正反转的场合，需要使用可逆PWM系统。可逆PWM系统可以分为单极性驱动和双极性驱动两种类型。

（2）单极性可逆调速系统

单极性驱动是指在一个PWM周期里，电动机电枢的电压极性呈单一性变化。

单极性驱动电路有两种。一种称为T形，它由两个开关管组成，需要采用正负电源，相当于两个不可逆系统的组合，因其电路形状像“T”字，故称为T形。由于T型单极性驱动系统的电流不能反向，并且两个开关管正反转切换的工作条件是电枢电流为0，因此，电动机动态性能较差。这种驱动电路很少采用。

另一种单极性驱动电路称作H形，也即桥式电路。这种电路中电动机动态性能较好，因此在各种控制系统中广泛采用。

图1-10是H形单极性PWM驱动系统示意图。系统由4个开关管和4个续流二极管组成，单电源供电。图中Up1～Up4分别为开关管VT1～VT4的触发脉冲。若在t0～t1时刻，VT1开关管根据PWM控制信号同步导通，而VT2开关管则受PWM反相控制信号控制关断，VT3触发信号保持为低电平，VT4触发信号保持为高电平，4个触发信号波形如图1-10中所示，此时电动机正转。若在t0～t1时刻，VT3开关管根据PWM控制信号同步导通，而VT4开关管则受PWM反相控制信号控制关断，VT1触发信号保持为0，VT2触发信号保持为1，此时电动机反转。

当要求电动机在较大负载下加速运行时，电枢平均电压Ua大于感应电动势Ea。在每个PWM周期的0～t1区间，VT1导通，VT2截止，电流Ia经VT1、VT4从A到B流过电枢绕组。在t1～t2区间，VT1截止，电源断开，在自感电动势的作用下，经二极管VD2和开关管VT4进行续流，使电枢中仍然有电流流过，方向仍然是从A到B。这时由于二极管VD2的箝位作用，虽然Up2为高电平，VT2实际不导通。直流伺服电动机重载时电流波形图如图1-11所示。

当电动机在减速运行时，电枢平均电压Ua小于感应电动势Ea。在每个PWM周期的0～t1区间，在感应电动势和自感电动势的共同作用下，电流经续流二极管VD4、VD1流向电源，方向是从B到A，电动机处于再生制动状态。在每个PWM周期的t1～t2区间，VT2导通、VT1截止，在感应电动势作用下，电流经续流二极管VD4和VT2仍然从B到A流过绕组，电动机处于能耗制动状态。

当电动机轻载或者空载运行时，平均电压Ua与感应电动势Ea几乎相当，在每个PWM周期的0～t1区间，VT2截止，电流先是经续流二极管VD4、VD1流向电源，方向是从B到A，电动机工作于再生制动状态。当电流减小到零后，VT1导通，电流改变方向，从A到B经VT4回到地，这期间工作于电动状态；在每个PWM周期的t1～t2区间，VT1截止，电流先经二极管VD2和开关管VT4进行续流，这期间工作于续流电动状态；当电流减小到零后，VT2导通，在感应电动势的作用下，电流变向，经续流二极管VT2、VD4流动，此时工作于能耗制动状态。由上面的分析可知，在每个PWM周期中，电流交替呈现再生制动、电动、续流电动、能耗制动四种状态，电流围绕横轴上下波动。

单极性可逆PWM驱动的特点是驱动脉冲仅需两路，电路较简单，驱动的电流波动较小，可以实现四象限运行，是一种应用广泛的驱动方式。

（3）双极性可逆调速系统

双极性驱动是指在一个PWM周期内，电动机电枢的电压极性呈正负变化。

与单极性一样，双极性驱动电路也分T形和H形。由于在T形驱动电路中，开关管要承受较高的反向电压，因此限制了这种结构在功率稍大的伺服电动机系统中的应用，而H形驱动电路结构却不存在这个问题，因而得到了广泛的应用。

H形双极性可逆PWM驱动系统如图1-12所示。4个开关管VT1～VT4分为两组，VT1、VT3为一组，VT2、VT4为另一组。同一组开关管同步关断或者开通，而不同组的开关管则与另外一组的开关状态相反。

在每个PWM周期里，当控制信号Up1、Up4为高电平时，此时，Up2和Up3为低电平，开关管VT1、VT4导通，VT2、VT3截止。电枢绕组电压方向为从A到B；当Up1为低电平时，此时，Up2为高电平，VT2、VT3导通，VT1、VT4截止，此时电枢绕组电压方向为从B到A。也即在每个PWM周期中，电压方向有两个，此即所谓“双极性”。

因为在一个PWM周期里电枢电压经历了正反两次变化，所以其平均电压Ua的计算公式可以表示为：

上式可以整理为：

Ua=（2α-1）Us

式中，α为占空比。

由上式可见，双极性PWM驱动时，电枢绕组承受的电压取决于占空比α的大小。当α=0时，Ua=-Us，电动机反转，且转速最高；当α=1时，Ua=Us，电动机正转，转速最高。当α=1/2时，Ua=0，电动机不转动。此时，电枢绕组中仍然有交变电流流动，使电动机产生高频振荡，这种振荡有利于克服电动机负载的静摩擦，提高电动机的动态性能。

下面讨论电动机电枢绕组的电流。电枢绕组中电流波形见图1-13，分三种情况讨论。

当要求电动机在较大负载情况下正转工作时，电枢平均电压Ua大于感应电动势Ea。在每个PWM周期的0～t1区间中，VT1、VT4导通，VT2、VT3截止，电枢绕组中的电流方向是从A到B。在每个PWM周期的t1～t2区间，VT2、VT3导通，VT1、VT4截止，虽然绕组两端加反向电压，但由于绕组的负载电流较大，电流的方向仍然不改变，只不过电流幅值的下降速率比单极性系统的要大，因此，电流波动较大。

当电动机在较大负载情况下反转工作时，情形正好与正转时相反，电流波形如图1-13（b）所示。

当电动机在轻载下工作时，电枢电流很小，电流波形基本上围绕横轴上下波动（见图1-13（c），电流的方向也在不断变化。在每个PWM周期的0～t1区间，VT2、VT3截止。初始时刻，由于电感电动势的作用，电枢中的电流维持原流向——从B到A，经二极管VD4、VD1到电源，电动机处于再生制动状态。由于二极管的VD4、VD1箝位作用，此时VT1、VT4不能导通。当电流衰减到零后，在电源电压的作用下，VT1、VT4开始导通，电流经VT1、VT4形成回路。这时电枢电流的方向从A到B，电动机处于电动状态。在每个PWM周期的t1～t2区间，VT1、VT4截止。电枢电流在电感电动势的作用下继续从A到B，电动机仍然处于电动状态。当电流衰减为零以后，VT2、VT3开始导通，电流从电源流经VT3后，从B到A经VT2回到地，电动机处于能耗制动状态。所以，在轻载下工作时，电动机的工作状态呈现点动和制动交替变化。

双极性驱动时，电动机可以在4个象限上工作，低速时的高频振荡有利于消除负载的静摩擦，低速平稳性好，但在工作过程中，由于4个开关管都处在开关状态，功率损耗较大，因此，双极性驱动只用于中小型直流电动机，使用时也要加“死区”，防止同一桥臂下开关管直通。

（4）死区

在双极性驱动下工作时，由于开关管自身都有开关延时，并且“开”和“关”的延时时间不同，所以在同一桥臂上的两个开关管容易出现直通现象，这将引起短路。为了防止直通，同一桥臂上的两个开关管在“开”、“关”交替时，增加一个低电平延时，如图1-14所示。使某一个开关管在“开”之前，保证另一个相对应的开关管处于“关”的状态。通常，我们把这个低电平延时称为死区。死区的时间长短可以根据开关管关断时间以及使用要求来确定，一般在5～20μs。由图可见，在每个PWM周期里，将有两个死区出现。

一般单片机的专用PWM口发出的PWM波没有死区设置功能，所以必须外接能产生死区功能的芯片。一种方式是采用专用PWM信号发生器集成电路，如UC3637、SG1731等，这些芯片都带有PWM波发生电路、死区以及保护电路。但是他们大部分都采用模拟信号（电压）控制，如果使用单片机控制，则必须首先进行D/A转换。另一种方式是使用单片机外加含有死区功能和驱动功能的专用集成电路，这对于小型直流电动机的控制而言，电路更简单。

2.直流伺服电动机的微处理器控制

（1）采用专用直流电动机驱动芯片LMD18200实现双极性控制

下面介绍一种典型芯片LMD18200的性能和应用。LMD18200是专用于直流电动机驱动的H桥组件。LMD18200外形结构有两种，如图1-15所示，常用的LMD18200芯片有11个引脚，采用TO-220封装，如图1-15（a）所示。

LMD18200芯片的功能如下：

①峰值输出电流高达6A，连续输出电流达3A，工作电压高达55V；

②可接受TTL/CMOS兼容电平的输入；

③可通过输入的PWM信号实现PWM控制；

④可外部控制电动机转向；

⑤具有温度报警和过热与短路保护功能；

⑥内部设置防桥臂直通电路；

⑦可以实现直流电动机的双极性和单极性控制；

⑧具有良好的抗干扰性。

LMD18200的原理如图1-16所示，图中引脚分布与TO—220封装形成对应。由图可见，它内部集成了4个DMOS管，组成一个标准的H桥驱动电路。通过自举电路为上桥臂的2个开关管提供栅极控制电压，充电泵电路由一个300kHz的振荡器控制，使自举电容可以充至14V左右，典型上升时间是20μs，适用于1kHz左右的工作频率。可在引脚1、11外接电容形成第二个充电泵电路，外接电容越大，向开关管栅极输入的电容充电速度越快，电压上升的时间越短，工作频率可以更高。引脚2、10接直流电动机电枢，正转时电流的方向应该从引脚2到引脚10；反转时电流的方向应该从引脚10到引脚2。电流检测输出引脚8可以接一个对地电阻，通过电阻来输出过流情况。内部保护电路设置的过电流阈值为10A，当超过该值时会自动封锁输出，并周期性地自动恢复输出。如果过电流持续时间较长，过热保护将关闭整个输出。过热信号还可通过引脚9输出，当结温达到145℃时引脚9有输出信号。

LMD18200提供双极性和单极性两种驱动方式。单极性驱动方式中，PWM控制信号通过引脚5输入，转向信号通过引脚3输入。根据5脚PWM控制信号的占空比来控制伺服电动机的转速。对于双极性驱动方式，PWM控制信号通过3脚输入，根据PWM控制信号的占空比来决定伺服电动机的转速和转向。也即当占空比大于50%时，伺服电动机正转，占空比小于50%时，伺服电动机反转。

基于LMD18200的单极性可逆驱动方式下典型应用电路如图1-17所示。其理想波形如图1-18所示。

该应用电路是Motorola68332CPU与LMD18200接口例子，它们组成了一个单极性驱动直流电动机的闭环控制电路。在这个电路中，PWM控制信号是通过引脚5输入的，而转向信号则通过引脚3输入。根据PWM控制信号的占空比来决定直流电动机的转速。

电路中采用一个增量型光电编码器来反馈电动机的实际位置，增量式旋转编码器是利用光源和光敏元件进行转动体角位移测量的装置（详见附录A）。在转动体转动时，安装于同轴的编码器将角位移转换成A、B两路脉冲信号，供可逆计数器计数。

在本电路中，编码器输出A、B两相，检测电动机转速和位置，形成闭环位置反馈，从而达到精确控制直流伺服电动机的目的。

由于采用了LMD18200功率集成驱动电路，使整个电路元件少，体积小，更适合在仪器仪表控制中使用。

（2）采用LM629的小功率直流伺服系统

LM629是一款很优秀的专用运动控制处理器。下面我们以这种芯片为例，介绍这种芯片在小功率直流伺服系统中的应用。

①LM629芯片的功能和工作原理

LM629是一种可编程全数字运动控制专用芯片，LM629N是NMOS结构，采用28引脚双列直插封装，芯片的主频为6MHz和8MHz，采用5V电源工作。它有如下功能：

a.32位的位置、速度及加速度寄存器；

b.带16位参数的可编程数字PID控制器；

c.可编程的微分采样时间；

d.8位脉宽调制PWM信号输出；

e.内部梯形速度图发生器；

f.速度、目标位置以及PID控制器的参数均可在运动过程中改变；

g.位置、速度两种控制方式；

h.可实时中断、增量式编码器接口；

i.电压：4.5～5.5V。

LM629的引脚1～3接增量式光电编码盘的输出信号C、B、A；引脚4～11是数据口D0～D7；引脚12～15分别是CS、RD、GND、WR；引脚16是PS，PS=1时，读写数据，PS=0时，读状态和写指令；引脚17是HI，HI=1时申请中断；引脚18（PWMS）、19（PWMM）分别是转向和PWM输出；引脚26～28分别是CLK、RST、VDD；其他引脚不用。

通过一个微处理器，一片LM629，一片功率驱动器，一台直流伺服电动机，一个增量式旋转编码器就可以构成一个伺服系统。系统框图如图1-19所示。它通过I/O口与单片机通信，输入运动参数和控制参数，输出状态和信息。

用一个增量式光电编码盘来反馈伺服电动机的实际位置。来自增量式光电编码盘的位置信号A、B经过LM629的4倍频，使分辨率提高。A、B逻辑状态每变化一次，LM629内的位置寄存器就会加（减）1。编码盘的A、B、C信号同时低电平时，就产生一个IndEX信号送入IndEX寄存器，记录电动机的绝对位置。

LM629的梯形速度图发生器用于计算所需的梯形速度分布。在位置控制方式时，单片机送来加速度、最高转速、最终位置数据，LM629利用这些数据计算运行轨迹如图1-20（a）所示。在电动机运行时，上述参数允许更改，产生如图1-20（b）所示的轨迹。在速度控制方式时，电动机用规定的加速度加速到规定的速度，并一直保持这一速度，直到新的速度指令执行。如果速度存在扰动，LM629可使其平均速度恒定不变。

LM629内部有一个数字PID控制器，用来控制闭环系统。数字PID控制器采用增量式PID控制算法，所需的Kp、Ki、Kd系数数据由单片机提供。

②LM629的指令

LM629有22条指令，可用于单片机对其进行控制、数据传送和了解状态信息。指令可分成5类，分别介绍如下。

a.初始化指令

初始化指令有三条，用于对LM625初始化操作。

·复位指令（REST）

操作码：00H 无数据

复位指令将LM629片内各寄存器清零，清除绝大多数中断的屏蔽。复位至少需要1.5ms。

·8位PWM输出指令（PORT8）

操作码：05H 无数据

在位用LM629时，初始化时必须执行该指令一次。

·原点定义指令（DFH）

操作码：02H 无数据

定义当前位置为原点或绝对零点。

b.中断指令

LM629有6个能够引发单片机中断的中断源。下面7条指令都与中断有关。

·设定IndEX位置指令（SIP）

操作码：03H 无数据

当来自增量式光电编码盘的三个脉冲信号同时都是0时，绝对位置被纪录到IndEX寄存器，并引发中断，使状态字节的第三位置1。

·误差中断指令（LPEI）

操作码：1BH 2个字节写数据，数据范围：0000H～7FFFH

位置误差超差说明系统出现严重问题，因此，用户通过该指令输入位置误差阈值。设定值时发生中断，使状态字节第5位置1。

·误差停指令（LPES）

操作码：1AH 2个字节写数据，数据范围：0000H～7FFFH

用户通过该指令输入误差停阈值，当超出设定值时系统关断电动机，并引发中断，使状态字节第5位置1。

·设定绝对位置断点指令（SBPA）

操作码：20H 4个字节写数据，数据范围：C0000000H～3FFFFFFFH

用户通过该指令设置绝对位置断点，当到达绝对位置时引发中断，使状态字节第6位置1。

·设定相对位置断点指令（SBPR）

操作码：21H 4个字节写数据

用户通过该指令设置相对位置断点，当到达相对位置时引发中断，使状态字第6位置1。

·屏蔽中断指令（MSKI）

操作码：1CH 2个字节写数据

用户通过该指令将不需要的中断源屏蔽掉。两个字节写数据中的第一个字节无用，第二个字节各位功能如表1-1所列。

表1-1 MSKI第二个字节各位功能

当表1-1中的位置等于0，该中断被屏蔽。

c.复位中断指令（RSTI）

操作码：1DH2个字节写数据

当中断发生时，RSTI指令用来复位指定的中断标志

d.PID控制器指令

PID控制器指令有两条，用于输入PID参数

·装入PID参数指令（LFIL）

操作码：1EH 2～10个字节写数据

输入的参数包括PID系数Kp、Ki、Kd和积分极限。数据的前两个字节中，低字节的内容如表1-2所列；高字节存放微分采样时间间隔数据，其数据格式如表1-3所列。随后是参数数据，每个数据占两个字节，顺序为Kp、Ki、Kd和积分极限。

表1-2 LFIL低字节内容

表1-3 LFIL高字节数据格式

·参数有效指令（UDF）

操作码：04H 无数据

PHD参数输入采用双缓存，UDF指令使用LFIL指令输入的参数真正送入寄存器中。

e.运动指令

运动指令有两条。用于输入位置、速度、加速度、控制方式和转向参数。

·装入运动参数指令（LTRJ）

操作码：1FH 2～14个字节写数据

用户通过运动指令输入加速度、速度、位置、控制方式、转向、停车方式等数据。数据的前两个字节的内容如表1-4所列。其后紧随着的是加速度、速度、位置参数数据。其中加速度和速度都是32位数据，它们的低16位数据都是小数位。位量数据是30位有符号数。

表1-4 装入运动参数指令（LTRJ）前两个字节的内容

表1-4中，装入运动参数指令0位、2位和4位为1时，表示位置、速度和加速度是相对值，为0时为绝对值。8、9、10位是停车方式，只能选择其中之一。11位为1时LM629工作在速度控制方式，为0时工作在位置控制方式。

·数据有效指令（STT）

操作码：01H 无数据

运动参数输入也采用双缓存，STT指令使LTRJ指令输入的数据生效。

f.状态和信息指令

单片机通过状态和信息指令读LM629的状态和运动信息。这类指令有8条。

·读状态指令（RDSTAT）

操作码：无1个字节读数据

从LM629直接读1个字节的状态数据，其内容如表1-5所列，其中1～6位在相应的中断发生时置1。

表1-5 读状态指令（RDSTAT）读出的数据内容

·读信号寄存器指令（RDSIGS）

操作码：0CH2个字节读数据

读出的两个字节数据内容如表1-6所列，其中所指的是各位为1时的功能

表1-6 读信号寄存器指令（RDSIGS）读出的数据内容

·读IndEX位置指令（RDIP）

操作码：09H 4个字节读数据，数据范围：C0000000H～3FFFFFFFFH

读IndEX寄存器位置数据，数据顺序是高位在前。

·读预定位置指令（RDDP）

操作码：08H4个字节读数据，数据范围：C0000000H～3FFFFFFFFH

读预定位置数据，数据顺序是高位在前。

·读实际位置指令（RDRP）

操作码：0AH 4个字节读数据，数据范围：C0000000H～3FFFFFFFFH

读当前实际位置数据，数据顺序是高位在前。

·读预定速度指令（RDDV）

操作码：07H 4个字节读数据，数据范围：C0000001H～3FFFFFFFH

读预定速度数据，其中低16位是小数位，数据顺序是高位在前。

·读实际速度指令（RDRV）

操作码：0BH 2个字节读数据，数据范围：C0000001H～3FFFFFFFFH

读实际速度数据，都是整数，数据顺序是高位在前。

·读积分和指令（HDSUM）

操作码，0DH 2个字节读数据

读积分和数据，数据顺序是高位在前。

以上大多数指令可以在电动机运行过程中执行。

③LM629的应用

图1-21是应用LM629组成的位置伺服系统。该系统采用51单片机对其进行控制。LM629的I/O口D0～D7与单片机的P0口相连，用来从单片机传送数据和控制指令，从LM629传送运动信息和电动机的状态。单片机的P2.0引脚与LM629的片选端相连，作为选中LM629的地址线。引脚P2.1与LM629的相连，作为另一条地址线。当P2.1=0时，单片机可以向LM629写指令或从LM629读状态；P2.1=1时，单片机可以向LM629写数据或从LM629读信息。LM629的中断引脚经一个非门与单片机的相连，LM629的6个中断源都通过该引脚申请单片机中断，一旦有中断申请发生，单片机必须通过读LM629的状态字来辨别哪一个中断发生。

单片机的主要作用就是向LM629传送PID数据和运动数据，并通过LM629对电动机的运行情况进行监控。LM629则根据单片机发来的数据生成速度图，进行位置跟踪、PID控制和生成PWM信号。

LM629的两个输出PWMS和PWMM经光电耦合后与驱动芯片LMD18200相连，来驱动直流电动机。在直流电动机输出轴上安装增量式光电编码器作为速度传感器，它的输出直接连到LM629的A、B、C输入端，形成反馈环节。

（3）采用DSP的单极性可逆PWM控制系统

①DSP简介

DSP处理器是专门设计用来进行高速数字信号处理的微处理器。与通用的CPU和微处理器（MCU）相比，DSP处理器在结构上采用了许多的专门技术和措施来提高处理速度。尽管不同的厂商所采用的技术和措施不尽相同，但往往有许多共同的特点，主要有：

·哈佛结构和改善的哈佛结构；

·流水线技术（Pipeline）；

·硬件乘法器和乘法指令MAC；

·独立的直接存储器访问（DMA）总线及其控制器；

·数据地址发生器（DAG）；

·丰富的外设（PeriPherals）。

TI应用于电动机控制的DSP典型芯片有TMS320LF240、TMS320LF2401、TMS320LF2407、TMS320LF2812等。

②TMS320F2812简介

TMS320F2812是美国德州仪器公司（简称TI公司）推出的新一代32位定点数字信号处理器（DigitalSignalProcessor，DSP）系列产品中的一员。该系列芯片包括：TMS320F2810，TMS320F2811，TMS320F2812，TMS320C2810，TMS320C2811和TMS320C2812等。

TMS320X281x芯片每秒可执行1.5亿次指令（150MIPS），具有单周期32位×32位的乘和累加操作（MAC）功能。F281x片内集成了128K/64K×l6位的闪速存储器（Flash），可方便地实现软件升级；此外，片内还集成了丰富的外围设备，例如：采样频率达12.5MIPS的12位16路A/D转换器，面向电机控制的事件管理器，以及可为主机、测试设备、显示器和其他组件提供接口的多种标准串口通信外设等。可见，该类芯片既具备数字信号处理器卓越的数据处理能力，又像单片机那样具有适于控制的片内外设及接口，因而又被称为“数字信号控制器”（DigitalSignalController，DSC）。

TMS320X281x与TMS320F24x/LF240x的原代码和部分功能相兼容，一方面保护了TMS320F24x/LF240x升级时对软件的投资；另一方面扩大了TMS320C2000的应用范围，从原先的普通电机数字控制拓展到高端多轴电机控制、可调谐激光控制、光学网络、电力系统监控和汽车控制等领域。

TMS320F281x系列芯片的主要性能如下。

高性能静态CMOS（StaticCMOS）技术

·150MHz（时钟周期6.67ns）

·低功耗设计（核心电压1.8V，I/O口电压3.3V）

·Flash编程电压3.3V

JTAG边界扫描（BoUndaryScan）支持高性能的32位中央处理器（TMS320C28x）

·16位×16位和32位×32位乘且累加操作

·16位×16位的两个乘且累加单元

·哈佛总线结构（HarvardBusArchitECture）

·强大的操作能力

·迅速的中断响应和处理

·统一的寄存器编程模式

·可达4MB的线性程序地址

·可达4MB的线性数据地址

·代码高效（用C/C++或汇编语言）

·与TMS320F24x/LF240x处理器的源代码兼容

片内存储器

·128K×16位的Flash存储器

·1K×16位的OTPROM

·L0和L1：两块4K×16位的单口访问RAM（SARAM）

·H0：一块8K×16位的单口访问RAM

·M0和M1：两块1K×16位的单口访问RAM

引导ROM（BootROM）4K×16位

·带有软件的Boot模式

·标准的数学表

外部存储器接口（仅F2812有）

·有多达1.5MB×16位的存储器

·可编程等待状态数

·可编程读/写选通计数器（StrobeTiming）

·三个独立的片选端

时钟与系统控制

·支持动态的改变锁相环的频率

·片内振荡器

·看门狗定时器模块

三个外部中断

外部中断扩展（PIE）模块

·可支持96个外设中断，当前仅使用了45个外设中断

128位的密钥（SECurityKey/Lock）

·保护Flash/OTP和L0/L1SARAM

·防止ROM中的程序被盗

三个32位的CPU定时器

马达控制外围设备

·两个事件管理器（EVA、EVB）

·与C240x兼容的器件

串口外围设备

·串行外围接口（SPI）

·两个串行通信接口（SCIs），标准的UaRT

·改进的局域网络（ECAN）

·多通道缓冲串行接口（McBSP）和串行外围接口模式

12位的ADC，16通道

·2×8通道的输入多路选择器

·两个采样保持器

·单个的转换时间：200ns

·单路转换时间：60ns

最多有56个独立的可编程、多用途通用输入/输出（GPIO）引脚

高级的仿真特性

·分析和设置断点的功能

·实时的硬件调试

开发工具

·ANSIC/C++编译器/汇编程序/连接器

·支持TMS320C24x/240x的指令

·代码编辑集成环境

·DSP/BIOS

·JTAG扫描控制器（TI或第三方的）

·硬件评估板

·支持多数厂家的数控电机

低功耗模式和节能模式

·支持空闲模式、等待模式、挂起模式

·停止单个外围的时钟

封装方式

·带外部存储器接口的179球形触点BGA封装

·带外部存储器接口的176引脚低剖面四芯线扁平LQFP封装

·没有外部存储器接口的128引脚贴片正方扁平PBK封装温度选择

·A：-40～+85℃

·S：-40～+125℃

特别值得一提的是它所集成的事件管理器，它是电动机控制专用外设的一个集合，也沿用到后来TI电动机控制专用DSP当中并加以改善。事件管理器中集成了4个16位定时器，并以这4个定时器为基础，控制着事件管理器中其他的外设，包括比较器、PWM发生器、死区时间发生器、捕获单元、正交编码电路，还可以控制A/D转换器的操作。其中PWM发生器从硬件上支持现代电力电子系统和电动机控制系统中常用的空间矢量PWM方式，使得生成PWM所需的代码大大简化。同时该DSP为每个外设提供了丰富的中断源，极大地方便了实时控制中处理各种实时事件。由于片内集成了FlashROM，使得控制系统的软件调试和产品开发变得更加容易。另外从TMS320LF2407A开始，TI生产的电动机控制专用DSP都采用JTAG接口作为仿真器与DSP芯片的连接方式，大大提高了DSP仿真调试的效率。

TMS320LF2812的集成度较高，在外设功能上已经赶上甚至超过了微控制器。只需在DSP外部连接很少的接口电路即可构成一个功能完善的控制系统，系统硬件设计得到大大简化。由于TMS320F2812几乎集成了所有电动机控制所需的外设，因此由此可以构成一个较为通用的控制平台，适用于不同的控制对象。例如，采用TMS320LF2812的控制板与一个两电平三相逆变器相连，则可以用于各种交流电动机的控制，比如交流异步电动机、永磁同步电动机、永磁无刷直流电动机等，也可以用这样的平台进行PWM整流、功率因数校正、无功补偿、UPS电源等系统的控制研究。针对不同的控制对象，只需修改DSP中的软件，硬件基本上无须改动。

③基于DSP的全数字直流伺服电动机控制系统

基于DSP芯片强大的高速运算能力、强大的I/O控制功能和丰富的外设，我们可以使用DSP方便的实现直流伺服电动机的全数字控制。图1-22是直流伺服电动机全数字双闭环控制系统框图。全部控制模块如速度PI调节、电流PI调节、PWM控制等都是通过软件来实现。

图1-23是根据图1-22的控制原理所设计的用TMS320LF2812DSP实现的直流伺服控制系统。

图1-23中，采用了H桥驱动电路，通过DSP的PWM输出引脚PWM1～PWM4输出的控制信号进行控制。用霍尔电流传感器检测电流变化，并通过ADCIN00引脚输入给DSP，经过A/D转换产生电流反馈信号。采用增量式光电编码器检测电动机的速度变化，经过QEP1、QEP2引脚输出给DSP，获得速度反馈信号。它还可以很容易地实现位置控制。

用DSP实现直流电动机速度控制的软件由三部分组成：初始化程序、主程序、中断服务子程序。

其中主程序只进行电动机的转向判断，用来改变比较方式寄存器ACTRA的设置。用户可以在主程序中添加其他的控制程序。

在每个PWM周期中都进行一次电流采样和电流PI调节，因此电流采样周期与PWM周期相同，以实现实时控制。

采用定时器1周期中断标志来启动A/D转换，转换结束后申请ADC中断，图1-24是ADC中断处理子程序框图，全部控制功能都通过中断处理子程序来完成。

由于速度时间常数比较大，本程序设计每100个PWM周期对速度进行一次PI调节。

速度反馈量式按以下方法计算的：在每个PWM周期都通过读编码器求一次编码脉冲增量，并累计。假设电动机的最高转速是300r/min，即50r/s。采用1024线的编码器，经过DSP四倍频后每转发出4096个脉冲。所以在这个转速下，每秒发出50×4096=204800个脉冲，那么5ms发出的最大脉冲数为204800×5×10-3=1024，或者210，令编码脉冲速度转换系数Kspeed=1/1024，其Q22格式为Kspeed=222/1024=210，即1000H。用编码器的脉冲累计值乘以Kspeed就可以得到当前转速反馈量相对于最高转速的比值n，当前转速反馈量等于3000×n/222。

程序中的速度PI调节和电流PI调节的各个参数可以根据用户特殊应用要求在初始化程序中改写。