PWM速度控制工作原理.doc

简述PWM速度控制系统的工作原理PWM速度控制系统PWM速度控制系统是通过脉宽调制器对大功率晶体管的开关时间进行控制，将直流电压转换成某种频率的方波电压，并通过对脉冲宽度的控制，改变输出直流平均电压的自动调速系统。以脉冲编码器作为检测器件的常见PWM直流伺服系统的框图如图5-3所示。其工作过程如下：图5-3 PWM直流伺服系统原理图数控装置CPU发出的指令信号，经过数值积分器DDA(即为插补器)转换后，输出一系列的均匀脉冲。为了使实际机床位置分辨率与指令脉冲相对应，系统中通常都需要通过指令倍乘器CMR，对指令脉冲进行倍频/分频变换。指令脉冲与位置反馈脉冲比较的差值，送到误差寄存器ER；误差寄存器的输出与位置增益(G)、偏移值补偿(D)运算、合成后，送到脉宽调制器(PWM)进行脉宽调制。被调制的脉冲经过D/A变换器转换成模拟电压，作为速度控制单元(V)的指令电压VCMD输出。电动机旋转后，脉冲编码器(PC)发出的脉冲，经断线检查器(BL)确认无信号断线之后，送到鉴相器(DG)，进行电动机的旋转方向的识别。鉴相器的输出分二路，一路经F/V变换器，将反馈脉冲变换成测速电压(TSA)，送速度控制单元，并与VCMD指令进行比较，从而实现速度的闭环控制。另一路输出到检测倍乘器DMR，经倍乘后送到比较器作为位置环的位置反馈输入。通过设置不同的CMR与DMR值，可以将指令脉冲的移动量和实际机床的每脉冲移动量相一致，从而使控制系统能适合于各种场合。速度控制单元V的框图与原理如图5-4所示。图5-4 PWM速度控制单元原理框图由图5-4可见，指令电压VCMD与测速反馈信号TSA经过比较、放大后，输出误差信号“ER=K(VCMD-TSA)”和“ER=K(VCMDTSA)”。误差信号ER送到A相和B相调制器，并与三角波发生器产出的三角波进行逻辑运算后，经脉宽调制、驱动放大之后输出TRA和TRB信号，控制晶体管VTA和VTB的基极；ER信号与三角波进行逻辑运算后，经脉宽调制、驱动放大之后输出TRC和TRD信号，控制晶体管VTC和VTD的基极。电动机正转时，图5-4中各信号的波形如图5-5所示。此时，电动机电枢回路工作可以分以下4步：1)VTB和VTC晶体管导通。这时电流方向从直流电源的“+”端，经过VTC、电动机M、VTB回到电源的“”端。2)VTC和VTA晶体管导通。此时电枢电感释放能量，电流从电枢M经二极管VDa、晶体管VTc构成回路。3)VTB和VTC晶体管导通。此过程同第一步。4)VTB和VTD晶体管导通。此时电流方向从电动机M经VTB、续流二极管VDd构成回路。主回路按上述顺序循环工作，从而形成对电动机的连续供电，使电动机正向旋转。波形图中的?t是工作死区，该值一定要大于晶体管的关断时间，以确保晶体管不会出现VTA和VTB、VTC和VTD同时导通的情况，以避免电源短路。图5-5中，虚线是表示当ER值(-ER值)较小时的情况。在这种情况下，给电动机电枢供电的晶体管导通时间变短，电枢两端的电压脉宽变窄，平均电压较低，从而使直流电动机的转速降低，以上就是PWM速度控制系统的工作原理。图5-5 脉宽调制各点波形图PWM速度控制系统与SCR速度控制系统相比，具有如下优点：1)能有效防止系统产生共振，提高了数控机床工作的稳定性。在SCR速度控制系统中，由于晶闸管的工作频率与电源频率相同，为50/60Hz，因此电枢电流脉动频率亦为50/60Hz，从而可能诱发机械系统的共振，影响数控机床的工作稳定性，从而影响被加工零件的表面精度。而在PWM控制方式中，由于晶体管工作频率很高(约2kHz)，远远高于机械系统的固有频率，避免了系统可能产生的共振。2)电枢电流脉动小，保证了机床在低速运动时仍能稳定地工作。在SCR速度控制系统中，整流波形差，特别是在低速、轻载时，电流断续严重。由于电枢电流的不连续，将影响到低速运行的稳定性，这也是SCR速度控制系统产生低速脉动的原因之一。在PWM速度控制系统中，由于开关频率很高，依靠电枢绕组的电感滤波作用就可获得脉动很小的直流电流，而且电枢电流也很容易连续，因此，机床在低速时仍然可以平滑、稳定地工作。3)电动机损耗、发热小。由于PWM速度控制系统输出电流的纹波系数(电流有效值和平均值之比)只有1.0011.03，而SCR速度控制系统为1.051.6，所以电动机在同样的输出转矩(它与电流的平均值成正比)时，前者的电动机损耗和发热均较后者小，在数控机床上，它可以减少电动机发热，减小热变形，提高机床精度。4)PWM速度控制系统的系统响应快。当PWM控制方式的速度控制单元与小惯量的电动机相匹配时，可以充分发挥系统的性能，使系统具有快的响应，因此，它适合于频繁起、制动的场合。5)动态特性好。由于PWM控制方式具有很宽的响应频率范围，因此整个系统的动态特性好，系统校正瞬态负载扰动的能力强。特别是在负载周期性变化的场合，机床仍平稳地工作，延长了刀具使用寿命，改善了被加工零件表面的精度。5.1.3 交流伺服驱动系统直流伺服系统虽有优良的调速性能，但由于其在结构上采用了易磨损的电刷和换向器，一方面需要经常维护，另外由于换向火花，使电动机的最高转速受到了限制。此外，直流电动机结构复杂、制造困难、材料消耗大，因此制造成本较高。交流伺服电动机亦称为无刷直流伺服电动机，它与直流电动机相比，由于无换向器，故克服了以上缺点，从而提高了机床的可靠性、快速性和整体性能。近年来，随着新型大功率电力电子器件的出现，新型变频技术，现代控制理论以及数字控制技术等技术的发展，交流伺服系统也取得了快速发展，在中小功率的伺服驱动系统上，有全面取代直流伺服驱动的趋势。交流伺服电动机一般都是永磁式的三相同步电动机。根据不同的规格与要求，永磁材料可分别采用铁氧体、铝镍钻和稀土材料等，电动机一般采用全封闭结构。它具有以下特点：1)采用特殊的转子结构，其气隙磁密通常按正弦分布，实现了最小的转矩波动。2)定子通常采用无外壳的结构，改善了电动机的冷却效果、减小了体积和重量，提高了加/减速能力。3)通过采用无刷和全封闭的结构形式，使得电动机不需维修，即使在恶劣的使用环境下仍有很长的寿命。在控制上，现代交流伺服系统一般都采用磁场矢量控制方式，它使交流伺服驱动系统的性能完全达到了直流伺服驱动系统的性能，这样的交流伺服系统具有下述特点：1)系统在极低速度时仍能平滑地运转，而且具有很快的响应速度。2)在高速区仍然具有较好的转矩特性，即：电动机的输出特性“硬度”好。3)可以将电动机的噪声和振动抑制到最低的限度。4)具有很高的转矩/惯量比，可实现系统的快速起动和制动。5)通过采用高精度的脉冲编码器作为反馈器件，采用数字控制技术，可大大提高系统的位置控制精度。6)驱动单元一般都采用大规模的专用集成电路，系统的结构紧凑、体积小、可靠性高。正因为如此，在数控机床上，交流伺服系统全面取代直流伺服系统已经成为技术发展的必然趋势。1模拟式交流伺服控制系统交流伺服系统按其指令信号与内部的控制形式，可以分为模拟式伺服与数字式伺服两类。初期的交流伺服系统一般是模拟式伺服系统，而目前使用的交流伺服通常都是全数字式交流伺服系统。典型的交流模拟伺服系统原理如图5-6所示。系统的工作过程简述如下：速度给定指令VCMD来自数控系统；来自检测元件(通常为脉冲编码器)的信号经F/V变换后作为系统的速度反馈信号TSA；它们经比较、放大后输出速度误差信号。速度误差信号再经调节