【正文】 摘 要： PWM 控制的基本原理很早就已經(jīng)提出 ,但是受 電力電子器件 發(fā)展水平的制約 ,在上世紀 80 年代以前一直未能實現(xiàn) 。 研究 PWM 變頻器在數(shù)控 系統(tǒng)中的運用，具有十分重要的意義。 模擬電壓和電流可直接用來進行控制，如對汽車收音機的音量進行控制。模擬電路還可能對噪聲很敏感，任何擾動或噪聲都肯定會改變電流值的大小。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM進行編碼。 對噪聲抵抗能力的增強是 PWM 相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候?qū)?PWM 用于通信的主 要原因。 區(qū)間用 (Uvw+Uwu)表示 ,當將 Uvw和 Uwu作同樣處理時 ,就可以得到三相線電壓波形只有半周內(nèi)兩邊 60176。 直流斬波電路用 PWM 斬 波器實現(xiàn)。 改變 墜 有 三種方法：第一種就是保持開關(guān)管導通時間 T1 不變，使其關(guān)斷時間 T2 在 0 到 ∞ 之間變化，這叫定寬調(diào)頻；第二種就是使開關(guān)管關(guān)斷時間 T2 不變，使其導通時間 T1 在 0 到 ∞ 之間變化，這叫調(diào)寬調(diào)頻；第三種就是保持開關(guān)管導通和截止的總時間（也就是周期） T 一定，使管子導通時間 T1 在 0 到 T 間變化，這叫定頻調(diào)寬。 可見，只要控制 Ub Ub Ub Ub4 的脈沖寬度，就可控制電機的轉(zhuǎn)向和速度，且可以達到動態(tài)靜止，有利于正反轉(zhuǎn)死區(qū)電壓的消除。 電動機旋轉(zhuǎn)后，脈沖編碼器（ PC）發(fā)出的脈沖，經(jīng)斷線檢查器（ BL）確認無信號斷線之后，送到鑒相器（ DG），進行電動機的旋轉(zhuǎn)方向的識別。此時，電動機電樞回路工作可以分以下 4 步： 1） VTB 和 VTC 晶體管導通。 主回路按上述順序循環(huán)工作，從而形成對電動機的連續(xù)供電，使電動機正向旋轉(zhuǎn)。它具有以下特點： 1)采用特殊的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其氣隙磁密通常按正弦分布，實現(xiàn)了最小的轉(zhuǎn)矩波動。 6)驅(qū)動單元一般都采用大規(guī)模的專用集成電路，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、可靠性高。脈寬調(diào)制信號通過功率晶體管與電源回路的逆變，形成三相交流電，控制交流伺服電動機的電樞。 5）可以方便地產(chǎn)生 PWM信號，控制電動機調(diào)速。 6）對位置、速度、轉(zhuǎn)矩、電流等信息進行了集中管理、控制，可以避免機械共振。 5）主軸控制性能好。 圖 47 直流主軸驅(qū)動系統(tǒng)原理圖 圖 47 的上半部分為勵磁控制回路，由于主軸電動機功率通常較大，且要求恒功率調(diào)速范圍盡可能大，因此，一般采用他勵電動機，勵磁繞組與電樞繞組相互獨立，并由單獨的可調(diào)直流電源供電。 圖 48 交流主軸驅(qū)動系統(tǒng) 交流主軸驅(qū)動系統(tǒng) 與交流伺服驅(qū)動一樣，交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)也有模擬和數(shù)字式兩種型式，交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)與直流主軸驅(qū)動系統(tǒng)相比，具有如下特點： 1）由于驅(qū)動系統(tǒng)必須采用微處理器和現(xiàn)代控制理論進行控制，因此其運行平穩(wěn)、振動和噪聲小。轉(zhuǎn)矩給定指令經(jīng)絕對值回路 4將轉(zhuǎn)矩給定指令電壓轉(zhuǎn)化為單極性信號。 上述脈寬調(diào)制信號經(jīng) PWM 轉(zhuǎn)換器 15,最終控制電動機的三相電流。由于主軸電機調(diào)速范圍廣，又可無級調(diào)速，使得主軸箱的結(jié)構(gòu)大為簡化 。 交流主軸驅(qū)動中采用的主軸定向難?？刂品绞脚c直流驅(qū)動系統(tǒng)相同。 DA 振幅器用于產(chǎn)生與轉(zhuǎn)矩指令相對應的電動機定子電流的幅值，而 DA 勵磁強化回路用于控制增加定子電流的幅值。 5）由于交流主軸電動機無換向器，主軸電動機通常不需要進行維修 。 圖 48 為主軸定向準?？刂剖疽鈭D，當采用位置編碼器作為位置檢測器件時，為了控制主軸位置，主軸與編碼器之間必須是 1： 1傳動或?qū)⒕幋a器直接安裝在主軸軸端。 數(shù)控機床常用的直流主軸驅(qū)動系統(tǒng)的原理框圖如圖 47 所示。 2）直流主軸電動機通常采用全封閉的結(jié)構(gòu)形式，可以在有塵埃和切削液飛濺的工業(yè)環(huán)境中使用。通過比較圖 46 與圖 46 可以看出，與模擬式交流伺服系統(tǒng)相比，數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)具有下述明顯的優(yōu)點： 1）系統(tǒng)精度不受電子器件的溫度漂移影響；系統(tǒng)不需要采用自動漂移補償電路，結(jié)構(gòu)簡單，精度高 . 2）系統(tǒng)控制精度高，定位精度可達到 。 圖 45 交流模擬伺服系統(tǒng)的簡化框圖 數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)是隨著交流伺服控制技術(shù)、計算機技 術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的新穎交流伺服系統(tǒng)，它所用的元器件更少，通常只要一片專用大規(guī)模集成電路，如 FANUC 公司通常采用的是 MB651105, 專用大規(guī)模集成電路，這種結(jié)構(gòu)具有以下特點： 1）通過總線與調(diào)度，驅(qū)動系統(tǒng)的 CPU和信號處理器可以共用 RAM。 典型的交流模擬伺服系統(tǒng)原理如圖 44所示。 2)在 高速區(qū)仍然具有較好的轉(zhuǎn)矩特性，即：電動機的輸出特性 “ 硬度 ” 好。 圖 43 脈寬調(diào)制各點波形圖 交流伺服驅(qū)動系統(tǒng) 交流伺服電動機亦稱為無刷直流伺服電動機，它與直流電動機相比，由于無換向器，故克服了以上缺點，從而提高了機床的可靠性、快速性和整體性能。 3） VTB 和 VTC 晶體管導通。 速度控制單元 V的框圖與原理如圖 42 所示 。為了使實際機床位置分辨率與指令脈沖相對應，系統(tǒng)中通常都需要通過指令倍乘器 CRM.，對指令脈沖進行信頻 / 分頻變換。下面以 H 型結(jié)構(gòu)為例說明 PWM 雙極式驅(qū)動的電路工作原理， 如圖 32 所示。 則電機電樞端的平均電壓 Ua 為（ 1）式。 三、 PWM變頻器 在電機中的應用 隨著半導體技術(shù)的進步，電力電子技術(shù)飛速發(fā)展，使直流電機的傳動技術(shù)得到改進，以往普遍采用的三種基本調(diào)速方法，即：（ 1）改變電樞回路總電阻；（ 2）改變電樞的 供電電壓；（ 3）改變勵磁磁通，發(fā)展為晶閘管相控整流直流電機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)， 以及全波不控整流 — PWM 斬波直流電機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)。 PWM 技術(shù)的控制方法 采樣控制理論中有一個重要結(jié)論 :沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時 ,其效果基本相同 .PWM 控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎 ,對半導體開關(guān)器件的導通和關(guān)斷進行控制 ,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖 ,用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形 .按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制 ,既可改變逆變電路輸出電壓的大小 ,也可改變輸出頻率 . PWM 控制的基本原理很早就已經(jīng)提出 ,但是受 電力電子器件 發(fā)展水平的制約 ,在上世紀 80年代以前一直未能實現(xiàn) .直到進入上世紀 80年代 ,隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展 ,PWM 控制技術(shù)才真正得到應用 .隨著電力電子技術(shù) ,微電子技術(shù)和 自動控制技術(shù) 的發(fā)展以及各種新的理論方法 ,如現(xiàn)代控制理論 ,非線性系統(tǒng) 控制思想的應用 ,PWM 控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展 .到目前為止 ,已出現(xiàn)了多種 PWM 控制技術(shù) ,根據(jù) PWM 控制技術(shù)的特點 ,到目前為止主要有以下 9類方法 . PWM 法 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)裝置在早期是采用 PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技術(shù)來實現(xiàn)的 ,其逆變器部分只能輸出頻率可調(diào)的方波電壓而不能調(diào)壓 .等脈寬 PWM法正是為了克服 PAM法的這個缺點發(fā)展而來的 ,是 PWM法中最為簡單的一種 .它是把每一脈沖的寬度 均相等的脈沖列作為 PWM波 ,通過改變脈 沖列的周期可以調(diào)頻 ,改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓 ,采用適當控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化 .相對于 PAM 法 ,該方法的優(yōu)點是簡化了電路結(jié)構(gòu) ,提高了輸入端的功率因數(shù) ,但同時也存在輸出電壓中除基波外 ,還包含較大的諧波分量 . PWM 在上世紀 70 年代開始至上世紀 80 年代初 ,由于當時大功率晶體管主要為雙 極性 達林頓三極管 ,載波頻率一般不超過 5kHz,電機 繞組的電磁噪音及諧波造成的振動引起了人們的關(guān)注 .為求得改善 ,隨機 PWM 方法應運而生 .其原理是隨機改變開關(guān)頻率使電機電磁噪音近似為限帶白噪聲 (在線性頻率坐標系中 ,各頻率能量分布是均勻的 ),盡管噪音的總分貝數(shù)未變 ,但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強度大大削弱 .正因為如此 ,即使在 IGBT 已被廣泛應用的今天 ,對于載波頻率必須限制在較低頻率的場合 ,隨機 PWM 仍然有其特殊的價值 。占空比是接通時間與周期之比；調(diào)制頻率為周期的倒數(shù)。通過高分辨率 計數(shù)器 的使用， 方波 的 占空比 被 調(diào)制 用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。 盡管模擬控制看起來可能直觀而簡單，但它并不總是非常經(jīng)濟或可行的。 模擬信號的值可以連續(xù)變化，其時間和幅度的分辨率都沒有限制。 PWM 技術(shù) 的無級調(diào)速，軟啟動，恒轉(zhuǎn)矩輸出極大的滿足了機械加工設備對恒速度，恒轉(zhuǎn)矩的要求。數(shù)控機床無級變速系統(tǒng)主要有變頻主軸系統(tǒng)和伺服主軸系統(tǒng)兩種，一般采用直流或交流主軸電機。 PWM 控制技術(shù) 以其控制簡單 ,靈活和動態(tài)響應好的優(yōu)點而成為 電力電子技術(shù) 最廣泛應用的控制方式 ,也是人們研究的熱點。 直到進入上世紀80 年代 ,隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展 ,PWM 控制技術(shù)才真正得到應用 。 關(guān)鍵詞： PWM 技術(shù) ；伺服電機；數(shù)控系統(tǒng)；變頻器；運用 目錄 一、 設計要求??????????????????????????? ? 7 二、 PWM技術(shù)基礎 ?????????????????? ??????? 7 基本原理 ????????????????????? ????? 7 具體過程 ?????????????????????? ???? 7 PWM技術(shù)的優(yōu)點 ???????????????????? ??? 8