第四节闭环伺服系统

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1、伺服系统对执行元件的要求：1.稳定性2.负载强3.响应快4.频繁启停根据磁场产生方式分：他励式、永磁式、并励式、串励式和复励式五种。结构上：有一般电枢式、无槽电枢式、印刷电枢式、绕线盘式和空心杯电枢式等。为避免电刷换向器的接触，有无刷直流伺服电机。根据控制方式分：磁场控制方式、电枢控制方式。6.3.1直流伺服电机的结构与分类6.3直流伺服电机及其速度控制在数控机床中，进给系统常用的直流伺服电机有：1．小惯性直流伺服电机因转动惯量小而得名。这类电机一般为永磁式。小惯量直流电机最大限度地减小电枢的转动惯量，所以能获得最快的响应速度。在早期的数控机床上应用得比较多。特点：

2、书1946.3直流伺服电机及其速度控制2．大惯量宽调速直流伺服电机（直流力矩电机）转子直径较大，线圈绕组匝数增加，力矩大，转动惯量大，能在较大过载转矩时长时间工作，因此可直接与丝杠相连，不需中间传动装置。没有励磁回路的损耗，外型尺寸比类似的其他直流伺服电机小。特点：能在较低转速下实现平稳运行，最低可达1r／min，甚至0.1r／min。数控机床上应用广泛。特点：见书1956.3直流伺服电机及其速度控制6.3.2直流伺服电机的调速原理与方法组成：磁极（定子）、电枢（转子）、电刷与换向片他励式直流伺服电机工作原理：直流电源接在两电刷间，电流通入电枢线圈，切割磁力线，产生

3、电磁转矩。6.3直流伺服电机及其速度控制CE—电动势常数CT——转矩常数n—电机转速n0－电机理想空载转速他励式直流伺服电机的转速公式Ra—电机电枢回路总电阻Tm—电机电磁转矩Ua—电机电枢端电压ф—励磁磁通Ea—电枢绕组感应电动势6.3直流伺服电机及其速度控制负载转矩Tm=0,则有直流电机转速与转矩的关系称机械特性机械特性是电机的静态特性，是稳定运行时带动负载的性能，此时，电磁转矩与外负载相等。电机转速与理想转速的差Δn，反映了电机机械特性硬度，Δn越小，机械特性越硬。n0TTnDn直流电机的基本调速方式有三种:调节电阻Ra、调节电枢电压Ua和调节磁通Φ的值。6.

4、3直流伺服电机及其速度控制电枢电阻调速不经济，调速范围有限，很少采用。调节电枢电压（调压调速）时，直流电机机械特性为一组平行线，只改变电机的理想转速n0，保持了原有较硬的机械特性，所以调压调速主要用于伺服进给驱动系统电机的调速如果Δn值较大，不可能实现宽范围的调速。永磁式直流伺服电机的Δn值较小，因此，进给系统常采用永磁式直流电机。6.3直流伺服电机及其速度控制调节磁通（调磁调速）不但改变了电机的理想转速，而且使直流电机机械特性变软，所以调磁调速主要用于机床主轴电机调速。6.3直流伺服电机及其速度控制6.3.3直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式直流电机速度控制单

5、元常采用的调速方法：晶闸管（可控硅）调速系统晶体管脉宽调制（PWM）调速系统。6.3直流伺服电机及其速度控制1．晶闸管调速系统6.3直流伺服电机及其速度控制速度控制电压电枢电压U*n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+-UnInI*n+-US直流双环调速系统6.3直流伺服电机及其速度控制主回路：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（11、13、15）和共阳极组（12、14、16）。为构成回路，共阴极组和共阳极组中必须各有一个可控硅同时导通。只要改变可控硅触发角（即

6、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。6.3直流伺服电机及其速度控制2．PWM调速控制系统控制电路简单，不需附加关断电路，开关特性好。广泛应用中、小功率直流伺服系统周期不变脉宽脉宽脉宽脉宽平均直流电压Uωt周期不变6.3直流伺服电机及其速度控制直流电机电压的平均值:T—脉冲周期，Ton—导通时间6.3直流伺服电机及其速度控制脉宽调制（PWM）系统组成：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M速度指令三相交流电整流速度反馈UsrUSCU△Ub6.3直流伺服电机及其速度控制脉宽调制器作用：将电压量转换成可由控制信号调节的

7、矩形脉冲，为功率晶体管的基极提供一个宽度可由速度指令信号调节的脉宽电压。组成：调制信号发生器（三角波和锯齿波两种）和比较放大器。原理：以三角波发生器为例介绍6.3直流伺服电机及其速度控制R1+12VUSCR1R3R2+-12VUSrU△-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ttUSr+U△+USroo-USrttUSr为正时USr为负时USr+U△ttUSr为0时调制出正负脉宽一样方波平均电压为0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6.3直流伺服电机及其速度控制开关功率放大器