直流伺服電機(jī)速度控制單元解析，直流伺服電機(jī)的調(diào)速控制

　　伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

　　直流伺服電機(jī)，它包括定子、轉(zhuǎn)子鐵芯、電機(jī)轉(zhuǎn)軸、伺服電機(jī)繞組換向器、伺服電機(jī)繞組、測(cè)速電機(jī)繞組、測(cè)速電機(jī)換向器，所述的轉(zhuǎn)子鐵芯由矽鋼沖片疊壓固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上構(gòu)成。

　　直流伺服電機(jī)特指直流有刷伺服電機(jī)——電機(jī)成本高結(jié)構(gòu)復(fù)雜，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)不方便（換碳刷），會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，對(duì)環(huán)境有要求。因此它不可以用于對(duì)成本敏感的普通工業(yè)和民用場(chǎng)合。

　　直流伺服電機(jī)還包括直流無(wú)刷伺服電機(jī)——電機(jī)體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，力矩穩(wěn)定，電機(jī)功率有局限做不大。容易實(shí)現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機(jī)免維護(hù)不存在碳刷損耗的情況，效率很高，運(yùn)行溫度低噪音小，電磁輻射很小，長(zhǎng)壽命，可用于各種環(huán)境。

　　調(diào)速的概念有兩個(gè)方面的含義：

　　（1） 改變電機(jī)轉(zhuǎn)速：當(dāng)指令速度變化時(shí)，電機(jī)的速度隨之變化，并希望以最快的加減速達(dá)到新的指令速度值；

　?。?） 當(dāng)指令速度不變化時(shí)，電機(jī)的速度保持穩(wěn)定不變。

　　為調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向，需對(duì)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(jī)速度控制單元的作用：將轉(zhuǎn)速指令信號(hào)轉(zhuǎn)換成電樞的電壓值，達(dá)到速度調(diào)節(jié)的目的。

　　直流電機(jī)速度控制單元常采用的調(diào)速方法：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)。

　　1、晶閘管調(diào)速系統(tǒng)

　　在交流電源電壓不變的情況下，當(dāng)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(jī)的電樞電壓Ud，得到控制電壓Un*所要求的電機(jī)轉(zhuǎn)速。電機(jī)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(dá)到改善電機(jī)運(yùn)行時(shí)的機(jī)械特性的目的。

　　晶閘管調(diào)速系統(tǒng)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)橹绷鳎粚⒄{(diào)節(jié)回路的控制功率放大，得到較高電壓與較大電流以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

　　（2）逆變。在可逆控制電路中，電機(jī)制動(dòng)時(shí)，把電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的慣性能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽⒒仞伣o交流電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)逆變。

　　為了對(duì)晶閘管進(jìn)行控制，必須設(shè)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(gòu)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(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)。

　　各有一個(gè)可控硅同時(shí)導(dǎo)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(dǎo)通或電流截止后再導(dǎo)通，必須對(duì)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。

　　2、PWM調(diào)速控制系統(tǒng)

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

　　直流電機(jī)電壓的平均值

　　其中，T為脈沖周期，Ton為導(dǎo)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(yīng)用中、小功率直流伺服系統(tǒng)。

　?。?）PWM系統(tǒng)的組成

　　USr——速度指令轉(zhuǎn)化過(guò)來(lái)的直流電壓；

　　U△——三角波；

　　USC——脈寬調(diào)制器的輸出（USr+U△）；

　　Ub——調(diào)制器輸出的經(jīng)脈沖分配、由基極驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的脈沖電壓。

　　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)電路組成。

　　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。

　?。?）PWM系統(tǒng)的脈寬調(diào)制器

　　作用：將電壓量轉(zhuǎn)換成可由控制信號(hào)調(diào)節(jié)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(hào)調(diào)節(jié)的脈寬電壓。

　　組成：調(diào)制信號(hào)發(fā)生器（三角波和鋸齒波兩種）和比較放大器。

　　3、全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)

　　在全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)中，僅功率轉(zhuǎn)換組件和執(zhí)行組件的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)為模擬信號(hào)，其余的信號(hào)都為數(shù)字信號(hào)，由計(jì)算機(jī)通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)。

　　計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度很高，在幾毫秒內(nèi)可以計(jì)算出電流環(huán)和速度環(huán)的輸入、輸出數(shù)值，產(chǎn)生控制方波的數(shù)據(jù)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。全數(shù)字調(diào)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(shù)據(jù)。

　　在一個(gè)采樣周期內(nèi)，計(jì)算機(jī)要完成一次電流環(huán)和速度環(huán)的控制數(shù)據(jù)的計(jì)算和輸出，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制一次。

　　組成：由磁極（定子）、電樞（轉(zhuǎn)子）、電刷與換向片三部分組成。結(jié)構(gòu)上做的細(xì)長(zhǎng)一些，主要是為了減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，從而滿足伺服電機(jī)快速響應(yīng)的要求。

　　工作原理：直流電源接在兩電刷間，電流通入電樞線圈，切割磁力線，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。

　　電流方向?yàn)椋篘極下的有效邊中的電流總是一個(gè)方向，而S極上的有效邊中的電流總是另一個(gè)方向。這樣使兩個(gè)邊上受到的電磁力的方向一致，電樞因而轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，當(dāng)線圈的有效邊從 N極下轉(zhuǎn)到S極下時(shí)，其中電流的方向必須同時(shí)改變，以使電磁力的方向不變。這必須通過(guò)換向器得以實(shí)現(xiàn)。

　　電磁轉(zhuǎn)矩

　　感應(yīng)電勢(shì)與轉(zhuǎn)速關(guān)系

　　電樞回路電壓平衡方程式

　　他勵(lì)式直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式

　　直流電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系n=f（T）稱機(jī)械特性（靜態(tài)特性）。電機(jī)轉(zhuǎn)速與理想轉(zhuǎn)速的差Δn，反映了電機(jī)機(jī)械特性硬度，Δn越小（轉(zhuǎn)矩對(duì)轉(zhuǎn)速變化的影響程度越?。?，機(jī)械特性越硬。

　　直流電機(jī)的基本調(diào)速方式有三種：調(diào)節(jié)電阻Ra、調(diào)節(jié)電樞電壓Ua和調(diào)節(jié)磁通Φ的值。電樞電阻調(diào)速很少采用，其缺點(diǎn)：不經(jīng)濟(jì)，要得到低速，R很大，則消耗大量電能；低速，特性很軟，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性很差；調(diào)節(jié)平滑性差，操作費(fèi)力。

　　調(diào)節(jié)電樞電壓（調(diào)壓調(diào)速）時(shí)，直流電機(jī)機(jī)械特性為一組平行線，只改變電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速n0，保持了原有較硬的機(jī)械特性，所以調(diào)壓調(diào)速主要用于伺服進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)的調(diào)速。如果Δn值較大，不可能實(shí)現(xiàn)寬范圍的調(diào)速。永磁式直流伺服電機(jī)的Δn值較小，因此，進(jìn)給系統(tǒng)常采用永磁式直流電機(jī)。

　　調(diào)節(jié)磁通（調(diào)磁調(diào)速）不但改變了電機(jī)的理想轉(zhuǎn)速，而且使直流電機(jī)機(jī)械特性變軟，所以調(diào)磁調(diào)速主要用于機(jī)床主軸電機(jī)調(diào)速。