【正文】 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 矢量控制是很有發(fā)展前途的一種控制方案 ， 采用矢量變換的感應(yīng)電動機(jī)具有和直流電動機(jī)一樣的控制特點(diǎn) ， 具有結(jié)構(gòu)簡單 、 可靠 ， 電動機(jī)容量不受限制以及與同等直流電動機(jī)相比機(jī)械慣量小等優(yōu)點(diǎn) 。 為此 ， 利用等效概念 ， 將三相交流輸入電流變?yōu)榈刃У闹绷麟姍C(jī)中彼此獨(dú)立的激磁電流 If和電樞電流 Id， 然后和直流電機(jī)一樣 ， 通過對這兩個量的反饋控制 ， 實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制 。 在交流異步電機(jī)中 ， 磁極磁通量 Ф是一個矢量 ，由定子電流 I1和轉(zhuǎn)子電流 I2合成的電流 I0產(chǎn)生的 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩是由 Ф和 Id的相互作用而產(chǎn)生的 ， 由于 Ф與 Id無關(guān) ， 且勵磁繞組電路和電樞電路是各自獨(dú)立的 ， 因而可以通過分別調(diào)節(jié) If和 Id來進(jìn)行磁通控制和轉(zhuǎn)速 、 轉(zhuǎn)矩控制 。 交流異步電機(jī)矢量控制的基本思想是分析直流電動機(jī)和異步電動機(jī)旋轉(zhuǎn)原理不同而提出的一種控制方案 。 此外 ， 電機(jī)外形呈多邊形而非圓形 。 一般說來 ，交流主軸電機(jī)的結(jié)構(gòu)與一般鼠籠式異步電機(jī)不同 ，是專門設(shè)計(jì)的 。 交流主軸電機(jī)均采用鼠籠式異步電機(jī) 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 為實(shí)現(xiàn)上述的要求 ， 采用直流 、 交流主軸驅(qū)動系統(tǒng) 。 主軸驅(qū)動 對于主軸驅(qū)動 ， 既要求輸出較大功率 ， 又要求主軸結(jié)構(gòu)簡單；要改善主軸的動態(tài)性能 ， 需要主傳動有更大的無級調(diào)速范圍；有四象限的驅(qū)動能力等 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 目前 SPWM的生成方法有分立元件法 、 專用集成電路和微機(jī)生成幾種方法 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 圖 439為 SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖 。由于電動機(jī)繞組電感的濾波作用，使電流變成準(zhǔn)正弦波。 只要改變 fs就可改變輸出基波的頻率 。 SPWM的輸出脈沖的寬度正比于相交點(diǎn)的正弦控制波的幅值。 在正半周， VT1工作在調(diào)制狀態(tài)， VT4處于截止， U相繞組的相電壓為 +(1/2)Ed， 而當(dāng) VT1截止時，電機(jī)繞組中的磁場能量通過 VD10續(xù)流，使該繞組承受 (1/2)Ed電壓，從而實(shí)現(xiàn)了雙極性 SPWM調(diào)制特性。 而這兩種波形的交點(diǎn) ，決定了逆變器某相元件的通斷時間 ， 此時為 VT1和VT4的通斷 。 VD7～ VD12是續(xù)流二極管 ， 用來導(dǎo)通電動機(jī)繞組產(chǎn)生的反電勢 。 PWM采用正弦規(guī)律脈寬調(diào)制原理 ， 具有功率因數(shù)高 ， 輸出波形好等優(yōu)點(diǎn) ， 因而在交流調(diào)速系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用 。 （ 2） 交流伺服電動機(jī)的 PWM調(diào)速系統(tǒng) 圖 437所示為采用正弦波調(diào)制方法的 PWM變頻器 （ 稱為 SPWM變頻器 ） 的主回路 ， 這是一個雙極型 SPWM的通用型主回路 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 在交 直 交變頻中 ， 根據(jù)中間直流電壓是否可調(diào) ，分為中間直流電壓可調(diào) PWM逆變器和中間直流電壓固定的 PWM逆變器；根據(jù)中間直流電路上的儲能組件是大電容或大電感分為電壓型 PWM逆變器和電流型 PWM逆變器 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 圖 436b是交 直 交變頻 ， 它由擔(dān)任交 直變換的二極管整流器和擔(dān)任直 交變換 、 同時完成調(diào)頻和調(diào)壓任務(wù)的脈沖寬度調(diào)制逆變器組成 。 這個脈動交流電的基波就是所需變頻電壓 。 （ 1） 交流伺服電動機(jī)的調(diào)速主電路 變頻的方法改變電動機(jī)供電頻率的方法有：直接的交 交變頻和間接的交 直 交變頻 。 磁通增強(qiáng) ， 引起鐵芯飽和 、 勵磁電流急劇增加 ， 電動機(jī)繞組發(fā)熱 ， 可能燒毀電機(jī) 。 交流伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 在異步電動機(jī)的變頻調(diào)速中 ， 希望保持磁通不變 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 可見 ， 改變加到 VT1和 VT VT2和 VT4這兩組管子基極上控制脈沖的正負(fù)和導(dǎo)通率就可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 圖 435所示為 PWMM系統(tǒng)的主回路 ， 四個大功率三極管 VT1～ VT4組成電橋 。 圖 434所示電路只能控制電動機(jī)單方向旋轉(zhuǎn) 。 通常選開關(guān)頻率為 500～ rUUTτU d ==（ 422） 2500Hz， 頻率太低 ，電樞電流容易斷續(xù) ，使機(jī)械特性變壞 ， 精確度降低； Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 頻率過高 ， 三極管單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)換次數(shù)太多 ， 管耗增大 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 可見 ， 當(dāng) T不變 （ 頻率固定 ） 時 ， 只要改變接通時間 τ ， 就可改變電樞兩端的平均電壓 （ 如圖 τ1 → τ2 ， 則Udl→Ud2） ， 從而改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) （ 2） 直流電動機(jī)的脈寬調(diào)速原理 圖 434所示為脈寬調(diào)速原理示意圖 。 為一轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng) ， 系統(tǒng)的核心是晶體管脈寬放大器 。 由于具有響應(yīng)快 、 效率高 、 調(diào)速范圍寬 、 噪聲污染小 、 簡單可靠等優(yōu)點(diǎn) ， 而獲得廣泛應(yīng)用 。后來發(fā)展了一種晶閘管整流器 直流電動機(jī) （ SCRM） ，這種方法在深調(diào)速時電樞電流的波形很差 ， 使電動機(jī)的工作情況惡化 ， 限制了調(diào)速范圍的進(jìn)一步提高 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 直流伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 直流電動機(jī)調(diào)速主要是調(diào)整電樞電壓 。 這種系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡單 。 這里檢測組件是以鑒幅方式工作的；比較器所比較的是數(shù)字脈沖量 ， 而不是相位 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) （ 2） 幅值比較伺服系統(tǒng) 是以位置檢測信號的幅值大小來反映機(jī)械位移的數(shù)值 ， 并以此作為位置反饋信號與指令信號進(jìn)行比較構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng) ， 所用的位置檢測組件為旋轉(zhuǎn)變壓器或感應(yīng)同步器 ， 以幅值工作方式工作 。 鑒相器 將來自脈沖調(diào)相器的指令信號和實(shí)際位移反饋信號進(jìn)行比較 ， 求出相位差 ， 輸出與此相位差成正比的電壓信號 。 1 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 脈沖調(diào)相器 又稱為數(shù)字相位轉(zhuǎn)換器 ， 是將進(jìn)給脈沖信號 ，轉(zhuǎn)換為相位信號 ， 可用正弦信號或方波信號表示 。 圖 428為相位比較伺服系統(tǒng)框圖 。 如圖 427所示 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 閉環(huán)伺服系統(tǒng) 如圖 426所示 ， 為了獲得比開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)精度更高 、 速度更快 、 驅(qū)動功率更大的特性指標(biāo) ， 數(shù)控裝置設(shè)置了位置控制和速度控制兩個回路 。 仍以絲杠結(jié)構(gòu)為例 ， 假設(shè)要求實(shí)現(xiàn)在 2s內(nèi)走完 20mm。 程序執(zhí)行時 ， 取出相應(yīng)的脈沖個數(shù) ， 控制循環(huán)程序 （ 取脈沖 ） 的次數(shù) ， 以實(shí)現(xiàn)所要求的位移 。 因此 ， 要想平移 20mm， 需產(chǎn)生1200個步進(jìn)脈沖 ， 調(diào)用步進(jìn)脈沖子程序 ， 可編出位移 20mm的控制程序 。 機(jī)床上步進(jìn)電動機(jī)大都與絲杠結(jié)合使用 ， 將角位移轉(zhuǎn)化為直線位移 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 三相六拍方式的通電順序?yàn)?UUVVVWWWUU… ， 所以 P1口輸出如下控制字： （ W） （ V） （ U） 正轉(zhuǎn)的順序?yàn)? 001 011 010 110 100 101 001 U UV V VW W WU U 反轉(zhuǎn)的順序?yàn)? 001 101 100 110 010 011 001 U UW W WV V VU U 在控制字間還應(yīng)加入軟件延時來保證一定的時間間隔 ， 例如要求時間間隔為 1ms， 控制電動機(jī)按三相六拍方式正轉(zhuǎn)的程序框圖如圖 425所示 。 用軟件來代替硬件的環(huán)形分配器 ， 是用軟件改變 P1口低三位的輸出值 ， 來控制三相繞組的通電順序和方式 。 單片機(jī) P1口的低三位被設(shè)成輸出位 ， U相繞組通斷 ， V相繞組通斷 ， W相繞組通斷 。 軟件進(jìn)行脈沖分配 用軟件完成脈沖分配的優(yōu)點(diǎn)是線路簡化 ， 成本下降 ， 可以靈活地改變步進(jìn)電動機(jī)的控制方案 ， 而驅(qū)動功能由硬件完成 。 脈沖序列的周期和步進(jìn)電動機(jī)的步距有關(guān) 。 ， 。 步進(jìn)脈沖的產(chǎn)生與停止 ， 步進(jìn)脈沖的頻率和個數(shù)都可用軟件控制 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 硬件進(jìn)行脈沖分配