直流伺服電機速度控制單元解析，直流伺服電機的調速控制

　　伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉現(xiàn)象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。

　　直流伺服電機，它包括定子、轉子鐵芯、電機轉軸、伺服電機繞組換向器、伺服電機繞組、測速電機繞組、測速電機換向器，所述的轉子鐵芯由矽鋼沖片疊壓固定在電機轉軸上構成。

　　直流伺服電機特指直流有刷伺服電機——電機成本高結構復雜，啟動轉矩大，調速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護不方便（換碳刷），會產生電磁干擾，對環(huán)境有要求。因此它不可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。

　　直流伺服電機還包括直流無刷伺服電機——電機體積小，重量輕，出力大，響應快，速度高，慣量小，轉動平滑，力矩穩(wěn)定，電機功率有局限做不大。容易實現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護不存在碳刷損耗的情況，效率很高，運行溫度低噪音小，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。

　　直流伺服電機的速度控制單元

　　調速的概念有兩個方面的含義：

　?。?） 改變電機轉速：當指令速度變化時，電機的速度隨之變化，并希望以最快的加減速達到新的指令速度值；

　?。?） 當指令速度不變化時，電機的速度保持穩(wěn)定不變。

　　為調節(jié)電機轉速和方向，需對直流電壓的大小和方向進行控制，如何控制？

　　直流伺服電機速度控制單元的作用：將轉速指令信號轉換成電樞的電壓值，達到速度調節(jié)的目的。

　　直流電機速度控制單元常采用的調速方法：晶閘管（可控硅）調速系統(tǒng)；晶體管脈寬調制（PWM）調速系統(tǒng)。

　　1、晶閘管調速系統(tǒng)

　　在交流電源電壓不變的情況下，當改變控制電壓Un* 時，通過控制電路和晶閘管主電路改變直流電機的電樞電壓Ud，得到控制電壓Un*所要求的電機轉速。電機的實際電壓Un作為反饋與Un*進行比較，形成速度環(huán)，達到改善電機運行時的機械特性的目的。

　　晶閘管調速系統(tǒng)主電路采用大功率晶閘管。大功率晶閘管的作用：

　　（1）整流。將電網(wǎng)交流電源變?yōu)橹绷鳎粚⒄{節(jié)回路的控制功率放大，得到較高電壓與較大電流以驅動電機。

　?。?）逆變。在可逆控制電路中，電機制動時，把電機運轉的慣性能轉變?yōu)殡娔?，并回饋給交流電網(wǎng)，實現(xiàn)逆變。

　　為了對晶閘管進行控制，必須設有觸發(fā)脈沖發(fā)生器，以產生合適的觸發(fā)脈沖。該脈沖必須與供電電源頻率及相位同步，保證晶閘管的正確觸發(fā)

　　主回路由大功率晶閘管構成的三相全控橋式反并接可逆電路，分成二大部分（Ⅰ和Ⅱ），每部分內按三相橋式連接，二組反并接，分別實現(xiàn)正轉和反轉。

　　各有一個可控硅同時導通，形成回路。為了保證合閘后兩個串聯(lián)的晶閘管能夠同時導通或電流截止后再導通，必須對共陽極組的1個晶閘管和共陰極組的1個晶閘管同時發(fā)出觸發(fā)脈沖。

　　2、PWM調速控制系統(tǒng)

　　原理：利用大功率晶體管的開關作用，將直流電壓轉換成一定頻率的方波電壓，加到直流電動機的電樞上；通過調整控制方波脈沖寬度來改變電樞的平均電壓，從而調節(jié)電機的轉速。

　　直流電機電壓的平均值

　　其中，T為脈沖周期，Ton為導通時間

　　特點：控制電路簡單，不需附加關斷電路，開關特性好。廣泛應用中、小功率直流伺服系統(tǒng)。

　　（1）PWM系統(tǒng)的組成

　　USr——速度指令轉化過來的直流電壓；

　　U△——三角波；

　　USC——脈寬調制器的輸出（USr+U△）；

　　Ub——調制器輸出的經(jīng)脈沖分配、由基極驅動轉換過來的脈沖電壓。

　　控制回路：速度調節(jié)器、電流調節(jié)器、固定頻率振蕩器及三角波發(fā)生器、脈寬調制器和基極驅動電路組成。

　　區(qū)別：與晶閘管調速系統(tǒng)比較，速度調節(jié)器和電流調節(jié)器原理一樣。不同的是脈寬調制器和功率放大器。

　　（2）PWM系統(tǒng)的脈寬調制器

　　作用：將電壓量轉換成可由控制信號調節(jié)的矩形脈沖，為功率晶體管的基極提供一個寬度可由速度指令信號調節(jié)的脈寬電壓。

　　組成：調制信號發(fā)生器（三角波和鋸齒波兩種）和比較放大器。

　　3、全數(shù)字直流調速系統(tǒng)

　　在全數(shù)字直流調速系統(tǒng)中，僅功率轉換組件和執(zhí)行組件的輸入信號和輸出信號為模擬信號，其余的信號都為數(shù)字信號，由計算機通過算法實現(xiàn)。

　　計算機的計算速度很高，在幾毫秒內可以計算出電流環(huán)和速度環(huán)的輸入、輸出數(shù)值，產生控制方波的數(shù)據(jù)，從而控制電機的轉速和轉矩。全數(shù)字調速的特點是離散化，即在每個采樣周期給出一次控制數(shù)據(jù)。

　　在一個采樣周期內，計算機要完成一次電流環(huán)和速度環(huán)的控制數(shù)據(jù)的計算和輸出，對電機的轉速和轉矩控制一次。

　　直流伺服電機的調速原理

　　組成：由磁極（定子）、電樞（轉子）、電刷與換向片三部分組成。結構上做的細長一些，主要是為了減小轉動慣量，從而滿足伺服電機快速響應的要求。

　　工作原理：直流電源接在兩電刷間，電流通入電樞線圈，切割磁力線，產生電磁轉矩。

　　電流方向為：N極下的有效邊中的電流總是一個方向，而S極上的有效邊中的電流總是另一個方向。這樣使兩個邊上受到的電磁力的方向一致，電樞因而轉動。因此，當線圈的有效邊從 N極下轉到S極下時，其中電流的方向必須同時改變，以使電磁力的方向不變。這必須通過換向器得以實現(xiàn)。

　　電磁轉矩

　　感應電勢與轉速關系

　　電樞回路電壓平衡方程式

　　他勵式直流伺服電機的轉速公式

　　直流電機轉速與轉矩的關系n=f（T）稱機械特性（靜態(tài)特性）。電機轉速與理想轉速的差Δn，反映了電機機械特性硬度，Δn越?。ㄞD矩對轉速變化的影響程度越小），機械特性越硬。

　　直流電機的基本調速方式有三種：調節(jié)電阻Ra、調節(jié)電樞電壓Ua和調節(jié)磁通Φ的值。電樞電阻調速很少采用，其缺點：不經(jīng)濟，要得到低速，R很大，則消耗大量電能；低速，特性很軟，運轉穩(wěn)定性很差；調節(jié)平滑性差，操作費力。

　　調節(jié)電樞電壓（調壓調速）時，直流電機機械特性為一組平行線，只改變電機的理想轉速n0，保持了原有較硬的機械特性，所以調壓調速主要用于伺服進給驅動系統(tǒng)電機的調速。如果Δn值較大，不可能實現(xiàn)寬范圍的調速。永磁式直流伺服電機的Δn值較小，因此，進給系統(tǒng)常采用永磁式直流電機。

　　調節(jié)磁通（調磁調速）不但改變了電機的理想轉速，而且使直流電機機械特性變軟，所以調磁調速主要用于機床主軸電機調速。