直流电机调速原理

1、5.45.4直流伺服电动机直流伺服电动机及速度控制及速度控制 一、直流伺服电动机一、直流伺服电动机 二、直流伺服电动机的速度控制二、直流伺服电动机的速度控制数控技术数控技术 一、直流伺服电动机一、直流伺服电动机 伺服电动机是指能够精密地控制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。动机是伺服电动机的一种。1. 1. 直流伺服电动机分类及结构特点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无槽转子直流伺服电动机空心杯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印刷绕组直流伺服电动机后三种直流伺服电动机

2、为小惯量直流伺服电动机。后三种直流伺服电动机为小惯量直流伺服电动机。永磁直流伺服电动机永磁直流伺服电动机5.4 5.4 直流伺服电动机及速度控制直流伺服电动机及速度控制直流伺服电动机的组成直流伺服电动机的组成 电动机本体电动机本体 主要由机壳、定子主要由机壳、定子磁极和转子组成。磁极和转子组成。 检测部件检测部件 有高精度的测速发电有高精度的测速发电机、旋转变压器以及脉冲编码器等机、旋转变压器以及脉冲编码器等 特点特点 小惯量直流伺服电动机小惯量直流伺服电动机 惯量小惯量小，响应速度快，但过载能力低，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，调速范围永磁直流伺服电动

3、机转矩大，惯量大，稳定性好，调速范围宽。宽。 但有电刷，限制速度的提高（但有电刷，限制速度的提高（10001500r/min10001500r/min）。）。5.4 5.4 直流伺服电动机及速度控制直流伺服电动机及速度控制直流伺服电动机的组成直流伺服电动机的组成 电动机本体电动机本体 主要由机壳、定子主要由机壳、定子磁极和转子组成。磁极和转子组成。 检测部件检测部件 有高精度的测速发电有高精度的测速发电机、旋转变压器以及脉冲编码器等机、旋转变压器以及脉冲编码器等 特点特点 小惯量直流伺服电动机小惯量直流伺服电动机 惯量小惯量小，响应速度快，但过载能力低，响应速度快，但过载能力低 永磁直流伺服电

4、动机转矩大，惯量大，稳定性好，调速范围永磁直流伺服电动机转矩大，惯量大，稳定性好，调速范围宽。宽。 但有电刷，限制速度的提高（但有电刷，限制速度的提高（10001500r/min10001500r/min）。）。5.4 5.4 直流伺服电动机及速度控制直流伺服电动机及速度控制2. 2. 直流伺服电动机的工作原理与调速方法直流伺服电动机的工作原理与调速方法 (1) (1) 工作原理工作原理 与一般直流电动机的工作原理相同，是建立在电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。磁力和电磁感应基础上的。 如图（如图（a a）所示，直流电流从电刷）所示，直流电流从电刷 A A 流

5、入，经过线圈流入，经过线圈abcdabcd，从，从电刷电刷 B B 流出，载流导体流出，载流导体abab和和cdcd受到电磁力的作用，使得转子逆时受到电磁力的作用，使得转子逆时针转动。针转动。 当转子转到如图（当转子转到如图（b b）所示的位置，电刷）所示的位置，电刷 A A 和换向片和换向片2 2接触，电接触，电刷刷 B B 和换向片和换向片1 1接触，直流电流从电刷接触，直流电流从电刷 A A 流入，在线圈中的流动流入，在线圈中的流动方向是方向是dcbadcba，从电刷，从电刷 B B 流出。流出。 外加的电源是直流的，外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作但由于电刷和换向片的作用，在

6、线圈中流过的电流用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。的方向却是不变的。5.4 5.4 直流伺服电动机及速度控制直流伺服电动机及速度控制(2) (2) 直流伺服电机的速度控制原理直流伺服电机的速度控制原理 MEaUuf 他励直流电动机他励直流电动机 转子回路的电势平衡方程：转子回路的电势平衡方程： U U Ea+ Ra IaEa+ Ra Ia式中式中 RaRa转子回路电阻转子回路电阻( ( ) ) Ia Ia转子回路电流转子回路电流(A)(A)感应电动势感应电动势EaEa可由下式求得可由下式求得 EaEaCeCe n n 式中式中 CeCe电机械常

7、数电机械常数 励磁磁通励磁磁通(Wb(Wb) ) n n电动机转速电动机转速(r/min)(r/min)TeCtIa5.4 5.4 直流伺服电动机及速度控制直流伺服电动机及速度控制电动机的电磁转矩电动机的电磁转矩Te(NmTe(Nm) )为为 TeTeCTCTIa Ia 式中式中 CTCT转矩系数，是电动机的结构常数。转矩系数，是电动机的结构常数。所以可得电动机转速所以可得电动机转速2eaeTRTC CeUCnn0n n 式中式中 n0n0理想空载转速理想空载转速 nn转速降落转速降落 根据上式可知，根据上式可知，他励直流电动机有三种调速方法他励直流电动机有三种调速方法，即，即改变外加改变外加

8、电压、改变励磁磁通及改变转子回路电阻调速电压、改变励磁磁通及改变转子回路电阻调速。5.4 5.4 直流伺服电动机及速度控制直流伺服电动机及速度控制2eaeTRTC CeUCnn0n 根据上式：励磁磁通不可变，只有二种调速方法，而改变转子根据上式：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采用改变转子回路外加电压的调的调速方法。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。该种调速方法属向下调速。该种调速方法属恒转矩调速恒转矩调速

9、，机械特性是一组斜率不变，机械特性是一组斜率不变的平行直线，特性比较硬，且调速范围宽。另外，这种调速方法是的平行直线，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。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永磁直流伺服电动机的调速方法5.4 5.4 直流伺服电动机及速度控制直流伺服电动机及速度控制3. 3. 永磁直流伺服电机的工作特性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

10、数描述其性能，而需要用一些特简单地用电压、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。性曲线对其性能做全面描述。转矩转矩速度特性曲线速度特性曲线 从图中可以得出，伺从图中可以得出，伺服电动机的工作区域被服电动机的工作区域被温度极限线、转速极限温度极限线、转速极限线、换向极限线、转矩线、换向极限线、转矩极限线以及瞬时换向极极限线以及瞬时换向极限线划分成三个区域。限线划分成三个区域。瞬时换向瞬时换向极限线极限线转速极限转速极限线线转矩极限线转矩极限线换向极限线换向极限线温度极限线温度极限线05001000150020004000600080001000012000T/(Nc

11、m)n/(r/min)5.4 5.4 直流伺服电动机及速度控制直流伺服电动机及速度控制 区域为连续工作区区域为连续工作区, , 在该区域中，转矩和转速的任意组合都可在该区域中，转矩和转速的任意组合都可长期连续工作。长期连续工作。 区域为断续工作区区域为断续工作区，在该区域内，电动机只能根据负载周期曲，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线所决定的允许工作时间 tRtR 和断电时间和断电时间 tFtF 作间歇工作。作间歇工作。 区域为加速和减区域为加速和减速区域速区域，在该区域内，在该区域内，电动机只能用于加，电动机只能用于加速或减速，工作一段速或减速，工作一段极短的时间。

12、极短的时间。瞬时换向瞬时换向极限线极限线转速极限转速极限线线转矩极限线转矩极限线换向极限线换向极限线温度极限线温度极限线05001000150020004000600080001000012000T/(Ncm)n/(r/min)5.4 5.4 直流伺服电动机及速度控制直流伺服电动机及速度控制 负载周期曲线负载周期曲线 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的工作时间. . 图中各条曲线为不同的过载倍图中各条曲线为不同的过载倍数曲线数曲线. . 横坐标为工作时间横坐标为工作时间tRtR (min) (min)，纵，纵

13、坐标为加载周期比。坐标为加载周期比。 d dtRtR(tR(tR十十tFtF) () () )过载倍数过载倍数: : tmd tmd负载转矩连续额定转矩负载转矩连续额定转矩. . 5.4 5.4 直流伺服电动机及速度控制直流伺服电动机及速度控制选用直流伺服电动机的原则：选用直流伺服电动机的原则：(1) (1) 当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。电动机连续额定转矩范围以内。(2) (2) 最大切削转矩的倍数设定最大切削转矩的倍数设定( (工作载荷百分比和工作时间工作载荷百分比和工作时间) )应在

14、电应在电动机的载荷特性所规定的范围内。动机的载荷特性所规定的范围内。瞬时换向瞬时换向极限线极限线转速极限转速极限线线转矩极限线转矩极限线换向极限线换向极限线温度极限线温度极限线05001000150020004000600080001000012000T/(Ncm)n/(r/min)(3) (3) 在在加减速时，应当工作在加减速时，应当工作在加减速工作区内。在加减速加减速工作区内。在加减速时，惯性时，惯性转矩的大小取决于转矩的大小取决于加速度的大小和负载惯量的加速度的大小和负载惯量的大小，而加速度的大小又取大小，而加速度的大小又取决于希望的加速时间。决于希望的加速时间。(4) (4) 负载负载

15、惯量对电动机灵敏度惯量对电动机灵敏度和快速移动时间有很大影响，和快速移动时间有很大影响，负载惯量通常不负载惯量通常不大于电动机大于电动机转子惯量的三倍。转子惯量的三倍。5.4 5.4 直流伺服电动机及速度控制直流伺服电动机及速度控制二、直流伺服电动机的速度控制二、直流伺服电动机的速度控制1. 1. 晶闸管调速系统晶闸管调速系统 利用晶闸管的单向导电可控性，输出可控制的电压；利用可控利用晶闸管的单向导电可控性，输出可控制的电压；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，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。从而达到调速的目的。 常采

16、用两种速度调节系统：常采用两种速度调节系统： 晶闸管调速系统晶闸管调速系统 晶体管脉宽调制调速系统。晶体管脉宽调制调速系统。5.4 5.4 直流伺服电动机及速度控制直流伺服电动机及速度控制例例 典型的双环调速系统工作原理典型的双环调速系统工作原理 速度反馈的闭环系统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由速度调节器对电动机的速度误差进行调节调节 电流反馈环节电流反馈环节 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，抑制主回路电流的变化5.4 5.4 直流伺服电动机及速度控制直流伺服电动机及速度控制2. PWM2. PW

17、M脉宽调制原理与系统脉宽调制原理与系统 晶体管脉宽调制调速系统晶体管脉宽调制调速系统(PWM)(PWM)的调速性能优于晶闸管调速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。制调速系统。原理：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压，加到直流电动机的转子回路两

18、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。的目的。调速系统的组成：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（包括固定频率振荡器、调制信号发生器、脉宽调制及基极驱动电路括固定频率振荡器、调制信号发生器、脉宽调制及基极驱动电路）组成。）组成。系统的核心部分是主回路和脉宽调制器。系统的核心部分是主回路和脉宽调制器。5.4 5.4 直流伺

19、服电动机及速度控制直流伺服电动机及速度控制PWM PWM 直流调速系统的原理框图直流调速系统的原理框图速度调节器速度调节器电流调节器电流调节器脉宽调制脉宽调制基极驱动基极驱动主主回回路路整流整流u-+振荡器振荡器电流反馈电流反馈-UsrTGUsf+-+MTGUsf5.4 5.4 直流伺服电动机及速度控制直流伺服电动机及速度控制(1) (1) 主回路主回路 即脉宽调制式开关功率放大器。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，即开关功率放大器通常有两种形式，即T T形和形和H H形。在形。在PWMPWM直流直流调速系统中，多采用调速系统中，多采用H H形开关功率放大器作为主回路

20、。形开关功率放大器作为主回路。 H H形开关功率放大器形开关功率放大器 由由四个大功率开关管和四个续流二极管构成桥式电路四个大功率开关管和四个续流二极管构成桥式电路。 有有单极性和双极性两种工作方式单极性和双极性两种工作方式。5.4 5.4 直流伺服电动机及速度控制直流伺服电动机及速度控制单极性单极性H H形开关电路形开关电路 单极性开关电路，将两个相位相反的脉冲信号分别加在单极性开关电路，将两个相位相反的脉冲信号分别加在VT1VT1、VT2VT2管的基极，管的基极，VT3VT3管的基极加截止控制电压，管的基极加截止控制电压，VT4VT4管的基极加饱管的基极加饱和导通电压。和导通电压。 在在0

21、t0tt1 t1区间区间，VT1VT1管饱和导通，管饱和导通，VT2VT2管截止，由于管截止，由于VT4VT4管处管处于饱和导通状态，电动机两端于饱和导通状态，电动机两端A A、B B间电压为间电压为EdEd。 在在t1tt1tT T区间区间，VT1VT1管截止，管截止，由于由于VT3VT3管始终处于截止状态，电管始终处于截止状态，电动机两端动机两端A A、B B间电压为间电压为0 0。转子绕。转子绕组电感能量沿组电感能量沿VT4VT4、VD2VD2通道释放通道释放，维持转子绕组电流继续流通。，维持转子绕组电流继续流通。要使要使电动机反转电动机反转，只要将，只要将VT3VT3管基极加饱和导通电

22、压，管基极加饱和导通电压，VT4VT4管加管加截止电压即可。截止电压即可。5.4 5.4 直流伺服电动机及速度控制直流伺服电动机及速度控制 双极性双极性H H形开关电路形开关电路 给给VT3VT3、VT4VT4管基极也加脉冲控制电压，并且保证管基极也加脉冲控制电压，并且保证ub1ub1ub4ub4，ub2ub2ub3ub3ub1ub1，就变成双极性工作方式。，就变成双极性工作方式。 在在0t0tt1 t1区间区间，VT1VT1、VT4VT4管饱和导通，电源电压管饱和导通，电源电压EdEd加在电动加在电动机转子绕组的机转子绕组的A A、B B端、即端、即uABuABEdEd。 在在t1tt1tT

23、 T区间区间，VT2VT2、VT3VT3管饱和导通，电源电压管饱和导通，电源电压EdEd加在电加在电动机转子绕组的动机转子绕组的B B、A A端，即端，即uABuABEdEd。 当当t1 t1T/2T/2时时，加在，加在A A、B B两端的平两端的平 均电压大于零，电动机正转。均电压大于零，电动机正转。 当当t1 t1T/2T/2时时，加在，加在A A、B B两端的平两端的平 均电压小于零，电动机反转。均电压小于零，电动机反转。 当当t1 t1T/2T/2时时，加在，加在A A、B B两端的平两端的平 均电压等于零，电动机停转。均电压等于零，电动机停转。5.4 5.4 直流伺服电动机及速度控制

24、直流伺服电动机及速度控制(2) (2) 脉宽调制器脉宽调制器 作用作用 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，是由来自电流调节器的电压信号，是由CNCCNC装置插补器输出的速度指令装置插补器输出的速度指令转化而来的。转化而来的。 组成组成 主要由调制信号发生器和比较放大器组成。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 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。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作为比较放大器的比较电压uu。

25、比较放大器比较放大器 三角波电压三角波电压uu与速度控制指令电压与速度控制指令电压ueruer比较后送入运算放大器。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出电压的脉冲宽度取决于速度控制指令电压ueruer。可见运算放大。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。管的基极相接。5.4 5.4 直流伺服电动机及速度控制直流伺服电动机及速度控制三角波发生器三角波发生器比较放大器比较

26、放大器u u 三角波三角波指令电压指令电压u uereru ub1b1u ub2b2u ub3b3u ub4b45.4 5.4 直流伺服电动机及速度控制直流伺服电动机及速度控制三角波发生器三角波发生器比较放大器比较放大器脉脉宽宽调调制制波波形形图图5.4 5.4 直流伺服电动机及速度控制直流伺服电动机及速度控制 脉宽调制电路的工作原理脉宽调制电路的工作原理 当控制指令电压当控制指令电压ueruer0 0时，比较放大器输出时，比较放大器输出ub1ub1、ub2ub2、ub3ub3、ub4ub4的正负半波脉冲宽度相等。前半周期，的正负半波脉冲宽度相等。前半周期，VT1VT1、VT3VT3管饱和导通管饱和导通，VT2VT2、VT4VT4管截止；后半周期，管截止；后半周期，VT2VT2、VT4VT4管饱和导通，管饱和导通，VT1VT1、VT3VT3管截止。显然，不会有电流流过电动机转子绕组，管截止。显然，不会有电流流过电动机转子绕组，uABuAB0 0。 当当ueruer0 0时，时，ub1ub1、ub2ub2为为(u(u