机械伺服系统设计

关于机械伺服系统设计8.1概

述

伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。伺服系统是数控装置(计算机)和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分。数控机床伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元。该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，综合性强。第2页,共72页，2024年2月25日，星期天8.1概

述

进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说C装置是数控系统的“大脑”，是发布“命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统的“四肢”，是一种“执行机构”。它忠实地执行由CNC装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。第3页,共72页，2024年2月25日，星期天一、伺服系统的分类分类名称特点按控制特点分点位控制点位控制系统是指控制点与点之间位置，而对运动轨迹没有严格规定，如精密定位工作台的定位。连续控制系统连续控制系统则是用控制装置连续控制两个轴或多个轴同时连续运动、实现平面或空间曲面内的精密定位按控制技术分开环伺服系统

控制装置发出运动指令脉冲后，无法确定运动的预期目标是否达到要求。适用于对运动速度和定位精度要求不高的场合闭环伺服系统

闭环伺服系统与开环系统相比，增加了检测装置，可以随时测出工作台的实际位移，并将测得值反馈到数学控制装置中与指令信号进行比较，用比较后的差值进行控制。闭环伺服系统按反馈和比较方式不同分为脉冲比较式、幅度比较式、相位比较式等。闭环伺服系统实质上是一个自动调节系统。检测装置的精度是影响闭环伺服系统精度的主要因素。第4页,共72页，2024年2月25日，星期天二、伺服驱动装置常用的驱动装置有：

步进电机—它用电脉冲控制，每输入一个脉冲，电机就移进一步，可以改变脉冲频率在很大范围内调节转速，可以点动，也可以连续动，可正转也可反转，停机时有自锁能力，它的步距角和转速不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境影响，仅与脉冲频率有关。步距误差不累积，一般在15′以内。步进电机运行时会出现超调或振荡，要注意低频时振动对工作台运动的影响，突然起动时有滞后。

直流电机—运动平稳，改变驱动电压可以改变转速，也能换向，控制方便，驱动平稳，噪声小，但不能自锁，控制精度不如步进电机。

同步电机—同步电机一般用于同步控制的场合。

压电陶瓷驱动器—压电陶瓷驱动是近年来应用越来越广泛的驱动器。它分辨力高，可达纳米级，控制简单，但驱动范围较小。此外该驱动无摩擦、不发热，但有滞后和漂移现象。第5页,共72页，2024年2月25日，星期天三、机械传动装置伺服系统中的机械传动装置有齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、丝杠传动、弹性传动、摩擦传动等。传动装置的作用是传递转速和转矩，要求能使工作台灵敏、准确、稳定地跟踪指令，实现精确移动。（1）机械传动装置的选择

选择机械传动装置的主要依据是工作台的定位分辨力和定位精度。将步进电动机与齿轮传动、蜗轮蜗杆传动或丝杠传动相结合，可以达到微米甚至亚微米级的分辨力，当要求位移传动分辨力更高时由于这几种传动具有摩擦，有间隙和空程及爬行，很难达到要求。当要求分辨力达到0.1～0.01μm量级时可采用摩擦传动和弹性传动；而当要求纳米级的位移分辨力时，常采用压电陶瓷驱动与弹性传动相结合。如压电陶瓷驱动与柔性铰链传动相组合等。（2）机械传动装置的减速比在伺服控制系统中，要求输入指令驱使工作台从某一速度变到另一速度时，电动机应能提供最大加速度，即要求工作台迅速响应指令。因此设计时应尽量使加速度达到最大值，即存在最佳转速比。第6页,共72页，2024年2月25日，星期天电动机轴上的转动惯量为I，电动机最大转矩为Mm，则由加速度公式，求得最佳转速比为（8-1）最大角加速度为（8-2）（3）机械传动装置的动力设计动力系统要能提供足够的力矩和功率，以使工作台能跟随指令运动。则需满足动力平衡方程（8-3）式中，Mj为电动机轴加速力矩；Mf为摩擦力矩；ML为载荷力矩。（4）刚度计算由于机械传动装置中存在着摩擦和各个零部件都会有一定柔性，因而在输入指令开始驱动工作台时，由于传动环节的弹性变形，将导致工作台不能立即跟随指令移动，从而造成一定的失动量，影响定位精度。而当工作台低速运行时，由于传动环节的摩擦及刚度和导轨的摩擦又会造成爬行而使运动不均匀，同时刚度还影响固有频率。第7页,共72页，2024年2月25日，星期天8.1.1伺服系统的组成

组成：伺服电机驱动信号控制转换电路电子电力驱动放大模块

位置调节单元速度调节单元电流调节单元检测装置一般闭环系统为三环结构：位置环、速度环、电流环。第8页,共72页，2024年2月25日，星期天8.1.1伺服系统的组成

位置调解速度调解电流调解转换驱动工作台电流反馈速度反馈位置反馈MG

位置、速度和电流环均由：调节控制模块、检测和反馈部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器组成。严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度控制包括速度和电流控制。第9页,共72页，2024年2月25日，星期天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。包括定位精度和轮廓加工精度。2．稳定性好

稳定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。直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。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。4．调速范围宽

调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。0～24m/min。5．低速大转矩

进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。8.1.2对伺服系统的基本要求

第10页,共72页，2024年2月25日，星期天对伺服电机的要求：（1）调运范围宽且有良好的稳定性，低速时的速度平稳性（2）电机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。（3）反应速度快，电机必须具有较小的转动惯量、较大的转矩、尽可能小的机电时间常数和很大的加速度

(400rad/s2以上)。（4）能承受频繁的起动、制动和正反转。8.1.2对伺服系统的基本要求

第11页,共72页，2024年2月25日，星期天

1．按调节理论分类（1）开环伺服系统

（2）闭环伺服系统

（3）半闭环伺服系统8.1.2伺服系统的分类指令驱动电路步进电机工作台脉冲伺服电机速度检测速度控制位置控制位置检测伺服电机速度控制位置控制工作台脉冲编码器指令第12页,共72页，2024年2月25日，星期天8.1.2

伺服系统的分类开环数控系统没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。电机机械执行部件A相、B相C相、…f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大第13页,共72页，2024年2月25日，星期天

8.1.2

伺服系统的分类无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。第14页,共72页，2024年2月25日，星期天8.1.2

伺服系统的分类

半闭环数控系统半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈第15页,共72页，2024年2月25日，星期天8.1.2

伺服系统的分类半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。第16页,共72页，2024年2月25日，星期天8.1.2

伺服系统的分类

全闭环数控系统全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈第17页,共72页，2024年2月25日，星期天8.1.2伺服系统的分类

从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。第18页,共72页，2024年2月25日，星期天2．按使用的执行元件分类

（1）电液伺服系统电液脉冲马达和电液伺服马达。优点：在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常数小、反应快和速度平稳。缺点：液压系统需要供油系统，体积大。噪声、漏油。（2）电气伺服系统伺服电机（步进电机、直流电机和交流电机）优点：操作维护方便，可靠性高。

1）直流伺服系统

进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺服电机。优点：调速性能好。缺点：有电刷，速度不高。

2）交流伺服系统交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系统）和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。优点：结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作。动态响应好、转速高和容量大。8.1.2

伺服系统的分类第19页,共72页，2024年2月25日，星期天3．按被控对象分类（1）进给伺服系统指一般概念的位置伺服系统，包括速度控制环和位置控制环。（2）主轴伺服系统只是一个速度控制系统。

C轴控制功能。4．按反馈比较控制方式分类（1）脉冲、数字比较伺服系统（2）相位比较伺服系统（3）幅值比较伺服系统

（4）全数字伺服系统8.1.2

伺服系统的分类第20页,共72页，2024年2月25日，星期天8.2伺服电动机

伺服电动机为数控伺服系统的重要组成部分，是速度和轨迹控制的执行元件。

数控机床中常用的伺服电机：直流伺服电机（调速性能良好）交流伺服电机（主要使用的电机）步进电机（适于轻载、负荷变动不大）直线电机（高速、高精度）

第21页,共72页，2024年2月25日，星期天

常用的直流电动机有：永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、印刷绕组）励磁式直流电机混合式直流电机无刷直流电机直流力矩电机

直流进给伺服系统：永磁式直流电机类型中的有槽电枢永磁直流电机（普通型）；

直流主轴伺服系统：励磁式直流电机类型中的他激直流电机。

8.2.1直流伺服电机及工作特性第22页,共72页，2024年2月25日，星期天

1．直流伺服电机的结构极靴机壳瓦状永磁材料（定子）电枢（转子）换向极主磁极定子转子线圈图6.5永磁直流伺服电机的结构图6.6直流主轴电机结构示意图第23页,共72页，2024年2月25日，星期天⑴静态特性电磁转矩由下式表示:

（1）

KT

—转矩常数；

Φ—磁场磁通；Ia—电枢电流；TM—电磁转矩。电枢回路的电压平衡方程式为:

（2）

Ua─电枢上的外加电压；Ra─电枢电阻；Ea─电枢反电势。

电枢反电势与转速之间有以下关系：

（3）

Ke─电势常数；ω─电机转速（角速度）。

根据以上各式可以求得：

（4）

2一般直流电机的工作特性

第24页,共72页，2024年2月25日，星期天

当负载转矩为零时：理想空载转速（5）

当转速为零时：启动转矩(6）

当电机带动某一负载TL时电机转速与理想空载转速的差（7）

2一般直流电机的工作特性

ωO△ω

直流电机的机械特性ω（n）

ωOO△ω

TS

T

TL

第25页,共72页，2024年2月25日，星期天

⑵动态特性直流电机的动态力矩平衡方程式为

（8）

式中

TM─电机电磁转矩；

TL─折算到电机轴上的负载转矩；

ω─电机转子角速度；

J─电机转子上总转动惯量；

t─时间自变量。

2一般直流电机的工作特性

第26页,共72页，2024年2月25日，星期天

(1)永磁直流伺服电机的性能特点

1)低转速大惯量

2)转矩大

3)起动力矩大

4)调速泛围大，低速运行平稳，力矩波动小

(2)永磁直流伺服电机性能用特性曲线和数据表描述

1)转矩-速度特性曲线（工作曲线）

2)负载-工作周期曲线

过载倍数Tmd，负载工作周期比d。

3)数据表：N、T、时间常数、转动惯量等等。

3．永磁直流伺服电机的工作特性

第27页,共72页，2024年2月25日，星期天

3．永磁直流伺服电机的工作特性

d%

80110%120%60130%140%40160%d180%20200%

013tR6103060100tR(min)

图8﹒9负载-工作周期曲线M/（N-cm）转矩极限

1200010000瞬时换向极限

8000Ⅲ6000Ⅱ换向极限速度极限4000温度极限

2000Ⅰ050010001500n图8﹒8永磁直流伺服电机工作曲线

Ⅰ区为连续工作区；Ⅱ区为断续工作区，由负载-工作周期曲线决定工作时间；Ⅲ区为瞬时加减速区第28页,共72页，2024年2月25日，星期天

3．永磁直流伺服电机的工作特性

d%

80110%120%60130%140%40160%d180%20200%

013tR6103060100tR(min)

图8﹒9负载-工作周期曲线M/（N-cm）转矩极限

1200010000瞬时换向极限

8000Ⅲ6000Ⅱ换向极限速度极限

4000温度极限

2000Ⅰ050010001500n图8﹒8永磁直流伺服电机工作曲线

Ⅰ区为连续工作区；Ⅱ区为断续工作区，由负载-工作周期曲线决定工作时间；Ⅲ区为瞬时加减速区第29页,共72页，2024年2月25日，星期天

4．主轴直流伺服电机的工作原理和特性OnjnmaxnP,T12直流主轴电机特性曲线

1-转矩特性曲线2-功率特性曲线第30页,共72页，2024年2月25日，星期天直流伺服电机的缺点：

◆它的电刷和换向器易磨损；◆电机最高转速的限制，应用环境的限制；◆结构复杂，制造困难，成本高。交流伺服电机的优点：◆动态响应好；◆输出功率大、电压和转速提高交流伺服电机形式：◆同步型交流伺服电机和◆异步型交流感应伺服电机。

8.2交流伺服电机及工作特性

VSVS第31页,共72页，2024年2月25日，星期天交流同步伺服电机的种类：励磁式、永磁式、磁阻式和磁滞式

（1）永磁交流同步伺服电机的结构

1．永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理

VSVS定子转子脉冲编码器定子三相绕组接线盒永磁交流同步伺服电机结构

第32页,共72页，2024年2月25日，星期天1．永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理

第33页,共72页，2024年2月25日，星期天

（2）永磁交流同步伺服电机工作原理和性能

1．永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理

n（r/min）

VSNnsnr

θ

S

工作原理

特性曲线T（N-cm）

120001000080006000400020000100020003000Ⅰ

Ⅱ

第34页,共72页，2024年2月25日，星期天交流主轴电机的要求：大功率低速恒转矩、高速恒功率鼠笼式交流异步伺服电机交流主轴电机与普通交流

异步感应电机的比较图示意图

交流主轴伺服电机的特性曲线

2．交流主轴伺服电机的结构和工作原理

交流主轴电机

普通交流异步感应电机

通风孔

P（KW）

86420200040006000800012000

n（r/min）

第35页,共72页，2024年2月25日，星期天

（1）永磁交流同步伺服电机的发展①新永磁材料的应用钕铁硼②永久磁铁的结构改革内装永磁交流同步伺服电机③与机床部件一体化的电机空心轴永磁交流同步伺服电机（2）交流主轴伺服电机的发展①输出转换型交流主轴电机三角-星形切换，绕组数切换或二者组合切换。②液体冷却电机③内装式主轴电机

3、交流伺服电机的发展

第36页,共72页，2024年2月25日，星期天8.3速度控制概述：速度控制系统由速度控制单元、伺服电机和速度检测装置组成。分为主运动和进给运动。进给运动：是保证轨迹、尺寸和形位精度的。不但有速度控制，还有位置控制。在整个速度范围内，保持恒转矩。与主运动相比功率较小。主运动：主要无级调速，但还要有下面的控制功能：

⑴主轴于进给驱动的同步控制；⑵准停控制；⑶分度控制；⑷恒线速度控制。速度控制：主要是调速，调速有机械、液压和电气方法，电气调速最有利于实现自动化。第37页,共72页，2024年2月25日，星期天8.3.1直流进给运动的速度控制1.、直流伺服电机的调速原理

根据机械特性公式可知调速有二种方法:电枢电压Ua和气隙磁通Φ

⑴改变电枢外加电压Ua:由于绕组绝缘耐压的限制，调压只能在额定转速以下进行。属于恒转矩调速。

⑵改变气隙磁通量Φ：改激磁电流即可改Φ，在Ua恒定情况下，磁场接近饱和，故只能弱磁调速，在额定转速以上进行。属于恒功率调速。

2.直流速度控制单元调速控方式

◆晶闸管（可控硅）调速系统

◆晶体管脉宽调制（PWM）调速系统（9）（10）第38页,共72页，2024年2月25日，星期天晶闸管调速系统

1）系统的组成

包括控制回路：速度环、电流环、触发脉冲发生器等。

主回路：可控硅整流放大器等。

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。可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。速度调节器电流调节器触发脉冲发生器可控硅整流器电流反馈速度反馈电流检测编码器电机UR+-UfIfIR+-E1ES第39页,共72页，2024年2月25日，星期天2）主回路工作原理组成：由大功率晶闸

管构成的三相全控桥式（三相全波）反并接可逆电路，分成二大部分（Ⅰ和Ⅱ

），每部分内按三相桥式连接，二组反并接，分别实现正转和反转。

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120º，每相内二个触发脉冲相差180º。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60º。

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60º后，在补发一个辅助脉冲；也可以采用宽脉冲控制，宽度大于60º，小于120º。

462791113581210ABCMⅠⅡUMUDKMKM+-第40页,共72页，2024年2月25日，星期天原理：e)uacbcaba)b)c)d)135

①②③④⑤⑥ωtub246bcaωtωtωtωt11335511336224466224135246120°120°180°60°132460°60°56α

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。主回路波形图第41页,共72页，2024年2月25日，星期天3）控制回路分析触发脉冲产生的过程：改变触发角，即改变控制角U1U2R1R2R3C-+同步信号过零信号由速度F变换来的电流调节器输出的直流信号,123窄脉冲：即移相触发脉冲同步信号方波信号矩齿波矩齿波与直流电压叠加信号尖脉冲直流电压（可控硅导通时间），可调速。没反馈是开环，特性软。1-同步电路2-移向控制电路3-脉冲分配器②电流调节器:同上，加快电流的反应。③触发脉冲发生器：正弦波同步锯齿波触发电路，与F直流信号叠加。①速度调节器：比例积分PI，高放大（相当

C短路）—缓放大—增放大—稳定（相当C

开路）无静差。第42页,共72页，2024年2月25日，星期天运算放大器的类型⑴反向比例放大器⑵反向比例加法运算放大器

⑶同向比例放大器⑷积分运算放大器⑸比例积分运算放大器：⑹比较器R3R3U1U2R1R2R3-+U1R1U2R2C-+U1U2R1R2R3C-+U1U2R1R2-+U3U2R4R2-+U1R1U1U2R2R1-+U2二个输入端的内阻非常大，不向运放内流电流，放大倍数非常大。同相端接地，电位为0，为实地；方反向端电为也为0，虚地。U2=-U1•R3/R2第43页,共72页，2024年2月25日，星期天功率因数（以单向为例）交流电阻电路：功率(平均)

P=UI=I2R=U2/R交流电阻电容电路：纯电容电路电流超前电压相位φ=90º

功率(平均)

P=UIcosφ交流电阻电感电路：纯电感电路电流落后电压相位φ=90º

功率(平均)

P=UIcosφ

由于交流电路中电感电容的存在，平均功率不等于电压电流的乘积，而差一个cosφ

，既与电压电流的相位差有关。其中cosφ称为功率因数。cosφ越高越好。造成功率因数不高的主要原因是感性负载，如异步电机、工频炉、日光灯的功率因数都不高；提高功率因数的办法是在感性负载上并联电容。第44页,共72页，2024年2月25日，星期天[总结]

速度控制的原理：

①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。

②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。

③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。

④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。第45页,共72页，2024年2月25日，星期天（2）晶体管脉宽调制（PWM）调速系统

1）系统的组成及特点

速度调节器

电流调节器脉宽调节振荡器脉宽调节MG电流反馈U～usrusf整流功放第46页,共72页，2024年2月25日，星期天①主回路：

大功率晶体管开关放大器；

功率整流器。

②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。

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。

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。第47页,共72页，2024年2月25日，星期天直流脉宽调调制的基本原理周期不变周期不变脉宽脉宽脉宽脉宽平均直流电压脉冲宽度正比代表速度F值的直流电压Uωt第48页,共72页，2024年2月25日，星期天2）脉宽调制器ttU△U△+USrU△+USrUSCUSCUSC+USrooo-USrtttt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R1+12VUSCR1R3R2+-12VUSrU△-USr为0时调制出正负脉宽一样方波平均电压为0USr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第49页,共72页，2024年2月25日，星期天3）开关功率放大器主回路：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。Ub3Ub4Ub1Ub2USABD1D2D3D4MT1T2T4T3tUS-USUdUABOtUb1Ub4Ub2Ub3OOttt1Tidid1id2id1id2OOOOOt1t3Tt2t3t1Ub1、Ub4Ub2、Ub3UdUABidttttid1id1id4id2id3id4id2第50页,共72页，2024年2月25日，星期天工作原理：

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：①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。②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：③反接制动状态，电流反向：②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，

T2

、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。④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。第51页,共72页，2024年2月25日，星期天⑤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。⑥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。⑦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，加在电枢上的电压极性在一个开关周期内，都在US和

–US之间变换一次，故称为双极性。

第52页,共72页，2024年2月25日，星期天（4）PWM调速系统的特点①频带宽、频率高:

晶体管“结电容”小，开关频率远高于可控（50Hz)，可达2-10KHz。快速性好。②电流脉动小:

由于PWM调制频率高，电机负载成感性对电流脉动由平滑作用，波形系数接近于1。③电源的功率因数高:

SCR系统由于导通角的影响，使交流电源的波形畸变、高次谐波的干扰，降低了电源功率因数。PWM

系统的直流电源为不受控的整流输出，功率因数高。④动态硬度好:

校正瞬态负载扰动能力强，频带宽，动态硬度高。

第53页,共72页，2024年2月25日，星期天8.3.2直流主轴驱动的速度控制1.对直流主轴伺服系统的要求

⑴N、M—n特性，低速恒转矩，高速恒功率。⑵良好的加、减速及换向功能。⑶过载能力，150%（额定电流的1.5倍）。⑷大的调速范围。⑸准停、同步、恒线速度控制功能。2.直流主轴速度控制单元：没有位置控制，只是速度控制系统。速度比较调节电流比较调节移相触发脉冲及方向控制可控硅整流器电机激磁电压反馈电流调解电压相位变换脉冲发生器方向控制整流器~~激磁电流设定速度指令速度反馈电流反馈调压控制部分调磁控制部分ⅹ电流反馈第54页,共72页，2024年2月25日，星期天组成：调压部分—

恒转矩调速，在额定转速以下调速。调磁部分—

恒功率调速，在额定转速以上调速。调压：一般采用晶闸管调速系统，同直流进给系统一样。包括速度环、电流环、可控硅整流主回路等。调磁：

◆主轴电机为它激式直流电机，激磁绕组与电枢绕组无直接关系，需由另一直流电源供电。

◆激磁回路由激磁电流设定电路，电枢电压反馈电路、及激磁反馈电路三者的比较输出信号，经电流调节、触发脉冲发生器等，控制激磁电流的大小，完成恒功率调速。调磁部分的电压反馈的作用：它激直流主轴电机，调压、调磁是分开独立工作的。在额定转速以下用改变电调电枢端电压调速，此时调磁不工作只是维持额定的磁场，用电压反馈作信号，限制激磁电流反馈。当电枢端电压达到额定值时，可以调磁，使电机转速在高速段调整。第55页,共72页，2024年2月25日，星期天8.3.3交流进给运动的速度控制1.交流伺服电机的调速方法由电机学知，交流电机转速公式：式中：f–定子电源频率

p–磁激对数

S–转差率

ns–定子旋转磁场转速

n–转子转速异步电机

变频–

用于笼型电机调压（定子电压）电磁砖差离合器调阻（转子电组）

串级调速

交–直–交交–交交–直–交交–交变转差率变频变频同步电机交流电动机由此可知调速方法：（11）（12）第56页,共72页，2024年2月25日，星期天对于进给系统常使用交流同步电机，该电机没有转差率，电机转速公式变为：从式中可以看出：只能用变频调速，并且是有效方法。变频调速的主要环节是为交流电机提供变频、变压电源的变频器，变频器分为：

●交–直–交变频器分电压型和电流型。电压型先将电网的交流电经整流器变为直流，再经逆变器变为频率和电压都可变的交流电压。电流型是切换一串方波，方波电流供电，用于大功率。

●交–交变频器该变频器没有中间环节，直接将电网的交流电变为频率和电压都可变的交流电。目前对于中小功率电机，用得最多的是电压型交–直–交变频器。2.正弦脉宽调制（SPWM）变压变频器⑴基本概念

1964年德国人率先提出脉宽调制变频思想，把通讯系统中的（13）第57页,共72页，2024年2月25日，星期天调制技术应用于交流变频器。调制方法很多，目前用得最多的是正弦脉宽调制。还有空间电压矢量PWM、最优PWM、预测PWM、随机PWM、规则采样数字化PWM等等。

SPWM交–直–交变压变频器的原理框图如下：M3～UIUR～UR–整流器固定电压不可控整流器，常采用六个二级管桥式整流器结构将交流变为直流，电压幅值不变。为逆变器的供电。UI–逆变器由六个功率开关器件组成，常采用大功率晶体管。其控制极（大功率晶体管GTR为基极）输入由基准正弦波（由速度指令转化过来的）和三角波叠加出来的SPWM调制波（等幅、不等宽的矩形脉冲波），使这些大功率晶体管按一定规律导通、截止，输出一系列功率级等效于正弦交流电的可变频变压的等幅、不等宽的矩形脉冲电压波，即功率级SPWM电压，使电机转动。功率开关器件还可采用：可关断晶闸管GTO、功率场效应晶体管MOSFET、绝缘门极晶体管IGBT等。第58页,共72页，2024年2月25日，星期天⑵正弦脉宽调制原理（以单相为例）正弦脉宽调制（SPWM）波形:与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波，如右下图所示。uωtωtuOOa)b)

①

等效原理：把正弦分成n等分，每一区间的面积用与其相等的等幅不等宽的矩形面积代替。

正弦的正负半周均如此处理。第59页,共72页，2024年2月25日，星期天

②SPWM控制波的生成:正弦波—三角波调制、方波—三角波调制。方波发生器（带正反馈比较又有RC积分）三角波发生器（积分器）三角波与基准正弦波叠加（比较器）SPWM调制波基准正弦波(由速度指令转化过来的)VD1调制波载波uutu1:utu1u0OOOtttRFRR1R2R3R4R5R6R7VD2VD3VD4C1C2U0(ua、ub、

uc)tO---+++tut:第6