《數(shù)控伺服系統(tǒng)》PPT課件

第7章數(shù)控伺服系統(tǒng),7.1概述,伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它接受來自數(shù)控裝置的進(jìn)給指令信號(hào)，經(jīng)變換、調(diào)節(jié)和放大后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行件，轉(zhuǎn)化為直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置(計(jì)算機(jī))和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、伺服機(jī)構(gòu)或伺服單元。該系統(tǒng)包括了大量的電力電子器件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，綜合性強(qiáng)。,7.1概述,進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)。如果說CNC裝置是數(shù)控系統(tǒng)的“大腦”，是發(fā)布“命令”的“指揮所”，那么進(jìn)給伺服系統(tǒng)則是數(shù)控系統(tǒng)的“四肢”，是一種“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”。它忠實(shí)地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)來的運(yùn)動(dòng)命令，精確控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)方向，進(jìn)給速度與位移量。,7.1.1伺服系統(tǒng)的組成,組成：伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制轉(zhuǎn)換電路電子電力驅(qū)動(dòng)放大模塊位置調(diào)節(jié)單元速度調(diào)節(jié)單元電流調(diào)節(jié)單元檢測裝置一般閉環(huán)系統(tǒng)為三環(huán)結(jié)構(gòu)：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。,7.1.1伺服系統(tǒng)的組成,位置、速度和電流環(huán)均由：調(diào)節(jié)控制模塊、檢測和反饋部分組成。電力電子驅(qū)動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路和功率放大器組成。嚴(yán)格來說：位置控制包括位置、速度和電流控制；速度控制包括速度和電流控制。,7.1.2對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求,1精度高伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。包括定位精度和輪廓加工精度。2穩(wěn)定性好穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度。3快速響應(yīng)快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。4調(diào)速范圍寬調(diào)速范圍是指生產(chǎn)機(jī)械要求電機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。024m/min。5低速大轉(zhuǎn)矩進(jìn)給坐標(biāo)的伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制，在整個(gè)速度范圍內(nèi)都要保持這個(gè)轉(zhuǎn)矩；主軸坐標(biāo)的伺服控制在低速時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩控制，能提供較大轉(zhuǎn)矩。在高速時(shí)為恒功率控制，具有足夠大的輸出功率。,7.1.2對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求,對(duì)伺服電機(jī)的要求：（1）調(diào)運(yùn)范圍寬且有良好的穩(wěn)定性，低速時(shí)的速度平穩(wěn)性（2）電機(jī)應(yīng)具有大的、較長時(shí)間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。（3）反應(yīng)速度快，電機(jī)必須具有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、較大的轉(zhuǎn)矩、盡可能小的機(jī)電時(shí)間常數(shù)和很大的加速度(400rad/s2以上)。（4）能承受頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)和正反轉(zhuǎn)。,7.1.2伺服系統(tǒng)的分類,1按調(diào)節(jié)理論分類（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng),7.1.2伺服系統(tǒng)的分類,開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)沒有位置測量裝置，信號(hào)流是單向的（數(shù)控裝置進(jìn)給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。,7.1.2伺服系統(tǒng)的分類,無位置反饋，精度相對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)來講不高，其精度主要取決于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能和精度。一般以功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動(dòng)元件。這類系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在精度和速度要求不高、驅(qū)動(dòng)力矩不大的場合得到廣泛應(yīng)用。一般用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。,6.1.2伺服系統(tǒng)的分類,半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖所示，是從驅(qū)動(dòng)裝置(常用伺服電機(jī))或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測，不是直接檢測運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置。,6.1.2伺服系統(tǒng)的分類,半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對(duì)這類誤差進(jìn)行補(bǔ)償，因而仍可獲得滿意的精度。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代CNC機(jī)床中得到了廣泛應(yīng)用。,7.1.2伺服系統(tǒng)的分類,全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖的虛線所示，直接對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置進(jìn)行檢測。,7.1.2伺服系統(tǒng)的分類,從理論上講，可以消除整個(gè)驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動(dòng)量。具有很高的位置控制精度。由于位置環(huán)內(nèi)的許多機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試都相當(dāng)困難。該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機(jī)床等。,7.1.2伺服系統(tǒng)的分類,2按使用的執(zhí)行元件分類（1）電液伺服系統(tǒng)電液脈沖馬達(dá)和電液伺服馬達(dá)。優(yōu)點(diǎn)：在低速下可以得到很高的輸出力矩，剛性好，時(shí)間常數(shù)小、反應(yīng)快和速度平穩(wěn)。缺點(diǎn)：液壓系統(tǒng)需要供油系統(tǒng)，體積大。噪聲、漏油。（2）電氣伺服系統(tǒng)伺服電機(jī)（步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和交流電機(jī)）優(yōu)點(diǎn)：操作維護(hù)方便，可靠性高。1）直流伺服系統(tǒng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用大慣量寬調(diào)速永磁直流伺服電機(jī)和中小慣量直流伺服電機(jī)；主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用他激直流伺服電機(jī)。優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速性能好。缺點(diǎn)：有電刷，速度不高。2）交流伺服系統(tǒng)交流感應(yīng)異步伺服電機(jī)（一般用于主軸伺服系統(tǒng)）和永磁同步伺服電機(jī)（一般用于進(jìn)給伺服系統(tǒng)）。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、不需維護(hù)、適合于在惡劣環(huán)境下工作。動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、轉(zhuǎn)速高和容量大。,7.1.2伺服系統(tǒng)的分類,3按被控對(duì)象分類（1）進(jìn)給伺服系統(tǒng)指一般概念的位置伺服系統(tǒng)，包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。（2）主軸伺服系統(tǒng)只是一個(gè)速度控制系統(tǒng)。C軸控制功能。4按反饋比較控制方式分類（1）脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)（2）相位比較伺服系統(tǒng)（3）幅值比較伺服系統(tǒng)（4）全數(shù)字伺服系統(tǒng),7.2伺服電動(dòng)機(jī),伺服電動(dòng)機(jī)為數(shù)控伺服系統(tǒng)的重要組成部分，是速度和軌跡控制的執(zhí)行元件。數(shù)控機(jī)床中常用的伺服電機(jī)：直流伺服電機(jī)（調(diào)速性能良好）交流伺服電機(jī)（主要使用的電機(jī)）步進(jìn)電機(jī)（適于輕載、負(fù)荷變動(dòng)不大）直線電機(jī)（高速、高精度）,7.2.1直流伺服電機(jī)及工作特性,常用的直流電動(dòng)機(jī)有：永磁式直流電機(jī)（有槽、無槽、杯型、印刷繞組）勵(lì)磁式直流電機(jī)混合式直流電機(jī)無刷直流電機(jī)直流力矩電機(jī)直流進(jìn)給伺服系統(tǒng)：永磁式直流電機(jī)類型中的有槽電樞永磁直流電機(jī)（普通型）；直流主軸伺服系統(tǒng)：勵(lì)磁式直流電機(jī)類型中的他激直流電機(jī)。,1直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu),2一般直流電機(jī)的工作特性,靜態(tài)特性電磁轉(zhuǎn)矩由下式表示:（6.1）KT轉(zhuǎn)矩常數(shù)；磁場磁通；Ia電樞電流；TM電磁轉(zhuǎn)矩。電樞回路的電壓平衡方程式為:（6.2）Ua電樞上的外加電壓；Ra電樞電阻；Ea電樞反電勢。電樞反電勢與轉(zhuǎn)速之間有以下關(guān)系：（6.3）Ke電勢常數(shù)；電機(jī)轉(zhuǎn)速（角速度）。根據(jù)以上各式可以求得：（6.4）,2一般直流電機(jī)的工作特性,當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為零時(shí)：理想空載轉(zhuǎn)速（6.5）當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時(shí)：啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩(6.6）當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)某一負(fù)載TL時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速與理想空載轉(zhuǎn)速的差（6.7）,O,2一般直流電機(jī)的工作特性,動(dòng)態(tài)特性直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩平衡方程式為（6.8）式中TM電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；TL折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度；J電機(jī)轉(zhuǎn)子上總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；t時(shí)間自變量。,3永磁直流伺服電機(jī)的工作特性,(1)永磁直流伺服電機(jī)的性能特點(diǎn)1)低轉(zhuǎn)速大慣量2)轉(zhuǎn)矩大3)起動(dòng)力矩大4)調(diào)速泛圍大，低速運(yùn)行平穩(wěn)，力矩波動(dòng)小(2)永磁直流伺服電機(jī)性能用特性曲線和數(shù)據(jù)表描述1)轉(zhuǎn)矩-速度特性曲線（工作曲線）2)負(fù)載-工作周期曲線過載倍數(shù)Tmd，負(fù)載工作周期比d。3)數(shù)據(jù)表：N、T、時(shí)間常數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等等。,3永磁直流伺服電機(jī)的工作特性,d%80110%120%60130%140%40160%d180%20200%013tR6103060100tR(min)圖69負(fù)載-工作周期曲線,4主軸直流伺服電機(jī)的工作原理和特性,7.22交流伺服電機(jī)及工作特性,直流伺服電機(jī)的缺點(diǎn)：它的電刷和換向器易磨損；電機(jī)最高轉(zhuǎn)速的限制，應(yīng)用環(huán)境的限制；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高。交流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；輸出功率大、電壓和轉(zhuǎn)速提高交流伺服電機(jī)形式：同步型交流伺服電機(jī)和異步型交流感應(yīng)伺服電機(jī)。,1永磁交流同步伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理,交流同步伺服電機(jī)的種類：勵(lì)磁式、永磁式、磁阻式和磁滯式（1）永磁交流同步伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu),VS,VS,定子,轉(zhuǎn)子,脈沖編碼器,定子三相繞組,接線盒,圖611永磁交流同步伺服電機(jī)結(jié)構(gòu),1永磁交流同步伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理,1永磁交流同步伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理,（2）永磁交流同步伺服電機(jī)工作原理和性能,n（r/min）,2交流主軸伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理,交流主軸電機(jī)的要求：大功率低速恒轉(zhuǎn)矩、高速恒功率鼠籠式交流異步伺服電機(jī)圖614交流主軸電機(jī)與普通交流異步感應(yīng)電機(jī)的比較圖示意圖圖615交流主軸伺服電機(jī)的特性曲線,3、交流伺服電機(jī)的發(fā)展,（1）永磁交流同步伺服電機(jī)的發(fā)展新永磁材料的應(yīng)用釹鐵硼永久磁鐵的結(jié)構(gòu)改革內(nèi)裝永磁交流同步伺服電機(jī)與機(jī)床部件一體化的電機(jī)空心軸永磁交流同步伺服電機(jī)（2）交流主軸伺服電機(jī)的發(fā)展輸出轉(zhuǎn)換型交流主軸電機(jī)三角-星形切換，繞組數(shù)切換或二者組合切換。液體冷卻電機(jī)內(nèi)裝式主軸電機(jī),7.3速度控制,概述：速度控制系統(tǒng)由速度控制單元、伺服電機(jī)和速度檢測裝置組成。分為主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)：是保證軌跡、尺寸和形位精度的。不但有速度控制，還有位置控制。在整個(gè)速度范圍內(nèi)，保持恒轉(zhuǎn)矩。與主運(yùn)動(dòng)相比功率較小。主運(yùn)動(dòng)：主要無級(jí)調(diào)速，但還要有下面的控制功能：主軸于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的同步控制；準(zhǔn)?？刂?；分度控制；恒線速度控制。速度控制：主要是調(diào)速，調(diào)速有機(jī)械、液壓和電氣方法，電氣調(diào)速最有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。,7.3.1直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制,1.、直流伺服電機(jī)的調(diào)速原理根據(jù)機(jī)械特性公式可知調(diào)速有二種方法:電樞電壓Ua和氣隙磁通改變電樞外加電壓Ua:由于繞組絕緣耐壓的限制，調(diào)壓只能在額定轉(zhuǎn)速以下進(jìn)行。屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。改變氣隙磁通量：改激磁電流即可改，在Ua恒定情況下，磁場接近飽和，故只能弱磁調(diào)速，在額定轉(zhuǎn)速以上進(jìn)行。屬于恒功率調(diào)速。2.直流速度控制單元調(diào)速控方式晶閘管（可控硅）調(diào)速系統(tǒng)晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng),（6.9）,（6.10）,晶閘管調(diào)速系統(tǒng)1）系統(tǒng)的組成,包括控制回路：速度環(huán)、電流環(huán)、觸發(fā)脈沖發(fā)生器等。主回路：可控硅整流放大器等。速度環(huán)：速度調(diào)節(jié)（PI），作用：好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性。電流環(huán)：電流調(diào)節(jié)(P或PI)。作用：加快響應(yīng)、啟動(dòng)、低頻穩(wěn)定等。觸發(fā)脈沖發(fā)生器：產(chǎn)生移相脈沖，使可控硅觸發(fā)角前移或后移?？煽毓枵鞣糯笃鳎赫鳌⒎糯?、驅(qū)動(dòng)，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。,2）主回路工作原理,組成：由大功率晶閘管構(gòu)成的三相全控橋式（三相全波）反并接可逆電路，分成二大部分（和），每部分內(nèi)按三相橋式連接，二組反并接，分別實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。,原理：三相整流器，由二個(gè)半波整流電路組成。每部分內(nèi)又分成共陰極組（1、3、5）和共陽極組（2、4、6）。為構(gòu)成回路，這二組中必須各有一個(gè)可控硅同時(shí)導(dǎo)通。1、3、5在正半周導(dǎo)通，2、4、6在負(fù)半周導(dǎo)通。每組內(nèi)（即二相間）觸發(fā)脈沖相位相差120，每相內(nèi)二個(gè)觸發(fā)脈沖相差180。按管號(hào)排列，觸發(fā)脈沖的順序：1-2-3-4-5-6，相鄰之間相位差60。為保證合閘后兩個(gè)串聯(lián)可控硅能同時(shí)導(dǎo)通，或已截止的相再次導(dǎo)通，采用雙脈沖控制。既每個(gè)觸發(fā)脈沖在導(dǎo)通60后，在補(bǔ)發(fā)一個(gè)輔助脈沖；也可以采用寬脈沖控制，寬度大于60，小于120。,原理：,2020/5/16,e),只要改變可控硅觸發(fā)角（即改變導(dǎo)通角），就能改變可控硅的整流輸出電壓，從而改變直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。觸發(fā)脈沖提前來，增大整流輸出電壓；觸發(fā)脈沖延后來，減小整流輸出電壓。,主回路波形圖,3）控制回路分析,窄脈沖：即移相觸發(fā)脈沖,（可控硅導(dǎo)通時(shí)間），可調(diào)速。沒反饋是開環(huán)，特性軟。,1-同步電路2-移向控制電路3-脈沖分配器,電流調(diào)節(jié)器:同上，加快電流的反應(yīng)。觸發(fā)脈沖發(fā)生器：正弦波同步鋸齒波觸發(fā)電路，與F直流信號(hào)疊加。,速度調(diào)節(jié)器：比例積分PI，高放大（相當(dāng)C短路）緩放大增放大穩(wěn)定（相當(dāng)C開路）無靜差。,運(yùn)算放大器的類型,反向比例放大器反向比例加法運(yùn)算放大器同向比例放大器積分運(yùn)算放大器比例積分運(yùn)算放大器：比較器,R3,R3,二個(gè)輸入端的內(nèi)阻非常大，不向運(yùn)放內(nèi)流電流，放大倍數(shù)非常大。同相端接地，電位為0，為實(shí)地；方反向端電為也為0，虛地。U2=-U1R3/R2,功率因數(shù)（以單向?yàn)槔?交流電阻電路：功率(平均)P=UI=I2R=U2/R交流電阻電容電路：純電容電路電流超前電壓相位=90功率(平均)P=UIcos交流電阻電感電路：純電感電路電流落后電壓相位=90功率(平均)P=UIcos由于交流電路中電感電容的存在，平均功率不等于電壓電流的乘積，而差一個(gè)cos，既與電壓電流的相位差有關(guān)。其中cos稱為功率因數(shù)。cos越高越好。造成功率因數(shù)不高的主要原因是感性負(fù)載，如異步電機(jī)、工頻爐、日光燈的功率因數(shù)都不高；提高功率因數(shù)的辦法是在感性負(fù)載上并聯(lián)電容。,2020/5/16,總結(jié)速度控制的原理：調(diào)速：當(dāng)給定的指令信號(hào)增大時(shí)，則有較大的偏差信號(hào)加到調(diào)節(jié)器的輸入端，產(chǎn)生前移的觸發(fā)脈沖，可控硅整流器輸出直流電壓提高，電機(jī)轉(zhuǎn)速上升。此時(shí)測速反饋信號(hào)也增大，與大的速度給定相匹配達(dá)到新的平衡，電機(jī)以較高的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。干擾：假如系統(tǒng)受到外界干擾，如負(fù)載增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，速度反饋電壓降低，則速度調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號(hào)增大，其輸出信號(hào)也增大，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器使觸發(fā)脈沖前移，晶閘管整流器輸出電壓升高，使電機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)到干擾前的數(shù)值。電網(wǎng)波動(dòng)：電流調(diào)節(jié)器通過電流反饋信號(hào)還起快速的維持和調(diào)節(jié)電流作用，如電網(wǎng)電壓突然短時(shí)下降，整流輸出電壓也隨之降低，在電機(jī)轉(zhuǎn)速由于慣性還未變化之前，首先引起主回路電流的減小，立即使電流調(diào)節(jié)器的輸出增加，觸發(fā)脈沖前移，使整流器輸出電壓恢復(fù)到原來值，從而抑制了主回路電流的變化。啟動(dòng)、制動(dòng)、加減速：電流調(diào)節(jié)器還能保證電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)的大轉(zhuǎn)矩、加減速的良好動(dòng)態(tài)性能。,2020/5/16,（2）晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)1）系統(tǒng)的組成及特點(diǎn),2020/5/16,U,usr,usf,整流,功放,主回路：大功率晶體管開關(guān)放大器；功率整流器。,控制回路：速度調(diào)節(jié)器；電流調(diào)節(jié)器；固定頻率振蕩器及三角波發(fā)生器；脈寬調(diào)制器和基極驅(qū)動(dòng)電路。區(qū)別：與晶閘管調(diào)速系統(tǒng)比較，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器原理一樣。不同的是脈寬調(diào)制器和功率放大器。直流脈寬調(diào)制：功率放大器中的大功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)下，開關(guān)頻率保持恒定，用調(diào)整開關(guān)周期內(nèi)晶體管導(dǎo)通時(shí)間（即改變基極調(diào)制脈沖寬度）的方法來改變輸出。從而使電機(jī)獲得脈寬受調(diào)制脈沖控制的電壓脈沖，由于頻率高及電感的作用則為波動(dòng)很小的直流電壓（平均電壓）。脈寬的變化使電機(jī)電樞的直流電壓隨著變化。,2020/5/16,直流脈寬調(diào)調(diào)制的基本原理,2020/5/16,周期不變,周期不變,脈寬,脈寬,脈寬,脈寬,平均直流電壓,脈沖寬度正比代表速度F值的直流電壓,U,t,2）脈寬調(diào)制器,2020/5/16,t,同向加法放大器電路圖USr速度指令轉(zhuǎn)化過來的直流電壓U-三角波USC-脈寬調(diào)制器的輸出（USr+U）調(diào)制波形圖,USr為0時(shí),調(diào)制出正負(fù)脈寬一樣方波平均電壓為0,USr為正時(shí),USr為負(fù)時(shí),調(diào)制出脈寬較寬的波形平均電壓為正,調(diào)制出脈寬較窄的波形平均電壓為負(fù),3）開關(guān)功率放大器,主回路：可逆H型雙極式PWM開關(guān)功率放大器,電路圖:由四個(gè)大功率晶體管（GTR）T1、T2、T3、T4及四個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路。,H型：又分為雙極式、單極式和受限單極式三種。Ub1、Ub2、Ub3Ub4為調(diào)制器輸出，經(jīng)脈沖分配、基極驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換過來的脈沖電壓。分別加到T1、T2、T3、T4的基極。,t,2020/5/16,工作原理：T1和T4同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，其基極驅(qū)動(dòng)電壓Ub1=Ub4。T2和T3同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，基極驅(qū)動(dòng)電壓Ub2=Ub3=Ub1。以正脈沖較寬為例，既正轉(zhuǎn)時(shí)。負(fù)載較重時(shí)：電動(dòng)狀態(tài)：當(dāng)0tt1時(shí)，Ub1、Ub4為正，T1和T4導(dǎo)通；Ub2、Ub3為負(fù)，T2和T3截止。電機(jī)端電壓UAB=US，電樞電流id=id1，由UST1T4地。續(xù)流維持電動(dòng)狀態(tài)：在t1tT時(shí)，Ub1、Ub4為負(fù)，T1和T4截止；Ub2、Ub3變正，但T2和T3并不能立即導(dǎo)通，因?yàn)樵陔姌须姼袃?chǔ)能的作用下，電樞電流id=id2，由D2D3續(xù)流，在D2、D3上的壓降使T2、T3的c-e極承受反壓不能導(dǎo)通。UAB=-US。接著再變到電動(dòng)狀態(tài)、續(xù)流維持電動(dòng)狀態(tài)反復(fù)進(jìn)行，如上面左圖。負(fù)載較輕時(shí)：反接制動(dòng)狀態(tài)，電流反向：狀態(tài)中，在負(fù)載較輕時(shí)，則id小，續(xù)流電流很快衰減到零，即t=t2時(shí)（見上面右圖），id=0。在t2T區(qū)段，T2、T3在US和反電動(dòng)勢E的共同作用下導(dǎo)通，電樞電流反向，id=id3由UST3T2地。電機(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài)。電樞電感儲(chǔ)能維持電流反向：在Tt3區(qū)段時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖極性改變，T2、T3截止，因電樞電感維持電流，id=id4，由D4D1。,2020/5/16,電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止：由正、負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓脈沖寬窄而定。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，既t1T/2，平均電壓為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)正脈沖較窄時(shí)，既t1T/2，平均電壓為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；如果正、負(fù)脈沖寬度相等，t1=T/2，平均電壓為零，電機(jī)停轉(zhuǎn)。電機(jī)速度的改變：電樞上的平均電壓UAB越大，轉(zhuǎn)速越高。它是由驅(qū)動(dòng)電壓脈沖寬度決定的。雙極性：由以上分析表明：可逆H型雙極式PWM開關(guān)功率放大器，無論負(fù)載是重還是輕、電機(jī)是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，加在電樞上的電壓極性在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，都在US和US之間變換一次，故稱為雙極性。,（4）PWM調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn),頻帶寬、頻率高:晶體管“結(jié)電容”小，開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于可控（50Hz)，可達(dá)2-10KHz?？焖傩院谩ｋ娏髅}動(dòng)小:由于PWM調(diào)制頻率高，電機(jī)負(fù)載成感性對(duì)電流脈動(dòng)由平滑作用，波形系數(shù)接近于1。電源的功率因數(shù)高:SCR系統(tǒng)由于導(dǎo)通角的影響，使交流電源的波形畸變、高次諧波的干擾，降低了電源功率因數(shù)。PWM系統(tǒng)的直流電源為不受控的整流輸出，功率因數(shù)高。動(dòng)態(tài)硬度好:校正瞬態(tài)負(fù)載擾動(dòng)能力強(qiáng)，頻帶寬，動(dòng)態(tài)硬度高。,7.3.2直流主軸驅(qū)動(dòng)的速度控制,1.對(duì)直流主軸伺服系統(tǒng)的要求N、Mn特性，低速恒轉(zhuǎn)矩，高速恒功率。良好的加、減速及換向功能。過載能力，150%（額定電流的1.5倍）。大的調(diào)速范圍。準(zhǔn)停、同步、恒線速度控制功能。2.直流主軸速度控制單元：沒有位置控制，只是速度控制系統(tǒng)。,組成：調(diào)壓部分恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，在額定轉(zhuǎn)速以下調(diào)速。調(diào)磁部分恒功率調(diào)速，在額定轉(zhuǎn)速以上調(diào)速。調(diào)壓：一般采用晶閘管調(diào)速系統(tǒng)，同直流進(jìn)給系統(tǒng)一樣。包括速度環(huán)、電流環(huán)、可控硅整流主回路等。調(diào)磁：主軸電機(jī)為它激式直流電機(jī)，激磁繞組與電樞繞組無直接關(guān)系，需由另一直流電源供電。激磁回路由激磁電流設(shè)定電路，電樞電壓反饋電路、及激磁反饋電路三者的比較輸出信號(hào)，經(jīng)電流調(diào)節(jié)、觸發(fā)脈沖發(fā)生器等，控制激磁電流的大小，完成恒功率調(diào)速。調(diào)磁部分的電壓反饋的作用：它激直流主軸電機(jī)，調(diào)壓、調(diào)磁是分開獨(dú)立工作的。在額定轉(zhuǎn)速以下用改變電調(diào)電樞端電壓調(diào)速，此時(shí)調(diào)磁不工作只是維持額定的磁場，用電壓反饋?zhàn)餍盘?hào)，限制激磁電流反饋。當(dāng)電樞端電壓達(dá)到額定值時(shí)，可以調(diào)磁，使電機(jī)轉(zhuǎn)速在高速段調(diào)整。,7.3.3交流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制,1.交流伺服電機(jī)的調(diào)速方法由電機(jī)學(xué)知，交流電機(jī)轉(zhuǎn)速公式：式中：f定子電源頻率p磁激對(duì)數(shù)S轉(zhuǎn)差率ns定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,由此可知調(diào)速方法：,（6.11）,（6.12）,2020/5/16,對(duì)于進(jìn)給系統(tǒng)常使用交流同步電機(jī)，該電機(jī)沒有轉(zhuǎn)差率，電機(jī)轉(zhuǎn)速公式變?yōu)椋?從式中可以看出：只能用變頻調(diào)速，并且是有效方法。變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)是為交流電機(jī)提供變頻、變壓電源的變頻器，變頻器分為：交直交變頻器分電壓型和電流型。電壓型先將電網(wǎng)的交流電經(jīng)整流器變?yōu)橹绷?，再?jīng)逆變器變?yōu)轭l率和電壓都可變的交流電壓。電流型是切換一串方波，方波電流供電，用于大功率。交交變頻器該變頻器沒有中間環(huán)節(jié)，直接將電網(wǎng)的交流電變?yōu)轭l率和電壓都可變的交流電。目前對(duì)于中小功率電機(jī)，用得最多的是電壓型交直交變頻器。2.正弦脈寬調(diào)制（SPWM）變壓變頻器基本概念1964年德國人率先提出脈寬調(diào)制變頻思想，把通訊系統(tǒng)中的,（6.13）,2020/5/16,調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于交流變頻器。調(diào)制方法很多，目前用得最多的是正弦脈寬調(diào)制。還有空間電壓矢量PWM、最優(yōu)PWM、預(yù)測PWM、隨機(jī)PWM、規(guī)則采樣數(shù)字化PWM等等。SPWM交直交變壓變頻器的原理框圖如下：,UR整流器固定電壓不可控整流器，常采用六個(gè)二級(jí)管橋式整流器結(jié)構(gòu)將交流變?yōu)橹绷鳎妷悍挡蛔?。為逆變器的供電。UI逆變器由六個(gè)功率開關(guān)器件組成，常采用大功率晶體管。其控制極（大功率晶體管GTR為基極）輸入由基準(zhǔn)正弦波（由速度指令轉(zhuǎn)化過來的）和三角波疊加出來的SPWM調(diào)制波（等幅、不等寬的矩形脈沖波），使這些大功率晶體管按一定規(guī)律導(dǎo)通、截止，輸出一系列功率級(jí)等效于正弦交流電的可變頻變壓的等幅、不等寬的矩形脈沖電壓波，即功率級(jí)SPWM電壓，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。功率開關(guān)器件還可采用：可關(guān)斷晶閘管GTO、功率場效應(yīng)晶體管MOSFET、絕緣門極晶體管IGBT等。,20