直流伺服電機調速控制系統解析，直流伺服電機的調速控制方式

　　直流伺服電機速度控制單元的作用是將轉速指令信號轉換成電樞的電壓值，達到速度調節的目的?，F代直流電機速度控制單元常多采用晶閘管（可控硅，SCR）調速系統和晶體管脈寬調制（PWM）調速系統。

　　調速的概念有兩個(gè)方面的含義：

　?。?） 改變電機轉速：當指令速度變化時(shí)，電機的速度隨之變化，并希望以最快的加減速達到新的指令速度值；

　?。?） 當指令速度不變化時(shí)，電機的速度保持穩定不變。

　　為調節電機轉速和方向，需對直流電壓的大小和方向進(jìn)行控制，如何控制？

　　直流伺服電機速度控制單元的作用：將轉速指令信號轉換成電樞的電壓值，達到速度調節的目的。

　　直流電機速度控制單元常采用的調速方法：晶閘管（可控硅）調速系統；晶體管脈寬調制（PWM）調速系統。

　　1、晶閘管調速系統

　　在交流電源電壓不變的情況下，當改變控制電壓Un* 時(shí)，通過(guò)控制電路和晶閘管主電路改變直流電機的電樞電壓Ud，得到控制電壓Un*所要求的電機轉速。電機的實(shí)際電壓Un作為反饋與Un*進(jìn)行比較，形成速度環(huán)，達到改善電機運行時(shí)的機械特性的目的。

　　晶閘管調速系統主電路采用大功率晶閘管。大功率晶閘管的作用：

　?。?）整流。將電網(wǎng)交流電源變?yōu)橹绷?；將調節回路的控制功率放大，得到較高電壓與較大電流以驅動(dòng)電機。

　?。?）逆變。在可逆控制電路中，電機制動(dòng)時(shí)，把電機運轉的慣性能轉變?yōu)殡娔?，并回饋給交流電網(wǎng)，實(shí)現逆變。

　　為了對晶閘管進(jìn)行控制，必須設有觸發(fā)脈沖發(fā)生器，以產(chǎn)生合適的觸發(fā)脈沖。該脈沖必須與供電電源頻率及相位同步，保證晶閘管的正確觸發(fā)

　　主回路由大功率晶閘管構成的三相全控橋式反并接可逆電路，分成二大部分（Ⅰ和Ⅱ），每部分內按三相橋式連接，二組反并接，分別實(shí)現正轉和反轉。

　　各有一個(gè)可控硅同時(shí)導通，形成回路。為了保證合閘后兩個(gè)串聯(lián)的晶閘管能夠同時(shí)導通或電流截止后再導通，必須對共陽(yáng)極組的1個(gè)晶閘管和共陰極組的1個(gè)晶閘管同時(shí)發(fā)出觸發(fā)脈沖。

　　晶閘管調速系統采用的是大功率晶閘管，它的作用有兩個(gè)，一是用作整流，將電網(wǎng)交流電源變?yōu)橹绷?；二是在可逆控制電路中，電機制動(dòng)時(shí)，把電機運轉的慣性能轉變?yōu)殡娔?，并回饋給交流電網(wǎng)，實(shí)現逆變。為了對晶閘管進(jìn)行控制，必須設有觸發(fā)脈沖發(fā)生器，以產(chǎn)生合適的觸發(fā)脈沖。晶閘管的整流電路有許多種，在數控機床中最常用是三相橋式反并聯(lián)可逆電路。

　　如圖所示的就是三相橋式反并聯(lián)可逆電路。其由12個(gè)可控硅大功率晶閘管組成，晶閘管分兩組，S11 ～S16為一組， S21 ～S26為一組。每組按三相橋式聯(lián)接，兩組反并聯(lián)，分別實(shí)現正轉和反轉。反并聯(lián)是指兩組變流橋反極性并聯(lián)，由一個(gè)交流電源供電。每組晶閘管都有兩種工作狀態(tài)：整流和逆變。一組處于整流工作時(shí)，另一組處于待逆變狀態(tài)。在電機降速時(shí)，逆變組工作。

　　三相全控橋式電路的電壓波形如圖所示。圖上所標出的晶閘管觸發(fā)角 α為π/3。晶閘管以π/3的間隔按次序開(kāi)通，每6個(gè)脈沖電機轉1轉。由于晶閘管 以較快的速率被觸發(fā)，所以流經(jīng)電機的電流幾乎是連續的。

　　其工作過(guò)程如下：當ωt=π/6+α時(shí)，S11開(kāi)通而在此之前S16已被開(kāi)通了。因此，當A相電壓波形在π/6+α＜ωt＜π/6+α+π/3區間時(shí)，晶閘管S11和S16導通，電機端子與A 相和B相接通，故Ud=UAB。當ωt=α+π/3+π/6時(shí)，晶閘管S12開(kāi)通，電流流經(jīng)S12，而S16由于受反向偏置而關(guān)斷（自然或電網(wǎng)換向）。這時(shí)S11和S12導通，電機兩端電壓Ud=UAC。就這樣，每隔π/3又有一只晶閘管被開(kāi)通，之后就重復上述過(guò)程。

　　由波形圖可見(jiàn)，只要改變觸發(fā)角α的值，則就可以改變電機電壓的輸入值，進(jìn)而調節直流電機電樞的電流值，達到調節直流電機速度的目的。

　　在圖中，RW1為轉速定位器U+n，為轉速偏差電壓，Un為轉速反饋電壓，ΔUn為反饋偏差電壓，A為比例放大器，Uct為觸發(fā)控制電壓，GT為晶閘管的觸發(fā)控制裝置。

　　系統的工作情況及自動(dòng)調速過(guò)程如下：

　　當系統在某一較小的轉速給定電壓U+n作用下啟動(dòng)時(shí)，開(kāi)始一瞬間電機并未轉動(dòng)，故轉速反饋電壓Un=0，反饋偏差電壓ΔUn=U+n，通過(guò)放大器后，輸出較大的Uct，觸發(fā)器輸出的觸發(fā)角α將由起始狀態(tài)時(shí)的90o下降，整流器輸出電壓也由Ud=0上升到某一較大的值，電動(dòng)機在這一電壓作用下（電流不超過(guò)允許值時(shí)）啟動(dòng)運轉。隨著(zhù)轉速的上升，反饋電壓Un上升，則轉速偏差電壓ΔUn下降，Uct隨之下降，α上升，整流器輸出電壓Ud也下降，電動(dòng)機轉差率也下降，直到轉速n接近給定轉速，即反饋電壓Un接近，電機即平穩運轉。如前所述，電機轉速只能接近給定轉速，偏差大小與放大倍數緊密相關(guān)。但這種系統從原理上說(shuō)就是有偏差的，故稱(chēng)為有差調速系統。

　　晶閘管供電轉速電流雙閉環(huán)直流調速系統

　　前面所述的轉速負反饋單閉環(huán)調速系統實(shí)際上是不能用于數控機床進(jìn)給系統，對于數控機床上要求高的調速系統，則要求快速啟動(dòng)、制動(dòng)，動(dòng)態(tài)速降要小等，通常采用轉速電流雙閉環(huán)系統。

　　轉速電流雙閉環(huán)調速系統如圖所示。為了實(shí)現轉速和電流兩種反饋分別起作用，系統中設置了兩個(gè)調節器，分別對轉速和電流進(jìn)行調節，兩者之間實(shí)行串級聯(lián)接。

　　2、晶體管直流脈寬（PWM）調速系統

　?。?）原理：利用大功率晶體管的開(kāi)關(guān)作用，將直流電壓轉換成一定頻率的方波電壓，加到直流電動(dòng)機的電樞上；通過(guò)調整控制方波脈沖寬度來(lái)改變電樞的平均電壓，從而調節電機的轉速。

　　直流電機電壓的平均值

　　其中，T為脈沖周期，Ton為導通時(shí)間

　　特點(diǎn)：控制電路簡(jiǎn)單，不需附加關(guān)斷電路，開(kāi)關(guān)特性好。廣泛應用中、小功率直流伺服系統。

　?。?）PWM系統的組成

　　USr——速度指令轉化過(guò)來(lái)的直流電壓；

　　U△——三角波；

　　USC——脈寬調制器的輸出（USr+U△）；

　　Ub——調制器輸出的經(jīng)脈沖分配、由基極驅動(dòng)轉換過(guò)來(lái)的脈沖電壓。

　　控制回路：速度調節器、電流調節器、固定頻率振蕩器及三角波發(fā)生器、脈寬調制器和基極驅動(dòng)電路組成。

　　區別：與晶閘管調速系統比較，速度調節器和電流調節器原理一樣。不同的是脈寬調制器和功率放大器。

　　PWM系統的脈寬調制器

　　作用：將電壓量轉換成可由控制信號調節的矩形脈沖，為功率晶體管的基極提供一個(gè)寬度可由速度指令信號調節的脈寬電壓。

　　組成：調制信號發(fā)生器（三角波和鋸齒波兩種）和比較放大器。

　　晶體管調速系統主電路

　　開(kāi)關(guān)功率放大器是脈寬調制速度單元的主回路，其結構形式有兩種，一種是H型（也稱(chēng)橋式） ，另一種是T型。每種電路又有單極性工作方式和雙極性工作方式之分，而各種不同的工作方式又可組成可逆開(kāi)關(guān)放大電路和不可逆開(kāi)關(guān)放大電路。

　　圖示為廣泛使用的H型開(kāi)關(guān)電路的工作原理圖，它是由四個(gè)二極管和四個(gè)功率管組成的橋式回路。直流供電電源+Ed由三組全波整流電源供電。脈寬調制器輸出的脈沖波u1、u2、u3、u4經(jīng)光電隔離器，轉換成與各脈沖相位和極性相同的脈沖信號U1、U2、U3、U4，并將其加到開(kāi)關(guān)功率管VT1～VT4的基極。當電機正常工作時(shí)，在0《t《t1的時(shí)間區間內，U2、U3為高電平，功率晶體管 VT2、VT3導通，此時(shí)電源、+Ed加到電樞的兩端，向電機供電，電流方向是從電源+Ed經(jīng)VT3→電機→VT2→回到電源。在t1≤t《t2時(shí)間段U1、U3均是低電平，VT1和VT3截至，+Ed被切斷。而此時(shí)U2仍為高電平，此時(shí)，由于電樞電感的作用，電流經(jīng)VT2和續流二極管VD4繼續流通。在t2≤t《t3時(shí)，U2、U3又同時(shí)為正，+Ed又經(jīng)VT2和VT3加至電機兩端，電流繼續流通。在t3≤t《T時(shí)，U2、U4同時(shí)為負，電源又被切斷，而U3為正，所以電樞電流經(jīng)VT3和VD1續流，如此往復循環(huán)。主回路得到的電壓UAB是在+Ed和O之間變化的脈沖電壓。

　　雙極性和單極性的電路原理圖是一樣的，所不同的是右邊兩個(gè)管子的驅動(dòng)信號不同。

　　晶體管直流脈寬（Pulse Width ModulaTIon，PWM）調速系統

　?。?）直流PWM伺服驅動(dòng)裝置的工作原理

　　PWM驅動(dòng)裝置是利用大功率晶體管的開(kāi)關(guān)特性來(lái)調制固定電壓的直流電源，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)，并根據需要改變一個(gè)周期內接通與斷開(kāi)時(shí)間的長(cháng)短，通過(guò)改變直流伺服電動(dòng)機電樞上電壓的“占空比”來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機的轉速。

　　PWM控制的示意圖如圖所示，可控開(kāi)關(guān)S以一定的時(shí)間間隔重復地接通和斷開(kāi)，當S接通時(shí)，供電電源U通過(guò)開(kāi)關(guān)S施加到電動(dòng)機兩端，電源向電機提供能量，電動(dòng)機儲能；當開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí)，則中斷電動(dòng)機的能量供給。在開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)期間電樞電感所儲存的能量則通過(guò)續流二極管VD使電動(dòng)機電流繼續流通。

　　假如加在電機兩端為圖所示的電壓波形，則電機所獲得的平均電壓即為：

　　有式知：改變ton和toff即可改變轉速，但這必須有相應的裝置才能實(shí)現。圖示的即為一種PWM驅動(dòng)裝置系統原理框圖。

　　由圖知：PWM驅動(dòng)裝置的控制結構可分為兩大部分：從主電源將能量傳遞給電動(dòng)機的功率轉換電路以及控制電路。功率轉換電路可為H型、T型功率放大電路；控制電路通常由恒頻率波形發(fā)生器、脈沖寬度調制電路、基極驅動(dòng)電路、保護電路等基本電路組成。

　　當三角形波電壓UΔ 與直流電壓Uk送入放大器后，如三角波高于控制電壓時(shí)，輸出為“空”；反之，輸出為“占”，改變控制電壓Uk就可以改變占空比。其輸出波形如圖。

　　脈沖分配電路它根據功率轉換電路工作制式，對V/W變換的信號進(jìn)行適當的邏輯變換，分配給基極驅動(dòng)電路以滿(mǎn)足功率轉換電路工作時(shí)通、斷時(shí)序脈沖的電壓要求。

　　3、全數字直流調速系統

　　在全數字直流調速系統中，僅功率轉換組件和執行組件的輸入信號和輸出信號為模擬信號，其余的信號都為數字信號，由計算機通過(guò)算法實(shí)現。

　　計算機的計算速度很高，在幾毫秒內可以計算出電流環(huán)和速度環(huán)的輸入、輸出數值，產(chǎn)生控制方波的數據，從而控制電機的轉速和轉矩。全數字調速的特點(diǎn)是離散化，即在每個(gè)采樣周期給出一次控制數據。

　　在一個(gè)采樣周期內，計算機要完成一次電流環(huán)和速度環(huán)的控制數據的計算和輸出，對電機的轉速和轉矩控制一次。