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1、数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,5.4直流伺服电动机及速度控制 一、直流伺服电动机 二、直流伺服电动机的速度控制,数控技术,1,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,一、直流伺服电动机 伺服电动机是指能够精密地控制其位置的一种电动机。直流伺服电动机是伺服电动机的一种。,1. 直流伺服电动机分类及结构特点,无槽转子直流伺服电动机,空心杯转子直流伺服电动机,印刷绕组直流伺服电动机,后三种直流伺服
2、电动机为小惯量直流伺服电动机。,永磁直流伺服电动机,5.4 直流伺服电动机及速度控制,2,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,直流伺服电动机的组成 电动机本体 主要由机壳、定子磁极和转子组成。 检测部件 有高精度的测速发电机、旋转变压器以及脉冲编码器等,特点 小惯量直流伺服电动机 惯量小，响应速度快，但过载能力低,永磁直流伺服电动机转矩大，惯量大，稳定性好，调速范围宽。 但有电刷，限制速度的提高（10001500r/min）。,5.4 直流伺服电动机及速度控制,3,数字控制及装备技术研究所 I
3、nstitute of Numerical Control And Equipment Technology,直流伺服电动机的组成 电动机本体 主要由机壳、定子磁极和转子组成。 检测部件 有高精度的测速发电机、旋转变压器以及脉冲编码器等,特点 小惯量直流伺服电动机 惯量小，响应速度快，但过载能力低,永磁直流伺服电动机转矩大，惯量大，稳定性好，调速范围宽。 但有电刷，限制速度的提高（10001500r/min）。,5.4 直流伺服电动机及速度控制,4,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,2. 直
4、流伺服电动机的工作原理与调速方法,(1) 工作原理 与一般直流电动机的工作原理相同，是建立在电磁力和电磁感应基础上的。 如图（a）所示，直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，载流导体ab和cd受到电磁力的作用，使得转子逆时针转动。 当转子转到如图（b）所示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。,外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。,5.4 直流伺服电动机及速度控制,5,数字控制及装备技术研究所 Institu
5、te of Numerical Control And Equipment Technology,(2) 直流伺服电机的速度控制原理,他励直流电动机 转子回路的电势平衡方程： U Ea+ Ra Ia式中 Ra转子回路电阻() Ia转子回路电流(A),感应电动势Ea可由下式求得 EaCen 式中 Ce电机械常数 励磁磁通(Wb) n电动机转速(r/min),TeCtIa,5.4 直流伺服电动机及速度控制,6,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,电动机的电磁转矩Te(Nm)为 TeCTIa 式中
6、CT转矩系数，是电动机的结构常数。所以可得电动机转速,式中 n0理想空载转速 n转速降落 根据上式可知，他励直流电动机有三种调速方法，即改变外加电压、改变励磁磁通及改变转子回路电阻调速。,5.4 直流伺服电动机及速度控制,7,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,根据上式：励磁磁通不可变，只有二种调速方法，而改变转子回路电阻一般不能满足要求，通常采用改变转子回路外加电压的调速方法。 这种调速方法是从额定电压往下降低转子电压，即从额定转速向下调速。该种调速方法属恒转矩调速，机械特性是一组斜率不变的
7、平行直线，特性比较硬，且调速范围宽。另外，这种调速方法是用减小输入功率来减小输出功率的，所以具有比较好的经济性。,永磁直流伺服电动机的调速方法,5.4 直流伺服电动机及速度控制,8,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,3. 永磁直流伺服电机的工作特性 对于永磁直流伺服电动机，由于其伺服系统的要求，已经不能简单地用电压、电流、转数等参数描述其性能，而需要用一些特性曲线对其性能做全面描述。,转矩速度特性曲线 从图中可以得出，伺服电动机的工作区域被温度极限线、转速极限线、换向极限线、转矩极限线以及瞬
8、时换向极限线划分成三个区域。,5.4 直流伺服电动机及速度控制,9,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,区域为连续工作区, 在该区域中，转矩和转速的任意组合都可长期连续工作。,区域为断续工作区，在该区域内，电动机只能根据负载周期曲线所决定的允许工作时间 tR 和断电时间 tF 作间歇工作。,区域为加速和减速区域，在该区域内，电动机只能用于加速或减速，工作一段极短的时间。,5.4 直流伺服电动机及速度控制,10,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Contro
9、l And Equipment Technology,负载周期曲线 表示在满足机械所需转矩而又确保电动机不过热，允许电动机的工作时间.,图中各条曲线为不同的过载倍数曲线. 横坐标为工作时间tR (min)，纵坐标为加载周期比。 dtR(tR十tF) ()过载倍数: tmd负载转矩连续额定转矩.,5.4 直流伺服电动机及速度控制,11,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,选用直流伺服电动机的原则：(1) 当机床在无切削运行时，在整个速度范围内，其负载转矩应在电动机连续额定转矩范围以内。(2) 最
10、大切削转矩的倍数设定(工作载荷百分比和工作时间)应在电动机的载荷特性所规定的范围内。,(3) 在加减速时，应当工作在加减速工作区内。在加减速时，惯性转矩的大小取决于加速度的大小和负载惯量的大小，而加速度的大小又取决于希望的加速时间。(4) 负载惯量对电动机灵敏度和快速移动时间有很大影响，负载惯量通常不大于电动机转子惯量的三倍。,5.4 直流伺服电动机及速度控制,12,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,二、直流伺服电动机的速度控制,1. 晶闸管调速系统 利用晶闸管的单向导电可控性，输出可控制的
11、电压；利用可控硅整流器提供直流电源；通过改变晶闸管触发角，改变外加电压，从而达到调速的目的。,常采用两种速度调节系统： 晶闸管调速系统 晶体管脉宽调制调速系统。,5.4 直流伺服电动机及速度控制,13,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,例 典型的双环调速系统工作原理 速度反馈的闭环系统 由速度调节器对电动机的速度误差进行调节电流反馈环节 由电流调节器对电枢回路引起的滞后进行补偿，抑制主回路电流的变化,5.4 直流伺服电动机及速度控制,14,数字控制及装备技术研究所 Institute of
12、Numerical Control And Equipment Technology,2. PWM脉宽调制原理与系统 晶体管脉宽调制调速系统(PWM)的调速性能优于晶闸管调速系统的调速性能；而且，功率晶体管的功率、耐压等都已有很大提高，现代数控机床的直流进给伺服系统中多采用晶体管脉宽调制调速系统。,原理： 利用脉宽调制器，将直流电压转换成某一频率的矩形波电压，加到直流电动机的转子回路两端，通过对矩形波脉冲宽度的控制，改变转子回路两端的平均电压，从而达到调节电动机转速的目的。调速系统的组成：由控制电路、主回路及功率整流电路三部分组成。其中控制电路由速度调节器、电流调节器和脉宽调制器（包括固定频率
13、振荡器、调制信号发生器、脉宽调制及基极驱动电路）组成。系统的核心部分是主回路和脉宽调制器。,5.4 直流伺服电动机及速度控制,15,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,PWM 直流调速系统的原理框图,5.4 直流伺服电动机及速度控制,16,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,(1) 主回路 即脉宽调制式开关功率放大器。 开关功率放大器通常有两种形式，即T形和H形。在PWM直流调速系统中，多采用
14、H形开关功率放大器作为主回路。 H形开关功率放大器 由四个大功率开关管和四个续流二极管构成桥式电路。 有单极性和双极性两种工作方式。,5.4 直流伺服电动机及速度控制,17,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,单极性H形开关电路,单极性开关电路，将两个相位相反的脉冲信号分别加在VT1、VT2管的基极，VT3管的基极加截止控制电压，VT4管的基极加饱和导通电压。,在0tt1区间，VT1管饱和导通，VT2管截止，由于VT4管处于饱和导通状态，电动机两端A、B间电压为Ed。,在t1tT区间，VT1管
15、截止，由于VT3管始终处于截止状态，电动机两端A、B间电压为0。转子绕组电感能量沿VT4、VD2通道释放，维持转子绕组电流继续流通。要使电动机反转，只要将VT3管基极加饱和导通电压，VT4管加截止电压即可。,5.4 直流伺服电动机及速度控制,18,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,双极性H形开关电路 给VT3、VT4管基极也加脉冲控制电压，并且保证ub1ub4，ub2ub3ub1，就变成双极性工作方式。 在0tt1区间，VT1、VT4管饱和导通，电源电压Ed加在电动机转子绕组的A、B端、即u
16、ABEd。,在t1tT区间，VT2、VT3管饱和导通，电源电压Ed加在电动机转子绕组的B、A端，即uABEd。 当t1T/2时，加在A、B两端的平 均电压大于零，电动机正转。 当t1T/2时，加在A、B两端的平 均电压小于零，电动机反转。 当t1T/2时，加在A、B两端的平 均电压等于零，电动机停转。,5.4 直流伺服电动机及速度控制,19,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,(2) 脉宽调制器 作用 产生脉冲宽度可由控制信号调节的脉冲电压。控制信号为来自电流调节器的电压信号，是由CNC装置插
17、补器输出的速度指令转化而来的。 组成 主要由调制信号发生器和比较放大器组成。,调制信号发生器 调制信号发生器通过自激振荡的原理产生三角波或者锯齿波。作为比较放大器的比较电压u。 比较放大器 三角波电压u与速度控制指令电压uer比较后送入运算放大器。运算放大器输出电压的频率与基准三角波电压的频率一致，输出电压的脉冲宽度取决于速度控制指令电压uer。可见运算放大器的输出是一个脉宽调制波，经放大后与主回路四个功率开关管的基极相接。,5.4 直流伺服电动机及速度控制,20,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technol
18、ogy,5.4 直流伺服电动机及速度控制,21,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,三角波发生器,比较放大器,脉宽调制波形图,5.4 直流伺服电动机及速度控制,22,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,脉宽调制电路的工作原理 当控制指令电压uer0时，比较放大器输出ub1、ub2、ub3、ub4的正负半波脉冲宽度相等。前半周期，VT1、VT3管饱和导通，VT2、VT4管截止；后半周期，VT2、
19、VT4管饱和导通，VT1、VT3管截止。显然，不会有电流流过电动机转子绕组，uAB0。 当uer0时，ub1、ub2为(uuer)产生的输出，ub3、ub4为(uuer)产生的输出。 在0tt1时间区间，ub1、ub4为正电压，VT1、VT4 管饱和导通，电流由电源的Ed经VT1管、转子绕组、VT4管到地。 在t1tt2时间区间，ub2、ub4为负电压，电流被切断。此时，ub1为正电压，VT1管处于饱和导通状态。转子绕组电感能量经VD3、VT1管释放，维持转子绕组电流。,5.4 直流伺服电动机及速度控制,23,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,在t2tt3时间区间，与0tt1时间区间的情况相同。 在t3tT时间区间，ub1、ub3为负电压,VT1、VT3管截止，电流被切断。此时，ub4为正电压，VT4管处于饱和导通状态，转子绕组电感能量经VT4、VD2管释放，维持转子绕组电流。 显然，主回路工作在单极性工作方式下。uer增大，uAB的脉冲宽度变宽，加在电动机转子绕组上电压的平均值增大，电动机转子转速就上升。反之亦然。 当uer0时，uAB的极性改变，电动机反转。 以上就是晶体管脉宽调制调速(PWM)的整个过程。,5.4 直流伺服电动机及速度控制,24,
