数控机床进给运动的控制 PPT课件

第四章进给运动的控制 1 本章内容 第一节概述第二节步进驱动及开环进给控制第三节位置检测装置第四节直流 交流伺服驱动装置 2 第一节概述 一 进给伺服系统的概念1 组成 进给伺服系统是以机床移动部件 如工作台 的位置和速度作为控制量的自动控制系统 通常由伺服驱动装置 伺服电机 机械传动机构及执行部件组成 2 作用 接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号 由伺服驱动装置作一定的转换和放大后 经伺服电机 直流 交流伺服电机 功率步进电机等 和机械传动机构 驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动 3 一 进给伺服系统的给概念3 基本技术要求1 精度高伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度 在速度控制中 要求高的调速精度 比较强的抗负载扰动能力 即对静 动态精度要求都比较高 2 稳定性好稳定性是指系统在给定输入或外界干扰作用下 能在短暂的调节过程后 达到新的或者恢复到原来的平衡状态 对伺服系统要求有较强的抗干扰能力 保证进给速度均匀 平稳 稳定性直接影响数控加工的精度和表面粗糙度 第一节概述 4 第一节概述 一 伺服系统的基本技术要求3 快速响应快速响应是伺服系统动态品质的重要指标 它反映了系统的跟踪精度 为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度 要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快 这一方面要求过渡过程时间要短 一般在200ms以内 甚至小于几十毫秒 另一方面要求超调要小 5 一 伺服系统的基本技术要求4 调速范围宽数控机床中 进给伺服系统的调速范围与伺服系统的分辨率有关 一般的调速范围要求在脉冲当量为0 001mm时达到0 24m min 要求有较宽的无级调速范围 在低速时运行平稳无爬行 第一节概述 6 第一节概述 二 分类 步进电机驱动系统 直流伺服驱动系统 永磁直流伺服电动机 交流伺服驱动系统 永磁交流伺服电动机 反应式混合式 7 第一节概述 三 位置伺服驱动系统的开环 闭环控制 开环控制系统 半闭环控制系统 以步进电机作为驱动元件 没有位置和速度检测元件及反馈 位置控制精度完全由进给传动机构的精度及电气控制精度决定 控制精度低 以伺服电机作为驱动元件 有测速元件和位置检测 通过测量滚珠丝杠的角位移间接测量出工作台的直线位移 通过对传动系统的误差补偿 可获得很高的位置控制精度 系统的稳定性易得到保证 8 三 位置伺服驱动系统的开环 闭环控制 全闭环控制系统 第一节概述 位置检测装置安装在工作台上 直接反映工作台的直线位移 位置控制精度比半闭环高 控制原理同半闭环 由于受导轨摩擦系数 传动的润滑状况 传动间隙大小等因素的影响 系统的稳定性不如半闭环 混合闭环控制系统 有开环补偿型和半闭环补偿型 9 第二节步进驱动及开环进给控制 一 步进电动机的工作原理步进电动机是一种把电脉冲转换成角位移的电动机 用专用的驱动电源向步进电动机供给一系列的且有一定规律的电脉冲信号 每输入一个电脉冲 步进电机就前进一步 其角位移与脉冲数成正比 电机转速与脉冲频率成正比 而且转速和转向与各相绕组的通电方式有关 按通电顺序不同 其运行方式有三相单三拍 三相双三拍和三相单双六拍三种 10 一 步进电动机的工作原理 1 三相三拍控制 定子绕组按A B C A 的顺序轮流通电 转子顺时针转动 按A C B A 的顺序通电 则电动机转子逆时针反向旋转 每输入一个脉冲 转子转过1 3齿距 步距角为30 步进电动机的转速决定于控制绕组与电源接通和断开的脉冲变化频率 录相 11 一 步进电动机的工作原理 2 三相双三拍控制 每次都是两相通电 即按A B B C C A A B 的顺序通电 则称双三拍方式 步距角为30 12 一 步进电动机的工作原理 3 三相六拍控制 如果单三拍和双三拍相间通电 即按A A B B B C C C A A 顺序通电 称为三相六拍方式 此时每输入一个脉冲信号 转子转过1 6齿距 步距角为15 13 4 结构电机的定子和转子铁心通常由硅钢片叠成 定子和转子均匀分布着很多小齿 定子上有A B C三对磁极 在相对应的磁极上绕有A B C三向控制绕组 其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开 一 步进电动机的工作原理 展开图 结构图 14 二 步进电动机的驱动电源 1 脉冲分配控制步进电机驱动电路完成由弱电到强电的转换和放大 也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号 驱动控制电路由环形分配器和功率放大器组成 环形分配器是用于控制步进电机的通电方式的 其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一定的顺序和分配方式加到功率放大器上 控制各相绕组的通电 断电 环形分配器功能可由硬件或软件产生 硬件环形分配器是根据步进电机的相数和控制方式设计的 演示 15 二 步进电动机的驱动电源 1 脉冲分配控制 硬件 环形分配器 三相硬件环形分配器的驱动控制 16 二 步进电动机的驱动电源 1 脉冲分配控制 硬件 环形分配器 三相六拍环形分配器 当DIR 1 时 每来一个脉冲 CLK 则电动机正转一步 当DIR 0 时 每来一个脉冲 CLK 则电动机反转一步 17 二 步进电动机的驱动电源 2 驱动放大电路作用 将环形分配器发出的TTL电平信号放大至几安培到十几安培的电流 送至步进电动机的各绕组 控制电路 单电压简单驱动 高低压切换驱动 高压恒流斩波 调频调压 细分驱动等 18 单电压简单驱动 2 驱动放大电路 二 步进电动机的驱动电源 特点 通过提高驱动电压加速电流的上升 通过串联大功率电阻限制稳态电流 但驱动电路体积大 发热严重 19 高低压驱动原理 2 驱动放大电路 二 步进电动机的驱动电源 特点 高压充电 低压维持 20 3 细分驱动将一个步距角细分成若干点步的驱动方式称细分驱动 特点 在不改动电动机结构参数的情况下 使步距角减小 要实现细分 需将绕组中的矩形电流波改成阶梯电流波 二 步进电动机的驱动电源 细分电流波形 21 三 步进电动机的进给控制 1 软件脉冲分配的控制计算机控制的步进电机驱动系统中 使用软件实现脉冲分配 常用查表法 软环分驱控制 22 三 步进电动机的进给控制 1 软件脉冲分配的控制 查表法对于三相六拍环形分配器 每当接收到一个进给脉冲指令 环形分配器软件根据下表所示真值表 按顺序及方向控制输出接口将A B C的值输出即可 23 三 步进电动机的进给控制 2 速度控制进给脉冲频率f 定子绕组通电 断电状态变化频率f 步进电机转速 工作台的进给速度V V 60 f硬件环分 控制CLK的频率 控制电动机的速度 软件环分 控制相邻两次软件环分状态之间的延时时间 可电动机线圈通电状态的变化频率 24 1 步距角 s每输入一个脉冲信号步进电动机所转过的角度称为步距角 以 s表示 步距误差是指步进电机运行时 转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差值 m 电机相数 Z 转子齿数 K 系数 相邻两次通电相数相同 K 1 相邻两次通电相数不同 K 2 四 步进电动机的主要特性 25 四 步进电动机的主要特性 2 矩角特性与最大静转矩 如果在电机轴上外加一个负载转矩Mz 转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度 角度 称为失调角 有失调角之后 步进电机就产生一个静态转矩 也称为电磁转矩 这时静态转矩等于负载转矩 静态转矩与失调角 的关系叫矩角特性 近似为正弦曲线 该矩角特性上的静态转矩最大值称为最大静转矩 26 四 步进电动机的主要特性 3 启动频率空载时 步进电机由静止状态突然起动 并进入不失步的正常运行的最高频率 称为启动频率或突跳频率 加给步进电机的指令脉冲频率如大于启动频率 就不能正常工作 步进电机在带负载 尤其是惯性负载 下的启动频率比空载要低 而且 随着负载加大 在允许范围内 启动频率会进一步降低 4 连续运行频率步进电机起动后 其运行速度能根据指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率 称为连续运行频率 其值远大于启动频率 它也随着电机所带负载的性质和大小而异 与驱动电源也有很大关系 27 四 步进电动机的主要特性 5 矩频特性与动态转矩矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系 该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩 当步进电机正常运行时 若输入脉冲频率逐渐增加 则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降 在使用时 一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点 矩频特性 f Hz Mq O 28 四 步进电动机的选择 步进电机有步距角 涉及到相数 静转矩 及电流三大要素组成 一旦三大要素确定 步进电机的型号便确定下来了 1 确定电机类型 2 选择脉冲当量 步距角 开环控制系统中 脉冲当量是衡量机床加工精度的一个基本参数 是机床的最小设定单位 3 速比的确定 s 步距角 h 丝杠导程 mm 脉冲当量 mm 脉冲 29 4 静力矩的选择1 计算工作台 丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量Jt 一级变速时其中 Jt 折算至电机轴上的惯量 Kg cm s2 J1 J2 齿轮惯量 Kg cm s2 Js 丝杠惯量 Kg cm s2 W 工作台重量 N h 丝杆螺距 cm 四 步进电动机的选择 30 4 静力矩的选择2 计算电机负载转矩电动机的负载转矩在各种工作情况下是不同的 如快速空载起动时所需转矩 快速进给时所需的转矩 最大切削负载时所需力矩等 对于数控机床常用快速空载起动力矩作为选择步进电动机的依据 快速空载起动时所需力矩 Mq Ma Mf M0要求 M Mq 同时应保证最大切削负载力矩 0 5倍Mjamx最后用起动矩频特性和运行矩频特性曲线检查步进电机型号是否符合要求 四 步进电动机的选择 31 其中Ma Jm Jt n T 1 02 10 2Ma 电机启动加速力矩 N m Jm Jt 电机自身惯量与负载惯量 Kg cm s2 n 电机所需达到的转速 r min T 电机升速时间 s 其中Mf W G h 2 i 10 2Mf 折算至电机轴上的摩擦转矩 N m 摩擦系数 传递效率基中M0 Fp0 h 1 02 2 i 10 2M0 附加磨擦力矩 N m Fp0 滚珠丝杠预加负荷 一般取进给牵引力的1 3 N 0 滚珠丝杠未预紧时的传动效率 一般 0 9 四 步进电动机的选择 32 第三节位置检测装置 一 概述1 组成 位置测量装置是由检测元件 传感器 和信号处理装置组成的 2 作用 实时测量执行部件的位移和速度信号 并变换成位置控制单元所要求的信号形式 将运动部件现实位置反馈到位置控制单元 以实施闭环控制 分辨率 所能测量的最小位移量 3 数控系统中的检测装置分为位移 速度和电流三种类型 33 一 概述 4 直接测量和间接测量位置传感器有直线式和旋转式两大类 若位置传感器所测量的对象就是被测量本身 即用直线式传感器测直线位移 用旋转式传感器测角位移 则该测量方式为直接测量 若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间值 再由它推算出与之关联的移动部件的直线位移 则该测量方式为间接测量 5 要求在机床工作台移动范围内 能满足精度和速度的要求 可靠 抗干扰性强 使用维护方便 成本低等 34 间接测量示例 一 概述 35 直接测量示例 一 概述 光栅 36 二 光电编码器 1 简介 光电编码器是一种回转式数字测量元件 通常装在被检测轴上 随被测轴一起转动 可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式 37 转轴 码盘及狭缝 光敏元件 批示光栅及辨向用的A B狭缝 光源 AB C 零位标志 二 光电编码器 2 工作原理 38 光电编码器的指示光栅上有A组与B组两组狭缝 彼此错开1 4节距 两组狭缝相对应的光敏元件所产生的信号A B彼此相差90 相位 用于辩向 二 光电编码器 工作原理 A B两相的作用 根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移 根据脉冲的频率可得被测轴的转速 根据A B两相的相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方向 后续电路可利用A B两相的90 相位差进行细分处理 四倍频电路实现 39 二 光电编码器 码盘里圈 还有一根狭缝C 每转能产生一个脉冲 该脉冲信号又称 一转信号 或零标志脉冲 作为测量的起始基准 C相的作用 被测轴的周向定位基准信号 被测轴的旋转圈数记数信号 C 40 利用编码器测量伺服电机的转速 转角 并通过伺服控制系统控制其各种运行参数 二 光电编码器 在伺服电机中的应用 41 二 光电编码器 刀库选刀控制中的应用 角编码器的输出为当前刀具号 42 三 光栅 1 光栅的种类数控机床上用计量光栅 计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类 均由光源 光栅副 光敏元件三大部分组成 计量光栅按形状又可分为长光栅和圆光栅 43 三 光栅 2 透射光栅的结构光栅传感器是由光源 透镜 主光栅 指示光栅和光电接收元件组成 主光栅 是测量的基准 另一块光栅为指示光栅 在使用长光栅尺的数控机床中 标尺光栅往往固定在床身上不动 而指示光栅随拖板一起移动 标尺光栅的尺寸常由测量范围确定 指示光栅则为一小块 只要能满足测量所需的莫尔条纹数量即可 44 2 透射光栅的结构在直光栅中 若a为刻线宽度 b为缝隙宽度 则 a b称为光栅的栅距 也称光栅常数 通常a b 或a b 1 1 0 9 线纹密度一般为每毫米100 50 25和10线 三 光栅 45 3 莫尔条纹的产生 三 光栅 46 3 莫尔条纹的产生 三 光栅 47 三 光栅 4 莫尔条纹的特性 放大性 W 夹角 很小 W 光学放大 提高灵敏度 莫尔条纹移动与栅距成比例 光栅移动一个栅距 莫尔条纹沿垂直方向移动一个间距W 准确性 大量刻线 误差平均效应 克服个别 局部误差 提高精度 在一个栅距内 光电元件所检测的光强变化为正弦 或余弦 变化 48 三 光栅 5 光栅尺的输出信号与测量电路光栅读数头组成 光源 聚光透镜 指示光栅 光敏元件 信号处理电路 包括放大 整形和鉴向倍频 光栅读数头作用 将莫尔条纹的光信号转换成电脉冲信号 49 三 光栅 5 光栅尺的输出信号与测量电路 信号转变过程 50 三 光栅 5 光栅尺的输出信号与测量电路 信号转变过程 51 三 光栅 5 光栅尺的输出信号与测量电路 辨向 W 52 5 光栅尺的输出信号与测量电路 辨向 三 光栅 53 5 光栅尺的输出信号与测量电路 脉冲细分细分技术能在不增加光栅刻线数及价格的情况下提高光栅的分辨力 细分前 光栅的分辨力只有一个栅距的大小 采用4细分技术后 计数脉冲的频率提高了4倍 相当于原光栅的分辨力提高了3倍 测量步距是原来的1 4 较大地提高了测量精度 细分前 细分后 三 光栅 54 三 光栅 5 光栅尺的输出信号与测量电路 脉冲细分 55 光栅在数控车床上的安装位置 三 光栅 56 三 光栅 光栅在数控镗铣床上的安装位置 57 四 直线感应同步器 1 直线感应同步器的结构 sin cos 节距 0 5mm 定尺 滑尺 58 2 感应同步器的工作原理 感应同步器是利用励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时 由于电磁耦合的变化 感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化 借以进行位移量的检测 感应同步器滑尺上的绕组是励磁绕组 定尺上的绕组是感应绕组 定尺固定在床身上 滑尺则安装在机床的移动部件上 通过对感应电压的测量 可以精确地测量出位移量 四 直线感应同步器 59 四 直线感应同步器 2 感应同步器的工作原理 在励磁绕组上加上一定的交变励磁电压 定尺绕组中就产生相同频率的感应电动势 其幅值大小随滑尺移动呈余弦规律变化 滑尺移动一个节距 感应电动势变化一个周期 60 四 直线感应同步器 3 感应同步器的信号处理原理鉴幅型 通过检测感应电动势的幅值测量位移 鉴相型 通过检测感应电动势的相位测量位移 61 四 直线感应同步器 1 鉴相方式 滑尺正旋绕组上加激磁电压Us后 与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为 es KUsCos KUmSin tCos 滑尺余旋绕组上加激磁电压Uc后 与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为 ec KUccos 2 KUmSin Cos t滑尺正 余旋绕组上同时加激磁电压Us Uc时 感应同步器的磁路可是为线性的 根据叠加原理 则与之相耦合的定尺绕组上的总感应电压为 e es ec Kumsin t K 电磁感应系数 定尺绕组上的感应电压的相位角 62 1 鉴相方式 滑尺与定尺相对位移量x的求取 W 2 x x W 2 结论 相对位移量x与相位角 呈线性关系 只要能测出相位角 就可求得位移量x 四 直线感应同步器 63 2 鉴幅型在鉴幅型系统中 激磁电压是频率 相位相同 幅值不同的交变电压 Us Umsin 1sin tUc Umcos 1sin t 1 x2 x2是指令位移值 则定尺绕组上总输出的感应电动势为e Us Uc KUscos 1 KUcsin 1 KUmsin 1 sin t结论 只要能测出Us与Uc相位差 1 就可求得滑尺与定尺相对位移量x 四 直线感应同步器 64 几点说明 感应同步器的测量周期为其绕组的节距2 2mm 感应同步器的测量精度取决于测量电路对输出感应电压的细分精度 现在商品化的感应同步器的输出大多是脉冲量 使其能方便地采用现代的数字处理技术用途 长感应同步器目前被广泛地应用于大位移静态与动态测量中 例如用于三坐标测量机 程控数控机床及高精度重型机床及加工中测量装置等 圆感应同步器则被广泛地用于机床和仪器的转台以及各种回转伺服控制系统中 四 直线感应同步器 65 感应同步器的优点是 具有较高的精度与分辨力 其测量精度首先取决于印制电路绕组的加工精度 温度变化对其测量精度影响不大 感应同步器是由许多节距同时参加工作 多节距的误差平均效应减小了局部误差的影响 抗干扰能力强 感应同步器在一个节距内是一个绝对测量装置 在任何时间内都可以给出仅与位置相对应的单值电压信号 因而瞬时作用的偶然干扰信号在其消失后不再有影响 平面绕组的阻抗很小 受外界干扰电场的影响很小 四 直线感应同步器 66 感应同步器的优点 续 使用寿命长 维护简单 定尺和滑尺 定子和转子互不接触 没有摩擦 磨损 所以使用寿命很长 它不怕油污 灰尘和冲击振动的影响 不需要经常清扫 但需装设防护罩 防止铁屑进入其气隙 可以作长距离位移测量 可以根据测量长度的需要 将若干根定尺拼接 拼接后总长度的精度可保持 或稍低于 单个定尺的精度 目前几米到几十米的大型机床工作台位移的直线测量 大多采用感应同步器来实现 工艺性好 成本较低 便于复制和成批生产 四 直线感应同步器 67 第四节直流 交流伺服驱动装置 一 直流伺服驱动装置1 直流电动机的工作原理 68 一 直流伺服驱动装置 2 直流电动机的机械特性 Ua一定时 当M 时n 但由于有转速反馈回路 转速n的变化不大 69 一 直流伺服驱动装置 3 调速方法 改变电枢回路电阻 改变电枢电压 改变磁通数控机床进给驱动常用改变电枢电压的方法 以得到宽调速范围的恒转矩特性 控制方式 1 在一定负载转矩下 当磁通不变时 改变电枢电压的大小和方向可以控制电动机的转速和转向 2 如果升高电枢电压 电动机的转速就升高 反之 降低电枢电压 转速就下降 3 当电枢电压为零 电动机立即停转 4 改变电枢电压极性 可使电动机反转 70 一 直流伺服驱动装置 4 永磁直流伺服电动机永磁直流电动机定子大多为新型稀土永磁材料 按电枢惯量分 小惯量和大惯量电动机两大类 瓦状永磁材料 定子 电枢 转子 永磁直流伺服电机的结构 极靴 机壳 71 4 永磁直流伺服电动机优点 1 可承受的峰值电流与过载能力高 2 具有大的力矩与惯量比 快速性好 3 低速时输出的力矩大 4 调速范围大 5 转子热容量大 一 直流伺服驱动装置 72 一 直流伺服驱动装置 4 永磁直流伺服电动机 特性曲线转矩 速度特性曲线负载周期曲线 73 一 直流伺服驱动装置 4 永磁直流伺服电动机 电机主要参数连续额定电流Ie连续额定转矩Ts允许最大电流Im反电动势常数Kv转矩常数Kt最大理论加速度amax电气时间常数ta静摩擦转矩 74 5 直流伺服驱动装置直流伺服驱动装置有晶闸管 即可控硅SCR 调速系统和晶体管脉宽调制 PWM 晶闸管 即可控硅SCR 调速系统调速原理 通过对晶闸管触发角的控制来控制电机电枢电压 以达到调速的目的 晶体管脉宽调制 PWM 调速原理 通过脉宽调制器将直流电压转换成方波电压 通过对方波脉冲宽度的控制 改变电枢的平均电压 以达到调速的目的 一 直流伺服驱动装置 75 一 直流伺服驱动装置 5 直流伺服驱动装置 晶闸管 即可控硅SCR 调速系统 包括控制回路 主回路 可控硅整流放大器 整流 放大 驱动 使电机转动 速度环 速度调节 PI 作用 好的静态 动态特性 电流环 电流调节 P或PI 作用 加快响应 启动 低频稳定等 触发脉冲发生器 产生移相脉冲 使可控硅触发角前移或后移 76 5 直流伺服驱动装置 晶闸管 即可控硅SCR 调速系统 主回路 4 6 2 7 9 11 1 3 5 8 12 10 A B C M 二组反并接 分别实现正转和反转 Ud Rdb KM KR 原理 三相整流器 由二个半波整流电路组成 每部分内又分成共阴极组 1 3 5 和共阳极组 2 4 6 为构成回路 这二组中必须各有一个可控硅同时导通 1 3 5在正半周导通 2 4 6在负半周导通 每组内 即二相间 触发脉冲相位相差120 每相内二个触发脉冲相差180 按管号排列 触发脉冲的顺序 1 2 3 4 5 6 相邻之间相位差60 为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通 或已截止的相再次导通 采用双脉冲控制 既每个触发脉冲在导通60 后 在补发一个辅助脉冲 也可以采用宽脉冲控制 宽度大于60 小于120 77 只要改变可控硅触发角 即改变导通角 就能改变可控硅的整流输出电压 从而改变直流伺服电机的转速 触发脉冲提前来 增大整流输出电压 触发脉冲延后来 减小整流输出电压 主回路波形图 5 直流伺服驱动装置 晶闸管 即可控硅SCR 调速系统 78 总结 速度控制的原理 调速 当给定的指令信号增大时 则有较大的偏差信号加到调节器的输入端 产生前移的触发脉冲 可控硅整流器输出直流电压提高 电机转速上升 此时测速反馈信号也增大 与大的速度给定相匹配达到新的平衡 电机以较高的转速运行 干扰 假如系统受到外界干扰 如负载增加 电机转速下降 速度反馈电压降低 则速度调节器的输入偏差信号增大 其输出信号也增大 经电流调节器使触发脉冲前移 晶闸管整流器输出电压升高 使电机转速恢复到干扰前的数值 电网波动 电流调节器通过电流反馈信号还起快速的维持和调节电流作用 如电网电压突然短时下降 整流输出电压也随之降低 在电机转速由于惯性还未变化之前 首先引起主回路电流的减小 立即使电流调节器的输出增加 触发脉冲前移 使整流器输出电压恢复到原来值 从而抑制了主回路电流的变化 启动 制动 加减速 电流调节器还能保证电机启动 制动时的大转矩 加减速的良好动态性能 5 直流伺服驱动装置 晶闸管 即可控硅SCR 调速系统 79 5 直流伺服驱动装置 脉宽调制 PWM pulsewidthmodulation 控制的位置伺服系统结构组成 一 直流伺服驱动装置 速度调节器 电流反馈 脉宽调制 基极驱动 功放 振荡器 电流调节器 G M Usr Usf 80 直流脉宽调制 功率放大器中的大功率晶体管工作在开关状态下 开关频率保持恒定 用调整开关周期内晶体管导通时间 即改变基极调制脉冲宽度 的方法来改变输出 从而使电机获得脉宽受调制脉冲控制的电压脉冲 由于频率高及电感的作用则为波动很小的直流电压 平均电压 脉宽的变化使电机电枢的直流电压随着变化 5 直流伺服驱动装置 PWM控制的位置伺服系统 脉冲宽度正比代表速度F值的直流电压 81 t t U USr U USC USr o o o USr t t t t 同向加法放大器电路图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 调制波形图 USr为0时 调制出正负脉宽一样方波平均电压为0 USr为正时 USr为负时 调制出脉宽较宽的波形平均电压为正 调制出脉宽较窄的波形平均电压为负 5 直流伺服驱动装置 PWM控制的位置伺服系统 脉宽调制器 USr U 82 主回路 可逆H型双极式PWM开关功率放大器电路图 由四个大功率晶体管 GTR T1 T2 T3 T4及四个续流二极管组成的桥式电路 H型 又分为双极式 单极式和受限单极式三种 Ub1 Ub2 Ub3Ub4 为调制器输出 经脉冲分配 基极驱动转换过来的脉冲电压 分别加到T1 T2 T3 T4的基极 Ub3 Ub4 Ub1 Ub2 US A B D1 D2 D3 D4 M T1 T2 T4 T3 UdUAB 5 直流伺服驱动装置 PWM控制的位置伺服系统 功放 t1 T 2 83 T1和T4同时导通和关断 其基极驱动电压Ub1 Ub4 T2和T3同时导通和关断 基极驱动电压Ub2 Ub3 Ub1 以正脉冲较宽为例 既正转时 负载较重时 电动状态 当0 t t1时 Ub1 Ub4为正 T1和T4导通 Ub2 Ub3为负 T2和T3截止 电机端电压UAB US 电枢电流id id1 由US T1 T4 地 续流维持电动状态 在t1 t T时 Ub1 Ub4为负 T1和T4截止 Ub2 Ub3变正 但T2和T3并不能立即导通 因为在电枢电感储能的作用下 电枢电流id id2 由D2 D3续流 在D2 D3上的压降使T2 T3的c e极承受反压不能导通 UAB US 接着再变到电动状态 续流维持电动状态反复进行 如上面左图 负载较轻时 反接制动状态 电流反向 状态中 在负载较轻时 则id小 续流电流很快衰减到零 即t t2时 见上面右图 id 0 在t2 T区段 2 T3在US和反电动势E的共同作用下导通 电枢电流反向 id id3由US T3 T2 地 电机处于反接制动状态 电枢电感储能维持电流反向 在T t3区段时 驱动脉冲极性改变 T2 T3截止 因电枢电感维持电流 id id4 由D4 D1 5 直流伺服驱动装置 PWM控制的位置伺服系统 功放工作原理 84 电机正转 反转 停止 由正 负驱动电压脉冲宽窄而定 当正脉冲较宽时 既t1 T 2 平均电压为正 电机正转 当正脉冲较窄时 既t1 T 2 平均电压为负 电机反转 如果正 负脉冲宽度相等 t1 T 2 平均电压为零 电机停转 电机速度的改变 电枢上的平均电压UAB越大 转速越高 它是由驱动电压脉冲宽度决定的 双极性 由以上分析表明 可逆H型双极式PWM开关功率放大器 无论负载是重还是轻 电机是正转还是反转 加在电