直流伺服驱动系统

5.1.2　直流伺服驱动系统

在早期的数控系统上，直流伺服系统一般都采用SCR速度控制系统，到了20世纪80年代中期，开始逐步被PWM速度控制系统所代替。直流伺服电动机一般都采用以铁氧体作为永磁材料的“永磁式直流伺服电动机”。伺服电动机的电枢部分与普通直流电动机相似，通常按其转子惯量的大小将其分为大惯量电动机、中惯量电动机及小惯量电动机三种。

1．SCR速度控制系统

SCR速度控制系统的主回路有多种形式，如：单相半控桥式整流、单相全控桥式整流、三相半波整流、三相半控桥式整流、三相全控桥式整流等。单相半控桥式整流及单相全控桥式整流，虽然电路简单，但由于其输出波形较差，调速范围有限，因此在伺服驱动系统中较少使用。根据数控机床的控制要求，对于直流伺服驱动，速度控制单元的主回路一般都采用三相全控桥式整流电路。

SCR速度控制系统又有“无环流”和“有环流可逆”系统之分。“有环流可逆”系统具有反应迅速的优点，但其线路较复杂；而无流环可逆系统虽线路简单，却存在换向死区。为了提高快速性与精度，数控机床用的伺服驱动系统一般都采用如图5-2所示的“逻辑无环流可逆系统”，这是一种既有速度环又有电流环的双环自动控制系统。

图5-2　双环调速系统的原理框图

从图5-2的框图可见，该系统具有如下特点：

（1）速度指令电压和速度反馈电压在经过“阻容滤波”之后，进入比较器进行比较放大，从而得到速度误差信号。

（2）为了获得满意的静态和动态的调速特性，合理地解决速度调节系统的稳定性与精度之间的矛盾，速度调节器通常采用PI调节器。速度误差信号经过比例——积分环节（PI调节器），产生电流给定信号，输出到电流调节器，作为电流给定。

（3）为了减少晶闸管电路的死区，电流调节器的输入端又引入了“颤动偏置”和“颤动偏移”控制信号，使伺服电动机在静止状态下呈“颤动”状态，从而提高了系统的灵敏度。

（4）速度调节器输出的电流给定值与“颤动信号”以及电流反馈值一起输入电流调节器。为了加快电流环的响应速度，缩短系统启动过程，并减少低速轻载时由于电流断续对系统稳定性的影响，提高系统的稳定性，电流调节器通常使用比例调节器。

（5）电流调节器的输出信号经过由同步电路、移相控制电路组成的移相触发环节，控制晶闸管整流桥的导通角，达到调速的目的。

系统的自动调节原理如下：

（1）当系统的速度指令电压增大时，由于实际速度反馈信号不变，使速度误差信号增加，速度调节器的输出电压也随之加大，使触发器的触发脉冲前移，整流输出电压提高，电动机转速也随之上升。随着电动机转速的增加，测速发电机输出电压也逐渐增加，当它等于或接近于给定值时，系统达到新的平衡点，电动机就按要求的转速稳定旋转。

（2）当系统受到外界干扰，例如：负载突然增加时，电动机输出转速就下降，测速发电机的输出电压随之下降，使速度调节器的速度误差增大，速度调节器的输出电压增加，触发脉冲前移，晶闸管整流器的输出电压升高，使电动机转速上升并恢复到外界干扰前的转移值。

（3）当电网电压突然降低时，整流器的输出电压也随之降低。在电动机转速由于惯性的原因尚未变化之前，首先引起主回路电流减小。在此同时，反映主回路电流的电流反馈信号也随之减小，使电流调节器输出增加，触发脉冲前移，又使整流器输出电压恢复到原来的值，因而抑制了主回路电流的变化。

总之，具有速度外环、电流内环的双环调速系统具有良好的静态和动态指标，它可最大限度地利用电动机的过载能力，使过渡过程最短。

2．PWM速度控制系统

PWM速度控制系统是通过脉宽调制器对大功率晶体管的开关时间进行控制，将直流电压转换成某种频率的方波电压，并通过对脉冲宽度的控制，改变输出直流平均电压的自动调速系统。

以脉冲编码器作为检测器件的常见PWM直流伺服系统的框图如图5-3所示。其工作过程如下：

图5-3　PWM直流伺服系统原理图

数控装置CPU发出的指令信号，经过数值积分器DDA（即为插补器）转换后，输出一系列均匀脉冲。为了使实际机床位置分辨率与指令脉冲相对应，系统中通常都需要通过指令倍乘器CMR，对指令脉冲进行倍频/分频变换。指令脉冲与位置反馈脉冲比较的差值，送到误差寄存器ER；误差寄存器的输出与位置增益（G）偏移值补偿（D）运算、合成后，送到脉宽调制器（PWM）进行脉宽调制。被调制的脉冲经过D/A变换器转换成模拟电压，作为速度控制单元（V）的指令电压VCMD输出。

电动机旋转后，脉冲编码器（PC）发出的脉冲，经断线检查器（BL）确认无信号断线之后，送到鉴相器（DG），进行电动机的旋转方向的识别。鉴相器的输出分二路，一路经F/V变换器，将反馈脉冲变换成测速电压（TSA），送速度控制单元，并与VCMD指令进行比较，从而实现速度的闭环控制。另一路输出到检测倍乘器DMR，经倍乘后送到比较器作为位置环的位置反馈输入。

通过设置不同的CMR与DMR值，可以将指令脉冲的移动量和实际机床的每脉冲移动量相一致，从而使控制系统能适合于各种场合。

速度控制单元V的框图与原理如图5-4所示。

图5-4　PWM速度控制单元原理框图

由图5-4可见，指令电压VCMD与测速反馈信号TSA经过比较、放大后，输出误差信号“ER＝K（VCMD TSA）”和“−ER＝−K（VCMD TSA）”。误差信号ER送到A相和B相调制器，并与三角波发生器产出的三角波进行逻辑运算后，经脉宽调制、驱动放大之后输出TRA和TRB信号，控制晶体管VTA和VTB的基极：−ER信号与三角波进行逻辑运算后，经脉宽调制、驱动放大之后输出TRC和TRD信号，控制晶体管VTC和VTD的基极。

电动机正转时，图5-4中各信号的波形如图5-5所示。此时，电动机电枢回路工作可以分以下四步：

（1）VTB和VTC晶体管导通。这时电流方向从直流电源的“+”端，经过VTC、电动机M、VTB回到电源的“－”端。

（2）VTC和VTA晶体管导通。此时电枢电感释放能量，电流从电枢M经二极管VDa、晶体管VTc构成回路。

（3）VTB和VTC晶体管导通。此过程同第一步。

（4）VTB和VTD晶体管导通。此时电流方向从电动机M经VTB、续流二极管VDd构成回路。

主回路按上述顺序循环工作，从而形成对电动机的连续供电，使电动机正向旋转。波形图中的At是工作死区，该值一定要大于晶体管的关断时间，以确保晶体管不会出现VTA和VTB、VTC和VTD同时导通的情况，以避免电源短路。

在图5-5中，虚线是表示当ER值（—ER值）较小时的情况。在这种情况下，给电动机电枢供电的晶体管导通时间变短，电枢两端的电压脉宽变窄，平均电压较低，从而使直流电动机的转速降低，以上就是PWM速度控制系统的工作原理。

图5-5　脉宽调制各点波形图

PWM速度控制系统与SCR速度控制系统相比，具有如下优点：

（1）能有效防止系统产生共振，提高了数控机床工作的稳定性。在SCR速度控制系统中，由于晶闸管的工作频率与电源频率相同，均为50/60Hz，从而可能诱发机械系统的共振，影响数控机床的工作稳定性，从而影响被加工零件的表面精度。而在PWM控制方式中，由于晶体管工作频率很高（约2kHz），远远高于机械系统的固有频率，避免了系统可能产生的共振。

（2）电枢电流脉动小，保证了机床在低速运动时仍能稳定地工作。在SCR速度控制系统中，整流波形差，特别是在低速、轻载时，电流断续严重。由于电枢电流的不连续，将影响到低速运行的稳定性，这也是SCR速度控制系统产生低速脉动的原因之一。在PWM速度控制系统中，由于开关频率很高，依靠电枢绕组的电感滤波作用就可获得脉动很小的直流电流，而且电枢电流也很容易连续，因此，机床在低速时仍然可以平滑、稳定地工作。

（3）电动机损耗、发热小。由于PWM速度控制系统输出电流的纹波系数（电流有效值和平均值之比）只有1.001～1.03，而SCR速度控制系统为1.05～1.6，所以电动机在同样的输出转矩（它与电流的平均值成正比）时，前者的电动机损耗和发热均较后者小，在数控机床上，它可以减少电动机发热，减小热变形，提高机床精度。

（4）PWM速度控制系统的系统响应快。当PWM控制方式的速度控制单元与小惯量的电动机相匹配时，可以充分发挥系统的性能，使系统具有快的响应，因此，它适合于频繁启、制动的场合。

（5）动态特性好。由于PWM控制方式具有很宽的响应频率范围，因此整个系统的动态特性好，系统校正瞬态负载扰动的能力强。特别是在负载周期性变化的场合，机床仍平稳地工作，延长了刀具的使用寿命，改善了被加工零件表面的精度。

5.1.3　交流伺服驱动系统

直流伺服系统虽有优良的调速性能，但由于其在结构上采用了易磨损的电刷和换向器，一方面需要经常维护，另外，由于换向火花，使电动机的最高转速受到了限制；另一方面，直流电　动机结构复杂、制造困难、材料消耗大，因此制造成本较高。

交流伺服电动机亦称为无刷直流伺服电动机，它与直流电动机相比，由于无换向器，故克服了以上缺点，从而提高了机床的可靠性、快速性和整体性能。近年来，随着新型大功率电力电子器件的出现，新型变频技术，现代控制理论以及数字控制技术等技术的发展，交流伺服系统也取得了快速发展，在中小功率的伺服驱动系统上，有全面取代直流伺服驱动的趋势。

交流伺服电动机一般都是永磁式的三相同步电动机。根据不同的规格与要求，永磁材料可分别采用铁氧体、铝镍钴和稀土材料等，电动机一般采用全封闭结构。它具有以下特点：

（1）采用特殊的转子结构，其气隙磁密通常按正弦分布，实现了最小的转矩波动；

（2）定子通常采用无外壳的结构，改善了电动机的冷却效果，减小了体积和重量，提高了加/减速能力；

（3）通过采用无刷和全封闭的结构形式，使得电动机不需维修，即使在恶劣的使用环境下仍有很长的寿命。

在控制上，现代交流伺服系统一般都采用磁场矢量控制方式，它使交流伺服驱动系统的性能完全达到了直流伺服驱动系统的性能，这样的交流伺服系统具有下述特点：

（1）系统在极低速度时仍能平滑地运转，而且具有很快的响应速度；

（2）在高速区仍然具有较好的转矩特性，即：电动机的输出特性“硬度”好；

（3）可以将电动机的噪声和振动抑制到最低的限度；

（4）具有很高的转矩/惯量比，可实现系统的快速启动和制动；

（5）通过采用高精度的脉冲编码器作为反馈器件，采用数字控制技术，可大大提高系统的位置控制精度。

（6）驱动单元一般都采用大规模的专用集成电路，系统的结构紧凑、体积小、可靠性高。

正因为如此，在数控机床上，交流伺服系统全面取代直流伺服系统已经成为技术发展的必然趋势。

1．模拟式交流伺服控制系统

交流伺服系统按其指令信号与内部的控制形式，可以分为模拟式伺服与数字式伺服两类。初期的交流伺服系统一般是模拟式伺服系统，而目前使用的交流伺服通常都是全数字式交流伺服系统。

图5-6　交流模拟伺服系统原理图

典型的交流模拟伺服系统原理如图5-6所示。系统的工作过程简述如下：

速度给定指令VCMD来自数控系统；来自检测元件（通常为脉冲编码器）的信号经F/V变换后作为系统的速度反馈信号TSA；它们经比较、放大后输出速度误差信号。速度误差信号再经调节器放大，作为转矩指令输出。转矩指令信号通过乘法器，分别与转子位置计算回路中输出的sinθ～sin（θ～240°）算子相乘，其乘积作为电流指令信号输出。电流指令又与电流反馈信号相比较后，产生电流误差信号，电流误差信号经放大，输出到PWM控制回路，进行脉宽调制控制。脉宽调制信号通过功率晶体管与电源回路的逆变，形成三相交流电，控制交流伺服电动机的电枢。

图5-6中的虚线框，在实际系统中，通常为集成一体的专用大规模集成电路。在FANUC常见的交流伺服驱动中，其中一片型号为AF20，它包括两个乘法器和一个转子位置计算回路；另—片型号为MB63137，它包括PWM控制回路和脉冲编码器的接收回路。如图5-7所示为交流模拟伺服系统的简化框图。

2．数字式交流伺服系统

数字式交流伺服系统是随着交流伺服控制技术、计算机技术的发展而产生的新颖交流伺服系统，它所用的元器件更少，通常只要一片专用大规模集成电路，如：FANUC公司通常采用的是MB651105专用大规模集成电路，这种结构具有以下特点：

图5-7　交流模拟伺服系统的简化框图

（1）通过总线与调度，驱动系统的CPU和信号处理器可以共用RAM；

（2）具有A/D变换控制功能，可将模拟量转换为数字量；

（3）系统同时具有电流环、速度环、位置环控制的功能，以适应不同的控制要求；

（4）驱动系统CPU可与主CPU之间进行通信，容易采用总线控制方式；

（5）可以方便地产生PWM信号，控制电动机调速；

（6）可以进行位置检测信号（如：脉冲编码器信号）处理。

此外，在数字式伺服系统中，还可以采用绝对脉冲编码器作为位置检测器件，在数控系统停电后，仍能记忆机床的实际位置；因此，机床开机时可以不进行手动“回参考点”操作。数字式伺服系统的框图如图5-8所示。通过比较图5-7与图5-8可以看出，与模拟式交流伺服系统相比，数字式交流伺服系统具有下述明显的优点：

图5-8　数字伺服系统的简化框图

（1）系统精度不受电子器件的温度漂移影响；系统不需要采用自动漂移补偿电路，结构简单，精度高；

（2）系统控制精度高，定位精度可达到0.1um以上；

（3）系统所用的元器件少，可靠性高；

（4）功能上可扩充性好，如可以对系统的非线性、干扰转矩等进行补偿，提高系统的精度；

（5）维修方便，系统的诊断、监视功能比模拟伺服更强；

（6）对位置、速度、转矩、电流等信息进行了集中管理、控制，可以避免机械共振；

（7）系统的参数的设定与调节可以通过数字量进行，较模拟式伺服的电位器调节更加准确，更简单、容易。