DC伺服电机速度控制系统分析 DC伺服电机速度控制方式

DC伺服电机速度控制单元的作用是将速度指令信号转换成电枢的电压值，从而达到调速的目的。现代DC电机调速装置通常采用晶闸管调速系统和晶体管脉宽调制调速系统。

　　调速的概念有两个方面的含义：

(1)改变电机转速：当指令转速改变时，电机转速随之改变，希望以快的加减速达到新的指令转速值；

(2)当指令速度不变时，电机速度保持稳定。

为了调节电机的速度和方向，需要控制DC电压的大小和方向。怎么控制？

DC伺服电机速度控制单元的作用是将速度指令信号转换成电枢的电压值，达到调速的目的。

DC电机调速装置常用的调速方法是晶闸管调速系统；晶体管脉宽调制(PWM)调速系统。

　　1、晶闸管调速系统

在交流电源电压恒定的情况下，当控制电压Un*改变时，通过控制电路和晶闸管主电路改变DC电机的电枢电压Ud，得到控制电压Un*所需的电机转速。将电机的实际电压Un与作为反馈的Un*进行比较，形成速度回路，从而改善电机运行时的机械特性。

晶闸管调速系统主电路采用大功率晶闸管。大功率晶闸管的作用；

(1)整改。将电网的交流电源改为DC；调节回路的控制功率被放大以获得更高的电压和电流来驱动电机。

(2)倒置。在可逆控制电路中，当电机制动时，电机的惯性能量转化为电能，回馈给交流电网实现逆变。

为了控制晶闸管，必须提供触发脉冲发生器来产生适当的触发脉冲。脉冲必须与电源的频率和相位同步，以确保晶闸管的正确触发

主电路由大功率晶闸管组成的三相全控桥式逆并联可逆电路组成，分为两部分(和)，每部分由三相桥连接，两组逆并联分别实现正转和反转。

每个晶闸管同时导通，形成一个回路。为了保证两个串联的晶闸管接通后能同时导通或切断电流后能再次导通，需要同时向共用阳极组的一个晶闸管和共用阴极组的一个晶闸管发送触发脉冲。

晶闸管调速系统采用大功率晶闸管，具有两个功能：一是作为整流器，将电网交流电源改为DC；第二，在可逆控制电路中，电机制动时，电机的惯性能量转化为电能，回馈到交流电网实现逆变。为了控制晶闸管，必须提供触发脉冲发生器来产生适当的触发脉冲。晶闸管整流电路有很多种，其中常用的是数控机床中的三相桥式反并联可逆电路。

如图，是三相桥式反并联可逆电路。它由12个可控硅大功率晶闸管组成，晶闸管分为两组，S11 ~S16为一组，S21 ~S26为一组。每组由三相桥连接，两组反并联，分别实现正转和反转。反并联是指两组换流桥以相反极性并联，由交流电源供电。每组晶闸管有整流和逆变两种工作状态。当一组处于整流运行时，另一组处于待逆变状态。当电机减速时，逆变器组工作。

三相全控桥式电路的电压波形如图所示。图上标注的晶闸管触发角为/3。晶闸管以/3的间隔依次导通，电机每6个脉冲转1圈。因为晶闸管被触发了

i;/6+α＜ωt＜π/6+α+π/3区间时，晶闸管S11和S16导通，电机端子与A 相和B相接通，故Ud=UAB。当ωt=α+π/3+π/6时，晶闸管S12开通，电流流经S12，而S16由于受反向偏置而关断（自然或电网换向）。这时S11和S12导通，电机两端电压Ud=UAC。就这样，每隔π/3又有一只晶闸管被开通，之后就重复上述过程。

　　由波形图可见，只要改变触发角α的值，则就可以改变电机电压的输入值，进而调节直流电机电枢的电流值，达到调节直流电机速度的目的。

　　在图中，RW1为转速定位器U+n，为转速偏差电压，Un为转速反馈电压，ΔUn为反馈偏差电压，A为比例放大器，Uct为触发控制电压，GT为晶闸管的触发控制装置。

　　系统的工作情况及自动调速过程如下：

　　当系统在某一较小的转速给定电压U+n作用下启动时，开始一瞬间电机并未转动，故转速反馈电压Un=0，反馈偏差电压ΔUn=U+n，通过放大器后，输出较大的Uct，触发器输出的触发角α将由起始状态时的90o下降，整流器输出电压也由Ud=0上升到某一较大的值，电动机在这一电压作用下（电流不超过允许值时）启动运转。随着转速的上升，反馈电压Un上升，则转速偏差电压ΔUn下降，Uct随之下降，α上升，整流器输出电压Ud也下降，电动机转差率也下降，直到转速n接近给定转速，即反馈电压Un接近，电机即平稳运转。如前所述，电机转速只能接近给定转速，偏差大小与放大倍数紧密相关。但这种系统从原理上说就是有偏差的，故称为有差调速系统。

　　晶闸管供电转速电流双闭环直流调速系统

　　前面所述的转速负反馈单闭环调速系统实际上是不能用于数控机床进给系统，对于数控机床上要求高的调速系统，则要求快速启动、制动，动态速降要小等，通常采用转速电流双闭环系统。

　　转速电流双闭环调速系统如图所示。为了实现转速和电流两种反馈分别起作用，系统中设置了两个调节器，分别对转速和电流进行调节，两者之间实行串级联接。

　　2、晶体管直流脉宽（PWM）调速系统

　　（1）原理：利用大功率晶体管的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压，加到直流电动机的电枢上；通过调整控制方波脉冲宽度来改变电枢的平均电压，从而调节电机的转速。

　　直流电机电压的平均值

　　其中，T为脉冲周期，Ton为导通时间

　　特点：控制电路简单，不需附加关断电路，开关特性好。广泛应用中、小功率直流伺服系统。

　　（2）PWM系统的组成

　　USr——速度指令转化过来的直流电压；

　　U△——三角波；

　　USC——脉宽调制器的输出（USr+U△）；

　　Ub——调制器输出的经脉冲分配、由基极驱动转换过来的脉冲电压。

　　控制回路：速度调节器、电流调节器、固定频率振荡器及三角波发生器、脉宽调制器和基极驱动电路组成。

　　区别：与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。

　　PWM系统的脉宽调制器

　　作用：将电压量转换成可由控制信号调节的矩形脉冲，为功率晶体管的基极提供一个宽度可由速度指令信号调节的脉宽电压。

　　组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两种）和比较放大器。

　　晶体管调速系统主电路

　　开关功率放大器是脉宽调制速度单元的主回路，其结构形式有两种，一种是H型（也称桥式） ，另一种是T型。每种电路又有单极性工作方式和双极性工作方式之分，而各种不同的工作方式又可组成可逆开关放大电路和不可逆开关放大电路。

　　图示为广泛使用的H型开关电路的工作原理图，它是由四个二极管和四个功率管组成的桥式回路。直流供电电源+Ed由三组全波整流电源供电。脉宽调制器输出的脉冲波u1、u2、u3、u4经光电隔离器，转换成与各脉冲相位和极性相同的脉冲信号U1、U2、U3、U4，并将其加到开关功率管VT1～VT4的基极。当电机正常工作时，在0《t《t1的时间区间内，U2、U3为高电平，功率晶体管 VT2、VT3导通，此时电源、+Ed加到电枢的两端，向电机供电，电流方向是从电源+Ed经VT3→电机→VT2→回到电源。在t1≤t《t2时间段U1、U3均是低电平，VT1和VT3截至，+Ed被切断。而此时U2仍为高电平，此时，由于电枢电感的作用，电流经VT2和续流二极管VD4继续流通。在t2≤t《t3时，U2、U3又同时为正，+Ed又经VT2和VT3加至电机两端，电流继续流通。在t3≤t《T时，U2、U4同时为负，电源又被切断，而U3为正，所以电枢电流经VT3和VD1续流，如此往复循环。主回路得到的电压UAB是在+Ed和O之间变化的脉冲电压。

　　双极性和单极性的电路原理图是一样的，所不同的是右边两个管子的驱动信号不同。

　　晶体管直流脉宽（Pulse Width ModulaTIon，PWM）调速系统

　　（1）直流PWM伺服驱动装置的工作原理

　　PWM驱动装置是利用大功率晶体管的开关特性来调制固定电压的直流电源，按一个固定的频率来接通和断开，并根据需要改变一个周期内接通与断开时间的长短，通过改变直流伺服电动机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。

　　PWM控制的示意图如图所示，可控开关S以一定的时间间隔重复地接通和断开，当S接通时，供电电源U通过开关S施加到电动机两端，电源向电机提供能量，电动机储能；当开关S断开时，则中断电动机的能量供给。在开关S断开期间电枢电感所储存的能量则通过续流二极管VD使电动机电流继续流通。

　　假如加在电机两端为图所示的电压波形，则电机所获得的平均电压即为：

　　有式知：改变ton和toff即可改变转速，但这必须有相应的装置才能实现。图示的即为一种PWM驱动装置系统原理框图。

　　由图知：PWM驱动装置的控制结构可分为两大部分：从主电源将能量传递给电动机的功率转换电路以及控制电路。功率转换电路可为H型、T型功率放大电路；控制电路通常由恒频率波形发生器、脉冲宽度调制电路、基极驱动电路、保护电路等基本电路组成。

　　当三角形波电压UΔ 与直流电压Uk送入放大器后，如三角波高于控制电压时，输出为“空”；反之，输出为“占”，改变控制电压Uk就可以改变占空比。其输出波形如图。

　　脉冲分配电路它根据功率转换电路工作制式，对V/W变换的信号进行适当的逻辑变换，分配给基极驱动电路以满足功率转换电路工作时通、断时序脉冲的电压要求。

　　3、全数字直流调速系统

　　在全数字直流调速系统中，仅功率转换组件和执行组件的输入信号和输出信号为模拟信号，其余的信号都为数字信号，由计算机通过算法实现。

　　计算机的计算速度很高，在几毫秒内可以计算出电流环和速度环的输入、输出数值，产生控制方波的数据，从而控制电机的转速和转矩。全数字调速的特点是离散化，即在每个采样周期给出一次控制数据。

　　在一个采样周期内，计算机要完成一次电流环和速度环的控制数据的计算和输出，对电机的转速和转矩控制一次。