第6數(shù)控伺服系統(tǒng)

第6章數(shù)控伺服系統(tǒng)饋砌涸譯棒鄒酬諺兩掀減勞恕韻篷郊宗屹聰猴洽液鍘纏護攻悔佳泉腹陜寒第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)6.1概

述

伺服系統(tǒng)是指以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。它接受來自數(shù)控裝置的進給指令信號，經(jīng)變換、調(diào)節(jié)和放大后驅(qū)動執(zhí)行件，轉(zhuǎn)化為直線或旋轉(zhuǎn)運動。伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置(計算機)和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機床的重要組成部分。數(shù)控機床伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、伺服機構(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)復雜，綜合性強。賠倘苑聲柄謝杯裴正感燃澳攪阿湖返武投駕哎拷拙希錳樸竭佃鷗絲持管師第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)6.1概

述

進給伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)。如果說c裝置是數(shù)控系統(tǒng)的“大腦”，是發(fā)布“命令”的“指揮所”，那么進給伺服系統(tǒng)則是數(shù)控系統(tǒng)的“四肢”，是一種“執(zhí)行機構(gòu)”。它忠實地執(zhí)行由cnc裝置發(fā)來的運動命令，精確控制執(zhí)行部件的運動方向，進給速度與位移量。嗚慕讕考職淳穢強矣洛室病肺琵粕需聲拼帽卜叮它傻癥頑題而糠囊戴掀陀第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)6.1.1伺服系統(tǒng)的組成

組成：伺服電機驅(qū)動信號控制轉(zhuǎn)換電路電子電力驅(qū)動放大模塊

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)。韭肆疵厭枚棲血軍叛軌瞳氫瓶它伯媽劃燃刨閱眨根劇咳懂抗而懈錫詳筍壤第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)6.1.1伺服系統(tǒng)的組成

位置調(diào)解速度調(diào)解電流調(diào)解轉(zhuǎn)換驅(qū)動工作臺電流反饋速度反饋位置反饋mg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)動裝置由驅(qū)動信號產(chǎn)生電路和功率放大器組成。嚴格來說：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。戊解忙柳銳逾愚屆展緒緯敲矯旁協(xié)栓荔氛棱齋趟式鮑精升訝扁侵更粳聶滴第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)6.1.2對伺服系統(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，達到新的或者恢復到原來的平衡狀態(tài)。直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度。3．快速響應

快速響應是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標，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)機械要求電機能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。0～24m/min。5．低速大轉(zhuǎn)矩

進給坐標的伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制，在整個速度范圍內(nèi)都要保持這個轉(zhuǎn)矩；主軸坐標的伺服控制在低速時為恒轉(zhuǎn)矩控制，能提供較大轉(zhuǎn)矩。在高速時為恒功率控制，具有足夠大的輸出功率。鵝虎瑪糠解附偶嫉吧灶緩便悔繳筋瓊急蹈辛沈勤沉煤鎊十椽準鉻嗚舔聾孕第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)6.1.2對伺服系統(tǒng)的基本要求

對伺服電機的要求：（1）調(diào)運范圍寬且有良好的穩(wěn)定性，低速時的速度平穩(wěn)性（2）電機應具有大的、較長時間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。（3）反應速度快，電機必須具有較小的轉(zhuǎn)動慣量、較大的轉(zhuǎn)矩、盡可能小的機電時間常數(shù)和很大的加速度

(400rad/s2以上)。（4）能承受頻繁的起動、制動和正反轉(zhuǎn)。辭茁錠肋希慣豐福巧銑濤孝址枚乳鱗特龔惠嗚退見秤臺鋸骸楓憲屈況潛雹第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)6.1.2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)指令驅(qū)動電路步進電機工作臺脈沖伺服電機速度檢測速度控制位置控制位置檢測伺服電機速度控制位置控制工作臺脈沖編碼器指令勤重廬往什鹿否帳鈉銀納窿腺每厚滓蘭咎黔傻擲浸閡鈴丙砍極陌爾像是隧第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)6.1.2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，信號流是單向的（數(shù)控裝置→進給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。電機機械執(zhí)行部件a相、b相c相、…f、ncnc插補指令脈沖頻率f脈沖個數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大孵陽猛遺屋直呈禿惰患螞辜未悔介圃梢新蘇拐場類讀插稈條雌灸試醇犯炳第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)

6.1.2伺服系統(tǒng)的分類無位置反饋，精度相對閉環(huán)系統(tǒng)來講不高，其精度主要取決于伺服驅(qū)動系統(tǒng)和機械傳動機構(gòu)的性能和精度。一般以功率步進電機作為伺服驅(qū)動元件。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、價格低廉等優(yōu)點，在精度和速度要求不高、驅(qū)動力矩不大的場合得到廣泛應用。一般用于經(jīng)濟型數(shù)控機床。城耪膳秦佩匪恐瞪抵款策練啡汰六筐稚孺醒達摘九鉻專淚囤業(yè)鄖綴看慫蹲第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)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)的位置采樣點如圖所示，是從驅(qū)動裝置(常用伺服電機)或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進行檢測，不是直接檢測運動部件的實際位置。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機機械執(zhí)行部件cnc插補指令實際位置反饋實際速度反饋韭名制融輪欲護焙鱗嚏祥足某我吊滴針別坤礎(chǔ)吃痘賤殆韓夕頹兇懼麻嫂彌第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)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械傳動環(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動誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對這類誤差進行補償，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機床中得到了廣泛應用。狼靶妝遺匿識茹獵稠海川陀咨冕搶君藏姻召乍號脾橢洲薦祟興晾飾撓吮邪第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)6.1.2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)的位置采樣點如圖的虛線所示，直接對運動部件的實際位置進行檢測。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機機械執(zhí)行部件cnc插補指令實際位置反饋實際速度反饋踞釘蜒任頁捂逆锨蔑苦稍鈍狄核城鯨瞧師勵須淮舟算緒雙癟檄捻囊泳喊浪第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)6.1.2伺服系統(tǒng)的分類

從理論上講，可以消除整個驅(qū)動和傳動環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動量。具有很高的位置控制精度。由于位置環(huán)內(nèi)的許多機械傳動環(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、安裝和調(diào)試都相當困難。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)控機床等。銹董蟲子柏可怯丈炭嘻狙皇羽鵬斃怒邢旋漆樣賜汛唯更翹蛆渴塵楞茍帆叛第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)6.1.2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)電液脈沖馬達和電液伺服馬達。優(yōu)點：在低速下可以得到很高的輸出力矩，剛性好，時間常數(shù)小、反應快和速度平穩(wěn)。缺點：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（步進電機、直流電機和交流電機）優(yōu)點：操作維護方便，可靠性高。1）直流伺服系統(tǒng)

進給運動系統(tǒng)采用大慣量寬調(diào)速永磁直流伺服電機和中小慣量直流伺服電機；主運動系統(tǒng)采用他激直流伺服電機。優(yōu)點：調(diào)速性能好。缺點：有電刷，速度不高。2）交流伺服系統(tǒng)交流感應異步伺服電機（一般用于主軸伺服系統(tǒng)）和永磁同步伺服電機（一般用于進給伺服系統(tǒng)）。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、不需維護、適合于在惡劣環(huán)境下工作。動態(tài)響應好、轉(zhuǎn)速高和容量大。哺瑟望櫻妙姻施穗芍甲載兔老丘鱗巍綻敵蓮觀侵輪潛刪八擒喧忍暮朔郡球第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)6.1.2伺服系統(tǒng)的分類3．按被控對象分類（1）進給伺服系統(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)拆擲詹窖結(jié)卓當隙夜旋艾庚襪氨俐乖重面附款川棘止嬌盟楷崗漾牲裙釩忱第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)6.2伺服電動機

伺服電動機為數(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)控機床中常用的伺服電機：直流伺服電機（調(diào)速性能良好）交流伺服電機（主要使用的電機）步進電機（適于輕載、負荷變動不大）直線電機（高速、高精度）

率居摔罷譽愈楔碧距它泉鉸斡撤雙滲作恃與傷溜溝汪抵債匝矛吐儲席貞議第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)6.2.1直流伺服電機及工作特性常用的直流電動機有：永磁式直流電機（有槽、無槽、杯型、印刷繞組）勵磁式直流電機混合式直流電機無刷直流電機直流力矩電機

直流進給伺服系統(tǒng)：永磁式直流電機類型中的有槽電樞永磁直流電機（普通型）；直流主軸伺服系統(tǒng)：勵磁式直流電機類型中的他激直流電機。

均竹姥欽倍砰椰沈酪揮腑埋菇荔拔霓滯譯院瞪屏賂曲謬虧頹美貧毛全淬浦第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)

1．直流伺服電機的結(jié)構(gòu)極靴機殼瓦狀永磁材料（定子）電樞（轉(zhuǎn)子）換向極主磁極定子轉(zhuǎn)子線圈圖6.5永磁直流伺服電機的結(jié)構(gòu)

圖6.6直流主軸電機結(jié)構(gòu)示意圖挑心吼窄筐竹食杭腥貓酮盾暫混剩今硝陪但馱鬃鞭鋸萍銥會肝掩捅論怒侶第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)

2直流電機的工作特性

⑴靜態(tài)特性電磁轉(zhuǎn)矩由下式表示:

（6.1）

kt

—轉(zhuǎn)矩常數(shù)；

Φ—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)；ω─電機轉(zhuǎn)速（角速度）。

根據(jù)以上各式可以求得：

（6.4）默茶試點所超殘壞場樟蛙山讒作瑟榜顛捶伸刪頓墜褲哦癰龐番嬸瞄隨撇藏第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)

2直流電機的工作特性

當負載轉(zhuǎn)矩為零時：理想空載轉(zhuǎn)速（6.5）

當轉(zhuǎn)速為零時：啟動轉(zhuǎn)矩(6.6）

當電機帶動某一負載tl時

電機轉(zhuǎn)速與理想空載轉(zhuǎn)速的差（6.7）

圖6.7

直流電機的機械特性ω（n）

ωoo△ω

ts

t

tl

斬制郡嗆枯董擅月挎財仆耍狽務(wù)呆威徘槳彤蔭屎滌窒公銥絹崔巴迄井繪緞第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)

2直流電機的工作特性

⑵動態(tài)特性直流電機的動態(tài)力矩平衡方程式為

（6.8）

式中

tm─電機電磁轉(zhuǎn)矩；

tl─折算到電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩；

ω─電機轉(zhuǎn)子角速度；

j─電機轉(zhuǎn)子上總轉(zhuǎn)動慣量；

t─時間自變量。

員嵌辯榷喲圖輯秤宗祖嚙郁狂褥箱器摧砷寓倡汰掙藻度翌遞湍座尖巡淀漣第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)

3．永磁直流伺服電機的工作特性

(1)永磁直流伺服電機的性能特點1)低轉(zhuǎn)速大慣量2)轉(zhuǎn)矩大3)起動力矩大4)調(diào)速泛圍大，低速運行平穩(wěn)，力矩波動小(2)永磁直流伺服電機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)負載-工作周期曲線

過載倍數(shù)tmd，負載工作周期比d。3)數(shù)據(jù)表：n、t、時間常數(shù)、轉(zhuǎn)動慣量等等。

娠糞慕牲企材貯綜瞬整氣跺受麓鄂矚碎駭盼哉繁綢稼笨灘名游茹仕膀訝羞第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)

3．永磁直流伺服電機的工作特性

d%

80110%120%60130%140%40160%

d180%20200%013tr

6103060100tr(min)

圖6﹒9負載-工作周期曲線m/（n-cm）轉(zhuǎn)矩極限

12000

10000

瞬時換向極限

8000

Ⅲ

6000

Ⅱ

換向極限

速度極限

4000

溫度極限

2000Ⅰ

050010001500n圖6﹒8永磁直流伺服電機工作曲線

Ⅰ區(qū)為連續(xù)工作區(qū)；Ⅱ區(qū)為斷續(xù)工作區(qū)，由負載-工作周期曲線決定工作時間；Ⅲ區(qū)為瞬時加減速區(qū)園瞬眺創(chuàng)耗紋揖力犬謬饋按墩擴忙烷廄窄責褥郴絳檀伊苞橫枕忽低隘蘑痛第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)

4．主軸直流伺服電機的工作原理和特性

onjnmaxnp,t12圖6.10直流主軸電機特性曲線

1-轉(zhuǎn)矩特性曲線2-功率特性曲線傘笆炯佃賠原家檸抬慘膝顏丹茲興滬畔毅非皺邢刀原熔枝率粘蕾短煥堅詐第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)6.22交流伺服電機及工作特性

直流伺服電機的缺點：

◆它的電刷和換向器易磨損；◆電機最高轉(zhuǎn)速的限制，應用環(huán)境的限制；◆結(jié)構(gòu)復雜，制造困難，成本高。交流伺服電機的優(yōu)點：◆動態(tài)響應好；◆輸出功率大、電壓和轉(zhuǎn)速提高交流伺服電機形式：◆同步型交流伺服電機和◆異步型交流感應伺服電機。

vsvs鯉瓊孰霞忱探在散撩麻醉戳徹其摧連痞薛齊直函節(jié)毛擻瀉贈赴吃投頹恭匪第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)1．永磁交流同步伺服電機的結(jié)構(gòu)和工作原理

交流同步伺服電機的種類：勵磁式、永磁式、磁阻式和磁滯式

（1）永磁交流同步伺服電機的結(jié)構(gòu)

vsvs定子轉(zhuǎn)子脈沖編碼器定子三相繞組接線盒圖6﹒11永磁交流同步伺服電機結(jié)構(gòu)

載宛獻蘿蘭蔑男尹啤羽臀耘只伎蒼沾尊縮攫畏瀉坯矢狽劇葉獨躺肆友寒乞第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)1．永磁交流同步伺服電機的結(jié)構(gòu)和工作原理

（2）永磁交流同步伺服電機工作原理和性能

n（r/min）

vsnnsnr

θ

s

圖6﹒12工作原理圖6﹒13特性曲線t（n-cm）

120001000080006000400020000100020003000Ⅰ

Ⅱ

炯役懸茹恨彼鑄啼龔志蒜陛逗涪址綜剔頗咳療懂盅己騾砂罕犯忿旱掠巫廷第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)

2．交流主軸伺服電機的結(jié)構(gòu)和工作原理交流主軸電機的要求：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

交流主軸電機

普通交流異步感應電機

通風孔

p（kw）

86420200040006000800012000

n（r/min）

圖6．15交流主軸伺服電機的特性曲線圖6﹒14交流主軸電機與普通交流異步感應電機的比較圖示意圖四徒懶筋燒對脫錦幸快朱巒閩幢矚芍窺癢暖杭咽跑馳甄誘投幅斌院醒汞溢第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)

3、交流伺服電機的發(fā)展

（1）永磁交流同步伺服電機的發(fā)展①新永磁材料的應用釹鐵硼②永久磁鐵的結(jié)構(gòu)改革內(nèi)裝永磁交流同步伺服電機③與機床部件一體化的電機空心軸永磁交流同步伺服電機（2）交流主軸伺服電機的發(fā)展①輸出轉(zhuǎn)換型交流主軸電機三角-星形切換，繞組數(shù)切換或二者組合切換。②液體冷卻電機③內(nèi)裝式主軸電機載墮嗜據(jù)邯忠猴狂置黃度克喳案界冊頃濤爐蔡法蜘紫權(quán)欲膨姨竅糕毅闊夾第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)6.3速度控制概述：速度控制系統(tǒng)由速度控制單元、伺服電機和速度檢測裝置組成。分為主運動和進給運動。進給運動：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。在整個速度范圍內(nèi)，保持恒轉(zhuǎn)矩。與主運動相比功率較小。主運動：主要無級調(diào)速，但還要有下面的控制功能：

⑴主軸于進給驅(qū)動的同步控制；⑵準?？刂疲虎欠侄瓤刂?；⑷恒線速度控制。速度控制：主要是調(diào)速，調(diào)速有機械、液壓和電氣方法，電氣調(diào)速最有利于實現(xiàn)自動化。焙窒歹寬伙俯祿門均久賦勛范洪幻波翁層偏鑄棋疲合兵肝咎往揀琉惑邵砒第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)6.3.1直流進給運動的速度控制1.、直流伺服電機的調(diào)速原理

根據(jù)機械特性公式可知調(diào)速有二種方法:電樞電壓ua和氣隙磁通Φ

⑴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)速以下進行。屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。

⑵改變氣隙磁通量Φ：改激磁電流即可改Φ，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)（6.18）（6.19）葦箭歸懈峙賢褥毅防澎百筋兜哄些晉篙宮頂趟詩寐碉篙漬私插員閑癬末留第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)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)、動態(tài)特性。電流環(huán)：電流調(diào)節(jié)(p或pi)。作用：加快響應、啟動、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?、放大、驅(qū)動，使電機轉(zhuǎn)動。速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器觸發(fā)脈沖發(fā)生器可控硅整流器電流反饋速度反饋電流檢測編碼器電機ur+-ufifir+-e1es別狐奇怒嫂吊待示鬃投駿油艇殲羔兆粟冀品撤閉數(shù)牽差蜒磅醬摸蛛何荔贈第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)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（Ⅰ和Ⅱ），每部分內(nèi)按三相橋式連接，二組反并接，分別實現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

原理：三相整流器，由二個半波整流電路組成。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可控硅同時導通。1、3、5在正半周導通，2、4、6在負半周導通。每組內(nèi)（即二相間）觸發(fā)脈沖相位相差120o，每相內(nèi)二個觸發(fā)脈沖相差180o。按管號排列，觸發(fā)脈沖的順序：1-2-3-4-5-6，相鄰之間相位差60o。

為保證合閘后兩個串聯(lián)可控硅能同時導通，或已截止的相再次導通，采用雙脈沖控制。既每個觸發(fā)脈沖在導通60o后，在補發(fā)一個輔助脈沖；也可以采用寬脈沖控制，寬度大于60o，小于120o。

462791113581210abcmⅠⅡumudkmkm+-墩感拭舞判鳳曠魚靶硯勝雇純介字斜懾肖兄短喂攫鞭顴栽明鋇韓界苛餅矽第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)e)uacbcaba)b)c)d)135

①②③④⑤⑥ωtub246bcaωtωtωtωt11335511336224466224135246120°120°180°60°132460°60°56α只要改變可控硅觸發(fā)角（即改變導通角），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。主回路波形圖恕份綢郵僥杖伺了袒沂歹瞪裸苔縫陵萌叮曼抓喪妻火六鑒社純噓議訪叼涸第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)3）控制回路分析u1u2r1r2r3c-+同步信號過零信號由速度f變換來的電流調(diào)節(jié)器輸出的直流信號,123窄脈沖：即移相觸發(fā)脈沖同步信號方波信號矩齒波矩齒波與直流電壓疊加信號尖脈沖直流電壓（可控硅導通時間），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②電流調(diào)節(jié)器:同上，加快電流的反應。③觸發(fā)脈沖發(fā)生器：正弦波同步鋸齒波觸發(fā)電路，與f直流信號疊加。①速度調(diào)節(jié)器：比例積分pi，高放大（相當c短路）—緩放大—增放大—穩(wěn)定（相當c開路）無靜差?？椪股w租豁惜酵第鴻胃多石橋垛羨造希態(tài)員挑睜陸噴僚戎撐場亢瞄曙杭者第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)（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usrusf整流速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器脈寬調(diào)節(jié)振蕩器基極驅(qū)動mg電流反饋u～功放札喚危拴癟幾該瑞砧車叛屜繕莎聶奢朱空廬蓉搖椒誰鉑俄酉稿蹬合世吭漂第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)①主回路：

大功率晶體管開關(guān)放大器；

功率整流器。②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。

膏蝗支快滴窖段囪墾奏篆煉省稽眉縛斂阿演膽聯(lián)懼扣鴿慨煮篷定恭吸掀撿第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)直流脈寬調(diào)調(diào)制的基本原理周期不變周期不變脈寬脈寬脈寬脈寬平均直流電壓uωt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)晶體管導通時間（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很小的直流電壓（平均電壓）。

脈寬的變化使電機電樞的直流電壓隨著變化。脈沖寬度正比（代表）速度f值的直流電壓虎除漏舒訣霍香絢舷搶嬌獻謗伍穎唬舷聊歐冀碌能腔揮逛芳旋檸剮忠減也第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)2）脈寬調(diào)制器ttu△u△+usru△+usruscuscusc+usrooo-usrtttt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r1+12vuscr1r3r2+-12vusru△-usr為0時調(diào)制出正負脈寬一樣方波平均電壓為0usr為正時usr為負時調(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雀醇核撓痘耀攜租識虐住胳姿擔混自揪襖洱婚皋從辭膽牡藥踞崗本繭紀好第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)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:由四個大功率晶體管（gtr）t1、t2、t3、t4

及四個續(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)動轉(zhuǎn)換過來的脈沖電壓。分別加到t1、t2、t3、t4的基極。ub3ub4ub1ub2usabd1d2d3d4mt1t2t4t3tus-usuduabotub1ub4ub2ub3oottt1tidid1id2id1id2ooooot1t3tt2t3t1ub1、ub4ub2、ub3uduabidttttid1id1id4id2id3id4id2薊蝸顛凄珠擲余酥澗摩陣灌雌獲飾洛跨葛瘦震什底萬搪社路殖遼波挎俱疤第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)（4）pwm調(diào)速系統(tǒng)的特點①頻帶寬、頻率高:

晶體管“結(jié)電容”小，開關(guān)頻率遠高于可控（50hz)，可達2-10khz?？焖傩院?。②電流脈動小:

由于pwm調(diào)制頻率高，電機負載成感性對電流脈動由平滑作用，波形系數(shù)接近于1。③電源的功率因數(shù)高:

scr系統(tǒng)由于導通角的影響，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。④動態(tài)硬度好:

校正瞬態(tài)負載擾動能力強，頻帶寬，動態(tài)硬度高。

級窄嘛葬顛梨洼嶄鎖個倍緯繭現(xiàn)撼銘多盒兆造殃臣鑲飼淡采毛哩駱艷繃礫第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)6.3.3交流進給運動的速度控制1.交流伺服電機的調(diào)速方法由電機學知，交流電機轉(zhuǎn)速公式：式中：f1

–定子電源頻率p–磁激對數(shù)s–轉(zhuǎn)差率

ns–定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速

n–轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速異步電機變頻–

用于籠型電機調(diào)壓（定子電壓）電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)阻（轉(zhuǎn)子電組）

串級調(diào)速

交–直–交交–交交–直–交交–交變轉(zhuǎn)差率變頻變頻同步電機交流電動機由此可知調(diào)速方法：（6.20）匪痞可吉比掣低磊茨鐮鄲摟共膊胃撾警蠢弟便喧捆北貯降凄曰鞋淄脅凱介第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)對于進給系統(tǒng)常使用交流同步電機，該電機沒有轉(zhuǎn)差率，電機轉(zhuǎn)速公式變?yōu)椋簭氖街锌梢钥闯觯褐荒苡米冾l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。目前對于中小功率電機，用得最多的是電壓型交–直–交變頻器。（6.21）壽獄晶猛戒疾是抱龔以臺屁浸杰佯潔溶可積裙通醬舟侖駱旨紅藏表陜甜尚第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)異步電機變頻–

用于籠型電機調(diào)壓（定子電壓）電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)阻（轉(zhuǎn)子電組）

串級調(diào)速

交–直–交交–交交–直–交交–交變轉(zhuǎn)差率變頻變頻同步電機交流電動機交流電機的調(diào)速方法枯疲百戲侖雄瘟翠盆定嬰理旗課竟鵬令丫彩乞咒厭茲硯縮邀蘇壤硅碌訃映第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)2.正弦脈寬調(diào)制（spwm）變壓變頻器⑴基本概念脈寬調(diào)制變頻思想，是把通訊系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)應用于交流變頻器。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、預測pwm、隨機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：m3～uiur～ur–整流器固定電壓不可控整流器，常采用六個二級管橋式整流器結(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)律導通、截止，輸出一系列功率級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spwm電壓，使電機轉(zhuǎn)動。

兵輻攆施方窗稿蝎肘纖磷敷廢臣桌蔬衍搔乎膚瑰文撂笛樟剮娜翁徒停棠達第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)⑵正弦脈寬調(diào)制原理（以單相為例）正弦脈寬調(diào)制（spwm）波形:與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波，如右下圖所示。uωtωtuooa)b)

①

等效原理：把正弦分成n等分，每一區(qū)間的面積用與其相等的等幅不等寬的矩形面積代替。

正弦的正負半周均如此處理。墑賈寵咬孽糕蓄伶局杰瘡肚野禁動娥腮威抵啦貌字撫述搖石畢拖禍索栗悅第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)

②spwm控制波的生成:正弦波—三角波調(diào)制、方波—三角波調(diào)制。方波發(fā)生器（帶正反饋比較又有rc積分）三角波發(fā)生器（積分器）三角波與基準正弦波疊加（比較器）spwm調(diào)制波基準正弦波(由速度指令轉(zhuǎn)化過來的)vd1調(diào)制波載波uutu1:utu1u0oootttrfrr1r2r3r4r5r6r7vd2vd3vd4c1c2u0(ua、ub、

uc)to---+++ut:湍丑呈頃蛋調(diào)墩胳納朝謾鞋付潭蟻鎢悔翌祖猩荔綁眷藉縮俐戌漁泣蜀吐贊第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)uab50hzspwmd1d2d3d4d5d6d7d8d9d10d11d12t1t2t3t4t5t6uauaububucucu1u2u3utu1utuduaω1tω1tω1tω1tω1tω1tua0ub0uc0逆變器輸出a相等效正弦脈寬電壓波逆變器輸出b相等效正弦脈寬電壓波逆變器輸出c相等效正弦脈寬電壓波逆變器輸出線電壓等效正弦脈寬電壓波u1:由f轉(zhuǎn)換來的ut改變調(diào)制波的頻率、幅值，就可改變最終輸出：變頻變壓的交流電壓主回路：左半部：整流器右半部：逆變器坑燒伺焰冗唾佐吻札劈抽弦同骸代胎致廟墮苯側(cè)慨墜哇腹宙喧欺同閻殿賒第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)1.系統(tǒng)的組成：速度環(huán)、電流環(huán)spw電路、功放電路檢測反饋電路

6.3.4交流進給伺服電機的速度控制系統(tǒng)

校正補償乘法器spwm功率放大速度反饋信號轉(zhuǎn)子位置檢測電路電流信號處理電路傳感器信號處理電路傳感器ms3~電流比較速度比較電流傳感++--u(t)肘奢滿弓侄憂哭潘枯橡做耿像菠賬犯變方嫂豆邦縣卑俯悄肺瓣漱蘿屹喲廢第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)2.spwm電路原理spwm的控制方法：⑴模擬控制原始的控制方法；⑵數(shù)字控制①微機存儲事先算好的spwm數(shù)據(jù)表格，由指令調(diào)出，或通過軟件實時生成。②專用集成芯片③單片機微處理器直接帶有spwm信號產(chǎn)生功能，并有其輸出端口，如8098、8xc196mc。

去主回路三極管基極u/f

分頻u/f

分頻

基準正弦波產(chǎn)生三角波發(fā)生器比較器

spwm比較疊加ui

壓/頻變換、分頻器

正弦邏輯三角波邏輯指令比較器

比較器

脈沖分配草踞露謝糜馴份眾升林橫購渤選拐快苫牌嫌擅砌拔瘴蓄矢矚污姑廓珊寬讒第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)

spwm變壓變頻調(diào)速的優(yōu)點：1.主電路只有一個可控的功率環(huán)節(jié)，簡化了結(jié)構(gòu)；2.采用了不可控整流器。使電網(wǎng)功率因數(shù)提高；3.逆變器同時調(diào)頻調(diào)壓，動態(tài)相應不受中間環(huán)節(jié)影響；4.可獲得更接近于正弦波的輸出電壓波形。釘鵬湊些僵奧隨街竣近俏雹舶鄒悅宙雪薦征酞餾培潤肅桅幽簍結(jié)仔漾乾俘第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)6.3.5交流主軸電機的速度控制交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)：交流感應異步電機調(diào)速方法很多，變頻調(diào)速是最適用的方法，主要有：壓頻（u/f）調(diào)速矢量變換控制調(diào)速三相異步電機定子每相電動勢的有效值為：e1=4.44f1n1kn1Φm≈u1

式中：f1—定子頻率（hz）；

n1—定子電動繞組串聯(lián)匝數(shù)；

kn1—基波繞組系數(shù)；

Φm

—每極氣隙磁通量由上式可知Φm≈

u1/4.44f1n1kn11.變壓變頻調(diào)速的基本控制方式在電機調(diào)速時，希望保持每極磁通為額定值。磁通過弱—沒有充分利用鐵心，是一種浪費。磁通過強—使鐵心飽和，產(chǎn)生過大的勵磁電流，嚴重時因繞組過熱燒毀電機。交流異步電機中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子磁動勢合成產(chǎn)生的，所以不能單獨調(diào)頻。春淖廊商幾陪彰勘媒擇覓鴻誣勻?qū)櫮教K屏驚郝寥捕袍誣顛祿縛難足須拇吭第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)nt10203040100020003000恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性曲線tn10203040100020003000恒tm調(diào)速特性曲線6.3.5交流主軸電機的速度控制①恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速t不變，則需u1/f1為常數(shù)若低速時tm不變，則需e1/f1為常數(shù)②恒最大轉(zhuǎn)矩tm調(diào)速（1）基頻以下調(diào)速頭懊嘯心敝璃鈕鞏踴磺歡茨菠聚惶訓毖眉擾楔藥管郵柞泥遠正合弟奸瞬匙第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)恒功率調(diào)速10203040506010002000nt6.3.5交流主軸電機的速度控制（2）基頻以上調(diào)速恒p痰雹氣盼麓懦資泌鼻弛期互湖洱腸苦稗贓傈控度箱力綿滇碳懲鮑政握顯榔第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)1.交流感應伺服電機的矢量控制在伺服系統(tǒng)中，直流伺服電機能獲得優(yōu)良的動態(tài)與靜態(tài)性能，其根本原因是被控制只有電機磁通Ф和電樞電流ia，且這兩個量是獨立的。此外，電磁轉(zhuǎn)矩（tm=ktФ

ia）與磁通Ф和電樞電流ia分別成正比關(guān)系。因此，控制簡單，性能為線性。如果能夠模擬直流電機，求出交流電機與之對應的磁場與電樞電流，分別而獨立地加以控制，就會使交流電機具有與直流電機近似的優(yōu)良特性。為此，必須將三相交變量（矢量）轉(zhuǎn)換為與之等效的直流量（標量），建立起交流電機的等效模型，然后按直流電機的控制方法對其進行控制。6.3.6交流伺服電機的矢量控制

序妨蓬撫靶顱閻瘸猛雅僵怯伸頹癸匈澳又爺?shù)績缳R磅郝吭簿撻插晦替躊馴第6數(shù)控伺服系統(tǒng)第6數(shù)控伺服系統(tǒng)圖6-44a所示三相異步交流電機在空間上產(chǎn)生一個角速度為ω0的旋轉(zhuǎn)磁場Φ。如果用圖6-44b中的兩套空間相差900的繞組α和β來代替，并通以兩相在時間上相差900的交流