闭环伺服控制原理与系统

闭环伺服控制原理与系统 

在数控机床上，尤其是在计算机数控机床上，闭环伺服驱动系统由于具有工作可靠、抗干扰性强以及精度高等优点，因而相对于开环伺服驱动系统更为常用。但由于闭环伺服驱动系统增加了位置检测、反馈、比较等环节，与步进式开环系统相比，它的结构比较复杂，调试也相对更困难一些。

一、   闭环伺服驱动系统的执行元件

随着数控技术的发展，对执行元件的要求愈来愈高，归纳起来主要有以下几点：

(1) 尽可能减少电机的转动惯量，以提高系统的快速动态响应；

(2) 尽可能提高电机的过载能力，以适应经常出现的冲击现象；

(3) 尽可能提高电机低速运行的稳定性和均匀性，以保证低速时伺服系统的精度。

鉴于机械加工的特殊性，一般的电机不能满足数控机床对伺服控制的要求。目前，在数控

机床上广泛应用的有直流伺服电机和交流伺服电机。

1.?直流伺服电机

直流伺服电机是机床伺服系统中使用较广的一种执行元件。在伺服系统中常用的直流伺服电机多为大功率直流伺服电机，如低惯量电机和宽调速电机等。这些伺服电机虽然结构不同，各有特色，但其工作原理与直流电机类似。

(1) 低惯量直流伺服电机。主要有无槽电枢直流伺服电机及其他一些类型的电机。无槽电枢直流伺服电机的工作原理与一般直流电机相同，其结构的差别和特点是：电枢铁心是光滑无槽的圆体，电枢绕组用环氧树脂固化成型并粘结在电枢铁心表面上，电枢的长度与外径之比在5倍以上，气隙尺寸比一般的直流电机大10倍以上。它的输出功率在几十瓦至10 kW以内。主要用于要求快速动作、功率较大的系统。

 (2) 宽调速直流力矩电机。这种电机用提高转矩的方法来改善其动态性能。它的结构形式与一般直流电机相似，通常采用他激式。目前几乎都用永磁式电枢控制。它具有以下特点：

 (3) 直流伺服电机的脉宽调速原理。调整直流伺服电机转速的方法主要是调整电枢电压。目前使用最广泛的方法是晶体管脉宽调制器—直流电机调速(PWM—M)。它具有响应快，效率高，调速范围宽以及噪音污染小，简单可靠等优点。

脉宽调制器的基本工作原理是，利用大功率晶体管的开关作用，将直流电压转换成一定频率的方波电压，加到直流电机的电枢上。通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，从而调节电机的转速。图5--9是PWM— M系统的工作原理图。设将图5--9(a)中的开关K周期地闭合、断开，开和关的周期是T。在一个周期内，闭合的时间为τ，断开的时间为T-τ。若外加电源的电压U是常数，则电源加到电机电枢上的电压波形将是一个方波列，其高度为U，

宽度为τ，如图5--9(b)所示。它的平均值Ua为

               （5-2）

式中的δ=τ／T，称为导通率。当T不变时，只要连续地改变 ，就可使电枢电压的平均值(即直流分量 )由0连续变化至U，从而连续地改变电机的转速。实际的PWM—M系统用大功率三极管代替开关K 。其开关频率是2000 Hz，即

图5—9 PWM 调速系统的电器原理

图5--9(a)中的二极管是续流二极管，当K断开时，由于电枢电感La的存在，电机的电枢电流 可通过它形成回路而流通。

图5--9 (a)所示的电路只能实现电机单方向的速度调节。为使电机实现双向调速，必须采用桥式电路。图5--10所示的桥式电路为PWM —M系统的主回路电气原理图。

图5—10 PWM —M系统的主回路电气原理图

2.?交流伺服电机

交流伺服电机驱动是最新发展起来的新型伺服系统，也是当前机床进给驱动系统方面的一个新动向。该系统克服了直流驱动系统中电机电刷和整流子要经常维修、电机尺寸较大和使用环境受限制等缺点。它能在较宽的调速范围内产生理想的转矩，结构简单，运行可靠，用于数控机床等进给驱动系统为精密位置控制。

交流伺服电机的工作原理与两相异步电机相似 。然而 ，由于它在数控机床中作为执行元件，将交流电信号转换为轴上的角位移或角速度 ，所以要求转子速度的快慢能够反映控制信号的相位，无控制信号时它不转动。特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，若控制信号消失，它往往不能立即停止而要继续转动一会儿。

交流伺服电机也是由定子和转子构成。定子上有励磁绕组和控制绕组，这两个绕组在空间相差90°电角度。若在两相绕组上加以幅值相等、相位差90°电角度的对称电压，则在电机的气隙中产生圆形的旋转磁场。若两个电压的幅值不等或相位不为90°电角度，则产生的磁场将是一个椭圆形旋转磁场。加在控制绕组上的信号不同，产生的磁场椭圆度也不同。例如，负载转矩一定，改变控制信号，就可以改变磁场的椭圆度，从而控制伺服电机的转速。交流伺服电机的控制方式有三种：幅值控制、相位控制和幅值相位混合控制。图5--11所示为这三种控制方法的电气原理和矢量图。

图5—11交流伺服电机的控制方法