第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)

第六章數(shù)控伺服系統(tǒng)第一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五6.1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，經變換、調節(jié)和放大后驅動執(zhí)行件，轉化為直線或旋轉運動。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)、驅動系統(tǒng)、伺服機構或伺服單元。該系統(tǒng)包括了大量的電力電子器件，結構復雜，綜合性強。第二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五6.1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”。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。第三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五6.1.1伺服系統(tǒng)的組成

組成：伺服電機驅動信號控制轉換電路電子電力驅動放大模塊

位置調節(jié)單元速度調節(jié)單元電流調節(jié)單元檢測裝置一般閉環(huán)系統(tǒng)為三環(huán)結構：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。第四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五6.1.1伺服系統(tǒng)的組成

位置調解速度調解電流調解轉換驅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：調節(jié)控制模塊、檢測和反饋部分組成。電力電子驅動裝置由驅動信號產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。第五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五1．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)品質的重要指標，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。4．調速范圍寬

調速范圍是指生產機械要求電機能提供的最高轉速和最低轉速之比。0～24m/min。5．低速大轉矩

進給坐標的伺服控制屬于恒轉矩控制，在整個速度范圍內都要保持這個轉矩；主軸坐標的伺服控制在低速時為恒轉矩控制，能提供較大轉矩。在高速時為恒功率控制，具有足夠大的輸出功率。6.1.2對伺服系統(tǒng)的基本要求

第六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五對伺服電機的要求：（1）調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，以滿足低速大轉矩的要求。（3）反應速度快，電機必須具有較小的轉動慣量、較大的轉矩、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。6.1.2對伺服系統(tǒng)的基本要求

第七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

1．按調節(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)6.1.2伺服系統(tǒng)的分類指令驅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第八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五6.1.2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第九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

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動系統(tǒng)和機械傳動機構的性能和精度。一般以功率步進電機作為伺服驅動元件。這類系統(tǒng)具有結構簡單、工作穩(wěn)定、調試方便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點，在精度和速度要求不高、驅動力矩不大的場合得到廣泛應用。一般用于經濟型數(shù)控機床。第十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五6.1.2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，是從驅動裝置(常用伺服電機)或絲杠引出，采樣旋轉角度進行檢測，不是直接檢測運動部件的實際位置。位置控制調節(jié)器速度控制調節(jié)與驅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第十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五6.1.2伺服系統(tǒng)的分類半閉環(huán)環(huán)路內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)結構簡單、調試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代CNC機床中得到了廣泛應用。第十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五6.1.2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。位置控制調節(jié)器速度控制調節(jié)與驅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第十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五6.1.2伺服系統(tǒng)的分類

從理論上講，可以消除整個驅動和傳動環(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)的設計、安裝和調試都相當困難。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。第十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五2．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：結構簡單、不需維護、適合于在惡劣環(huán)境下工作。動態(tài)響應好、轉速高和容量大。6.1.2伺服系統(tǒng)的分類第十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五3．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)6.1.2伺服系統(tǒng)的分類第十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五6.2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）

第十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五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。

6.2.1直流伺服電機及工作特性第十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

1．直流伺服電機的結構極靴機殼瓦狀永磁材料（定子）電樞（轉子）換向極主磁極定子轉子線圈圖6.5永磁直流伺服電機的結構

圖6.6直流主軸電機結構示意圖第十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五⑴靜態(tài)特性

電磁轉矩由下式表示:

（6.1）

KT

—轉矩常數(shù)；

Φ—磁場磁通；Ia—電樞電流；TM—電磁轉矩。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。

電樞反電勢與轉速之間有以下關系：

（6.3）

Ke─電勢常數(shù)；ω─電機轉速（角速度）。

根據(jù)以上各式可以求得：

（6.4）

2一般直流電機的工作特性

第二十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

當負載轉矩為零時：理想空載轉速（6.5）

當轉速為零時：啟動轉矩(6.6）

當電機帶動某一負載TL時電機轉速與理想空載轉速的差（6.7）

2一般直流電機的工作特性

ωO△ω

圖6.7

直流電機的機械特性ω（n）

ωOO△ω

TS

T

TL

第二十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

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─電機電磁轉矩；

TL─折算到電機軸上的負載轉矩；

ω─電機轉子角速度；

J─電機轉子上總轉動慣量；

t─時間自變量。

2一般直流電機的工作特性

第二十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

(1)永磁直流伺服電機的性能特點

1)低轉速大慣量2)轉矩大3)起動力矩大4)調速泛圍大，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)、轉動慣量等等。

3．永磁直流伺服電機的工作特性

第二十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

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)第二十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

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-轉矩特性曲線2-功率特性曲線第二十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五直流伺服電機的缺點：

◆它的電刷和換向器易磨損；◆電機最高轉速的限制，應用環(huán)境的限制；◆結構復雜，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。

6.22交流伺服電機及工作特性

VSVS第二十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五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構

1．永磁交流同步伺服電機的結構和工作原理

VSVS定子轉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構

第二十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五1．永磁交流同步伺服電機的結構和工作原理

第二十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

（2）永磁交流同步伺服電機工作原理和性能

1．永磁交流同步伺服電機的結構和工作原理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

第二十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五交流主軸電機的要求：大功率低速恒轉矩、高速恒功率鼠籠式交流異步伺服電機圖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

圖6．15交流主軸伺服電機的特性曲線

2．交流主軸伺服電機的結構和工作原理

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）

第三十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

（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永久磁鐵的結構改革內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內裝式主軸電機

3、交流伺服電機的發(fā)展

第三十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五6.3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，保持恒轉矩。與主運動相比功率較小。主運動：主要無級調速，但還要有下面的控制功能：

⑴主軸于進給驅動的同步控制；⑵準?？刂?；⑶分度控制；⑷恒線速度控制。速度控制：主要是調速，調速有機械、液壓和電氣方法，電氣調速最有利于實現(xiàn)自動化。第三十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五6.3.1直流進給運動的速度控制1.、直流伺服電機的調速原理

根據(jù)機械特性公式可知調速有二種方法: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，調壓只能在額定轉速以下進行。屬于恒轉矩調速。

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，故只能弱磁調速，在額定轉速以上進行。屬于恒功率調速。

2.直流速度控制單元調速控方式

◆晶閘管（可控硅）調速系統(tǒng)◆晶體管脈寬調制（PWM）調速系統(tǒng)（6.9）（6.10）第三十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五晶閘管調速系統(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)：速度調節(jié)（PI），作用：好的靜態(tài)、動態(tài)特性。電流環(huán)：電流調節(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、驅動，使電機轉動。速度調節(jié)器電流調節(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第三十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五2）主回路工作原理組成：由大功率晶閘

管構成的三相全控橋式（三相全波）反并接可逆電路，分成二大部分（Ⅰ和Ⅱ），每部分內按三相橋式連接，二組反并接，分別實現(xiàn)正轉和反轉。

原理：三相整流器，由二個半波整流電路組成。每部分內又分成共陰極組（1、3、5）和共陽極組（2、4、6）。為構成回路，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（即二相間）觸發(fā)脈沖相位相差120o，每相內二個觸發(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+-第三十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五原理：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。主回路波形圖第三十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五3）控制回路分析觸發(fā)脈沖產生的過程：改變觸發(fā)角，即改變控制角U1U2R1R2R3C-+同步信號過零信號由速度F變換來的電流調節(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。第三十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五運算放大器的類型⑴反向比例放大器⑵反向比例加法運算放大器

⑶同向比例放大器⑷積分運算放大器⑸比例積分運算放大器：⑹比較器R3R3U1U2R1R2R3-+U1R1U2R2C-+U1U2R1R2R3C-+U1U2R1R2-+U3U2R4R2-+U1R1U1U2R2R1-+U2二個輸入端的內阻非常大，不向運放內流電流，放大倍數(shù)非常大。同相端接地，電位為0，為實地；方反向端電為也為0，虛地。U2=-U1?R3/R2第三十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五功率因數(shù)（以單向為例）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φ=90o

功率(平均)

P=UIcosφ交流電阻電感電路：純電感電路電流落后電壓相位φ=90o功率(平均)

P=UIcosφ

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cosφ

，既與電壓電流的相位差有關。其中cosφ稱為功率因數(shù)。cosφ越高越好。造成功率因數(shù)不高的主要原因是感性負載，如異步電機、工頻爐、日光燈的功率因數(shù)都不高；提高功率因數(shù)的辦法是在感性負載上并聯(lián)電容。第三十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五[總結]

速度控制的原理：

①調速：當給定的指令信號增大時，則有較大的偏差信號加到調節(jié)器的輸入端，產生前移的觸發(fā)脈沖，可控硅整流器輸出直流電壓提高，電機轉速上升。此時測速反饋信號也增大，與大的速度給定相匹配達到新的平衡，電機以較高的轉速運行。

②干擾：假如系統(tǒng)受到外界干擾，如負載增加，電機轉速下降，速度反饋電壓降低，則速度調節(jié)器的輸入偏差信號增大，其輸出信號也增大，經電流調節(jié)器使觸發(fā)脈沖前移，晶閘管整流器輸出電壓升高，使電機轉速恢復到干擾前的數(shù)值。

③電網(wǎng)波動：電流調節(jié)器通過電流反饋信號還起快速的維持和調節(jié)電流作用，如電網(wǎng)電壓突然短時下降，整流輸出電壓也隨之降低，在電機轉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到原來值，從而抑制了主回路電流的變化。

④啟動、制動、加減速：電流調節(jié)器還能保證電機啟動、制動時的大轉矩、加減速的良好動態(tài)性能。第四十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五（2）晶體管脈寬調制（PWM）調速系統(tǒng)

1）系統(tǒng)的組成及特點速度調節(jié)器電流調節(jié)器脈寬調節(jié)振蕩器脈寬調節(jié)MG電流反饋U～usrusf整流功放第四十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五①主回路：

大功率晶體管開關放大器；

功率整流器。

②控制回路：

速度調節(jié)器；

電流調節(jié)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電路。

區(qū)別：

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

直流脈寬調制：功率放大器中的大功率晶體管工作在開關狀態(tài)下，開關頻率保持恒定，用調整開關周期內晶體管導通時間（即改變基極調制脈沖寬度）的方法來改變輸出。從而使電機獲得脈寬受調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。第四十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五直流脈寬調調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脈沖寬度正比代表速度F值的直流電壓Uωt第四十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五2）脈寬調制器ttU△U△+USrU△+USrUSCUSCUSC+USrooo-USrtttt同向加法放大器電路圖USr–速度指令轉化過來的直流電壓U△-三角波USC-脈寬調制器的輸出（USr+U△

）調制波形圖R1+12VUSCR1R3R2+-12VUSrU△-USr為0時調制出正負脈寬一樣方波平均電壓為0USr為正時USr為負時調制出脈寬較寬的波形平均電壓為正調制出脈寬較窄的波形平均電壓為負第四十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五3）開關功率放大器主回路：可逆H型雙極式PWM開關功率放大器電路圖: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–為調制器輸出，經脈沖分配、基極驅動轉換過來的脈沖電壓。分別加到T1、T2、T3、T4的基極。Ub3Ub4Ub1Ub2USABD1D2D3D4MT1T2T4T3tUS-USUdUABOtUb1Ub4Ub2Ub3OOttt1Tidid1id2id1id2OOOOOt1t3Tt2t3t1Ub1、Ub4Ub2、Ub3UdUABidttttid1id1id4id2id3id4id2第四十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五工作原理：

T1

和T4同時導通和關斷，其基極驅動電壓Ub1=Ub4。T2和T3同時導通和關斷，基極驅動電壓Ub2=Ub3

=

–Ub1。以正脈沖較寬為例，既正轉時。負載較重時：①電動狀態(tài)：當0≤t≤t1時，Ub1、Ub4為正，T1

和T4導通；Ub2、Ub3

為負，

T2和T3截止。電機端電壓UAB=US，電樞電流id=id1，由US→T1

→T4→

地。②續(xù)流維持電動狀態(tài)：在t1≤t≤T時，Ub1、Ub4為負，

T1

和T4截止；

Ub2、Ub3

變正，但T2和T3并不能立即導通，因為在電樞電感儲能的作用下，電樞電流id=id2，由D2→D3續(xù)流，在D2、

D3上的壓降使T2

、

T3的c-e極承受反壓不能導通。UAB=-US。接著再變到電動狀態(tài)、續(xù)流維持電動狀態(tài)反復進行，如上面左圖。負載較輕時：③反接制動狀態(tài)，電流反向：②狀態(tài)中，在負載較輕時，則id小，續(xù)流電流很快衰減到零，即t=t2時（見上面右圖），id=0。在t2

～

T區(qū)段，

T2、T3在US和反電動勢E的共同作用下導通，電樞電流反向，id=id3

由US→T3→T2→

地。電機處于反接制動狀態(tài)。④電樞電感儲能維持電流反向：在T

～t3區(qū)段時，驅動脈沖極性改變，

T2、T3截止，因電樞電感維持電流，id=id4，由D4→D1。第四十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五⑤電機正轉、反轉、停止：

由正、負驅動電壓脈沖寬窄而定。當正脈沖較寬時，既t1>

T/2，平均電壓為正，電機正轉；

當正脈沖較窄時，既t1<T/2，平均電壓為負，電機反轉；如果正、負脈沖寬度相等，t1=T/2，平均電壓為零，電機停轉。⑥電機速度的改變：電樞上的平均電壓UAB越大，轉速越高。它是由驅動電壓脈沖寬度決定的。⑦雙極性：由以上分析表明：可逆H型雙極式PWM開關功率放大器，無論負載是重還是輕、電機是正轉還是反轉，加在電樞上的電壓極性在一個開關周期內，都在US和

–US之間變換一次，故稱為雙極性。

第四十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五（4）PWM調速系統(tǒng)的特點①頻帶寬、頻率高:

晶體管“結電容”小，開關頻率遠高于可控（50Hz)，可達2-10KHz?？焖傩院谩＂陔娏髅}動小:

由于PWM調制頻率高，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。

第四十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五6.3.2直流主軸驅動的速度控制1.對直流主軸伺服系統(tǒng)的要求

⑴N、M—n特性，低速恒轉矩，高速恒功率。⑵良好的加、減速及換向功能。⑶過載能力，150%（額定電流的1.5倍）。⑷大的調速范圍。⑸準停、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)。速度比較調節(jié)電流比較調節(jié)移相觸發(fā)脈沖及方向控制可控硅整流器電機激磁電壓反饋電流調解電壓相位變換脈沖發(fā)生器方向控制整流器~~激磁電流設定速度指令速度反饋電流反饋調壓控制部分調磁控制部分ⅹ電流反饋第四十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五組成：調壓部分—恒轉矩調速，在額定轉速以下調速。調磁部分—恒功率調速，在額定轉速以上調速。調壓：一般采用晶閘管調速系統(tǒng)，同直流進給系統(tǒng)一樣。包括速度環(huán)、電流環(huán)、可控硅整流主回路等。調磁：

◆主軸電機為它激式直流電機，激磁繞組與電樞繞組無直接關系，需由另一直流電源供電。

◆激磁回路由激磁電流設定電路，電樞電壓反饋電路、及激磁反饋電路三者的比較輸出信號，經電流調節(jié)、觸發(fā)脈沖發(fā)生器等，控制激磁電流的大小，完成恒功率調速。調磁部分的電壓反饋的作用：它激直流主軸電機，調壓、調磁是分開獨立工作的。在額定轉速以下用改變電調電樞端電壓調速，此時調磁不工作只是維持額定的磁場，用電壓反饋作信號，限制激磁電流反饋。當電樞端電壓達到額定值時，可以調磁，使電機轉速在高速段調整。第五十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五6.3.3交流進給運動的速度控制1.交流伺服電機的調速方法由電機學知，交流電機轉速公式：式中：f–定子電源頻率p–磁激對數(shù)S–轉差率

ns–定子旋轉磁場轉速

n–轉子轉速異步電機變頻–用于籠型電機調壓（定子電壓）電磁磚差離合器調阻（轉子電組）

串級調速

交–直–交交–交交–直–交交–交變轉差率變頻變頻同步電機交流電動機由此可知調速方法：（6.11）（6.12）第五十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五對于進給系統(tǒng)常使用交流同步電機，該電機沒有轉差率，電機轉速公式變?yōu)椋簭氖街锌梢钥闯觯褐荒苡米冾l調速，并且是有效方法。變頻調速的主要環(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)的交流電經整流器變?yōu)橹绷?，再經逆變器變?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。2.正弦脈寬調制（SPWM）變壓變頻器⑴基本概念1964年德國人率先提出脈寬調制變頻思想，把通訊系統(tǒng)中的（6.13）第五十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五調制技術應用于交流變頻器。調制方法很多，目前用得最多的是正弦脈寬調制。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構將交流變?yōu)橹绷?，電壓幅值不變。為逆變器的供電。UI–逆變器由六個功率開關器件組成，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（由速度指令轉化過來的）和三角波疊加出來的SPWM調制波（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，使電機轉動。功率開關器件還可采用：可關斷晶閘管GTO、功率場效應晶體管MOSFET、絕緣門極晶體管IGBT等。第五十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五⑵正弦脈寬調制原理（以單相為例）正弦脈寬調制（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。第五十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

②SPWM控制波的生成:正弦波—三角波調制、方波—三角波調制。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調制波基準正弦波(由速度指令轉化過來的)VD1調制波載波uutu1:utu1u0OOOtttRFRR1R2R3R4R5R6R7VD2VD3VD4C1C2U0(ua、ub、

uc)tO---+++tut:第五十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五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: