直流伺服电机速度控制单元解析，直流伺服电机的调速控制

　　伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。

　　直流伺服电机，它包括定子、转子铁芯、电机转轴、伺服电机绕组换向器、伺服电机绕组、测速电机绕组、测速电机换向器，所述的转子铁芯由矽钢冲片叠压固定在电机转轴上构成。

　　直流伺服电机特指直流有刷伺服电机——电机成本高结构复杂，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便（换碳刷），会产生电磁干扰，对环境有要求。因此它不可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。

　　直流伺服电机还包括直流无刷伺服电机——电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定，电机功率有局限做不大。容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护不存在碳刷损耗的情况，效率很高，运行温度低噪音小，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。

　　

　　直流伺服电机的速度控制单元

　　调速的概念有两个方面的含义：

　　（1） 改变电机转速：当指令速度变化时，电机的速度随之变化，并希望以最快的加减速达到新的指令速度值；

　　（2） 当指令速度不变化时，电机的速度保持稳定不变。

　　为调节电机转速和方向，需对直流电压的大小和方向进行控制，如何控制？

　　直流伺服电机速度控制单元的作用：将转速指令信号转换成电枢的电压值，达到速度调节的目的。

　　直流电机速度控制单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。

　　1、晶闸管调速系统

　　

　　在交流电源电压不变的情况下，当改变控制电压Un* 时，通过控制电路和晶闸管主电路改变直流电机的电枢电压Ud，得到控制电压Un*所要求的电机转速。电机的实际电压Un作为反馈与Un*进行比较，形成速度环，达到改善电机运行时的机械特性的目的。

　　晶闸管调速系统主电路采用大功率晶闸管。大功率晶闸管的作用：

　　（1）整流。将电网交流电源变为直流；将调节回路的控制功率放大，得到较高电压与较大电流以驱动电机。

　　（2）逆变。在可逆控制电路中，电机制动时，把电机运转的惯性能转变为电能，并回馈给交流电网，实现逆变。

　　为了对晶闸管进行控制，必须设有触发脉冲发生器，以产生合适的触发脉冲。该脉冲必须与供电电源频率及相位同步，保证晶闸管的正确触发

　　主回路由大功率晶闸管构成的三相全控桥式反并接可逆电路，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。

　　

　　各有一个可控硅同时导通，形成回路。为了保证合闸后两个串联的晶闸管能够同时导通或电流截止后再导通，必须对共阳极组的1个晶闸管和共阴极组的1个晶闸管同时发出触发脉冲。

　　2、PWM调速控制系统

　　原理：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，加到直流电动机的电枢上；通过调整控制方波脉冲宽度来改变电枢的平均电压，从而调节电机的转速。

　　

　　

　　直流电机电压的平均值

　　

　　其中，T为脉冲周期，Ton为导通时间

　　特点：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。

　　（1）PWM系统的组成

　　

　　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△）；

　　Ub——调制器输出的经脉冲分配、由基极驱动转换过来的脉冲电压。

　　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组成。

　　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。

　　（2）PWM系统的脉宽调制器

　　作用：将电压量转换成可由控制信号调节的矩形脉冲，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。

　　3、全数字直流调速系统

　　在全数字直流调速系统中，仅功率转换组件和执行组件的输入信号和输出信号为模拟信号，其余的信号都为数字信号，由计算机通过算法实现。

　　计算机的计算速度很高，在几毫秒内可以计算出电流环和速度环的输入、输出数值，产生控制方波的数据，从而控制电机的转速和转矩。全数字调速的特点是离散化，即在每个采样周期给出一次控制数据。

　　在一个采样周期内，计算机要完成一次电流环和速度环的控制数据的计算和输出，对电机的转速和转矩控制一次。

　　直流伺服电机的调速原理

　　组成：由磁极（定子）、电枢（转子）、电刷与换向片三部分组成。结构上做的细长一些，主要是为了减小转动惯量，从而满足伺服电机快速响应的要求。

　　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，产生电磁转矩。

　　

　　电流方向为：N极下的有效边中的电流总是一个方向，而S极上的有效边中的电流总是另一个方向。这样使两个边上受到的电磁力的方向一致，电枢因而转动。因此，当线圈的有效边从 N极下转到S极下时，其中电流的方向必须同时改变，以使电磁力的方向不变。这必须通过换向器得以实现。

　　

　　电磁转矩

　　

　　感应电势与转速关系

　　

　　电枢回路电压平衡方程式

　　

　　他励式直流伺服电机的转速公式

　　

　　直流电机转速与转矩的关系n=f（T）称机械特性（静态特性）。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（转矩对转速变化的影响程度越小），机械特性越硬。

　　

　　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。电枢电阻调速很少采用，其缺点：不经济，要得到低速，R很大，则消耗大量电能；低速，特性很软，运转稳定性很差；调节平滑性差，操作费力。

　　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。

　　

　　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。