湖北西门子伺服驱动器总代理

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　　一、传统的选择方法

　　这里只考虑电机的动力问题，对于直线运动用速度v(t)，加速度a(t)和所需外力F(t)表示，它们均可以表示为时间的函数，与其他因素无关。很显然，电机的最大功率P电机，较大应大于工作负载所需的峰值功率P峰值，但仅仅如此是不够的，物理意义上的功率包含扭矩和速度两部分，但在实际的传动机构中它们是受限制的。

　　用T峰值表示较大值或者峰值。电机的较大速度决定了减速器减速比的上限，n上限= 峰值，较大/ 峰值，同样，电机的较大扭矩决定了减速比的下限，n下限=T峰值/T电机，较大，如果n下限大于n上限，选择的电机是不合适的。反之，则可以通过对每种电机的广泛类比来确定上下限之间可行的传动比范围。只用峰值功率作为选择电机的原则是不充分的，而且传动比的准确计算非常繁琐。

　　二、新的选择方法

　　一种新的选择原则是将电机特性与负载特性分离开，并用图解的形式表示，这种表示方法使得驱动装置的可行性检查和不同系统间的比较更方便，另外，还提供了传动比的一个可能范围。

　　这种方法的优点：适用于各种负载情况;将负载和电机的特性分离开;有关动力的各个参数均可用图解的形式表示并且适用于各种电机。因此，不再需要用大量的类比来检查电机是否能够驱动某个特定的负载在电机和负载之间的传动比会改变电机提供的动力荷载参数。

　　较更方便，另外，还提供了传动比的一个可能范围。

　　这种方法的优点：适用于各种负载情况;将负载和电机的特性分离开;有关动力的各个参数均可用图解的形式表示并且适用于各种电机。因此，不再需要用大量的类比来检查电机是否能够驱动某个特定的负载在电机和负载之间的传动比会改变电机提供的动力荷载参数。

　　以下将介绍一些伺服电机系统，涉及永磁同步电机以及感应异步电机。

　　一个伺服系统，不单单是一个电机。它是一个闭环的运动系统，包含了控制器、驱动器、电仪和反馈装置，通常一个还配有一个光学或磁编码器。

　　伺服系统能在采用永磁(permanent magnets ，PM)技术后同步机械，配以有刷或无刷PM电机，或在一个AC感应电机上建立异步机械系统。

　　永磁同步电机 有较高的峰值，以及持续的扭矩，适用于精确位移系统的高加速度和快速减速中的驱动伺服系统。扭矩与输入电流直接呈比例关系。电机轴速与输入的电压相关。输入电压越高，电机的速度就越高。扭矩和速度的比的曲线呈线性的。

　　永磁结构与电机气隙相关。如，无刷PM电机的结构，包含两个交互的磁结构，移动的转子(连接着永磁)和定子线圈产生电磁反应，从而出现电机的转矩和速度。

　　三相定子场能顺序产生能量，且PM转子跟随转子场一起完成同步运动。一个特定的电子补偿系统，用于检查转子位置，并为定子线圈加能量。无刷PM电机，在所有其他的电机中成为精确位移系统的可以选择，除了汽车应用以及**大电机系统中。无刷PM电机是仅有的伺服电机系统，能用于闭环扭矩、速度或位移系统。

　　不同的转子

　　AC感应电机拥有PM无刷电机同样的物理特性的定子，但它的转子结构完全不同。鼠笼结构的感应电机包含一系列的感应铝或铜条，放置在转子结构中，连接在末端线圈。

　　这些短转子条与定子的旋转磁场互有电磁耦合感应，产生一个新的转子场，并与定子场相互反应，形成转子运动。

　　在同步的定子和较慢的定子场，与实际的速度之间有差异。这个速度的差异就是所谓的滑差。输入的频率决定了电机的速度。

　　例如，一个60 Hz、两较的AC感应电机，无负载时的速度近3,600 rpm，一个四较AC电机运行速度低于1,800 rpm，根据滑差值的不用而有所不同。当电机开始转矩时，滑差增加，速度降低。

　　AC感应电机会输出更多的转矩，随着速度的降低，直至负载达到故障点，此时电机速度会遽降至零。一个固有的AC电机性能特点是，起始的转矩较小，必须在电机起始时卸去负载。

　　随着20世纪80年底变频器电子驱动的出现，电机特有的转矩-速度性能曲线，也发生了很大的改变。变频器的性能是，同时改变电压和频率，使用可调节或可变化的速度驱动，就能重新构建了转矩-速度曲线，AC感应电机是速度系统的主要环节。

　　如何使用

　　驱动技术在性能上的持续提高，将无刷PM和AC感应电机，也带入了驱动市场的竞争，但是无刷PM电机仍然在控制领域中占主导地位。AC感应电机不适应在低速和高速中使用。

　　在伺服位移系统中使用一个无刷PM电机，通常采用50 kW (67 hp)或更高的功率的系统。AC感应电机通常在恒速或变速系统中。混合的方案系统比较少见。其他电机也能部分实现，但是在性能上**过AC感应电机或无刷PM电机的方案较少。

　　无刷PM电机在速度控制中，对1 kW (1.37 hp)的DC有刷电机的速度控制或更小功率的应用市场中造成了一定的冲击。而AC感应电机则掌控了大部分的大于1MW的应用。

　目前，在数控机床进给驱动中采用的直流电机主要是大惯量宽调速永磁式直流伺服电机，本节将主要对这种电机进行分析介绍。

　　1.永磁直流伺服电机基本结构与特点

　　这种电机的基本结构如图所示，其同普通直流电机的结构类似，也是由定子、转子、电刷和换向器等组成。该种电机的定子磁较是个采用铝镍钴合金、钕铁硼、或稀土钴等材料所做成的*磁体，矫顽力很高，能够产生较大的峰值转矩以满足高的加、减速要求;且即使在较高的磁通密度下保持性能稳定(即不出现退磁)。转子的铁心上斜槽数目较多，且在一个槽内分布有几个虚槽以减少转矩波动。电刷的材料也经过仔细筛选，使得其可以在较大的加速度状态下也有良好的换向性能。低波纹测速机等其它检测元件如旋转变压器、脉冲编码器可以装在电机轴上，从而可得到精密的速度和位置检测信号，以反馈到速度控制单元和位置控制单元。该种电动机既具有一般直流电机便于调速、机械性能较好的优点，又具有小惯量直流电机快速响应性能的优势。

　　2.永磁直流伺服电机工作原理

　　直流电机工作原理的示意图如图所示。

　　在转子绕组中的任何一根导体，只要一转过中性线，从定子S较下的范围进入了定子N较下的范围，由于电刷和换向器的作用，那么这根导体上的电流一定要反向;反之则由定子N较下的范围进入定子S较下的范围时，导体上的电流也要发生反向。因此转子的总磁势正交，在转子磁场与定子磁场相互作用下产生了电机的电磁转矩，从而使电机转动。

　　机械特性是电机的静态特性，是稳定运行时带动负载的性能，此时，电磁转矩与外负载相等。当电机带动负载时，电机转速与理想转速产生转速差Δn，它反映了电机机械特性的硬度，Δn越小，表明机械特性越硬，性能越好。

直流伺服电机速度控制单元的作用是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。现代直流电机速度控制单元常多采用晶闸管(可控硅，SCR)调速系统和晶体管脉宽调制(PWM)调速系统。

　　1.晶闸管调速系统

　　1)晶闸管调速系统主电路

　　晶闸管调速系统采用的是大功率晶闸管，它的作用有两个，一是用作整流，将电网交流电源变为直流;二是在可逆控制电路中，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。晶闸管的整流电路有许多种，在数控机床中较常用是三相桥式反并联可逆电路。

　　如图所示的就是三相桥式反并联可逆电路。其由12个可控硅大功率晶闸管组成，晶闸管分两组，S11 ～S16为一组， S21 ～S26为一组。每组按三相桥式联接，两组反并联，分别实现正转和反转。反并联是指两组变流桥反极性并联，由一个交流电源供电。每组晶闸管都有两种工作状态：整流和逆变。一组处于整流工作时，另一组处于待逆变状态。在电机降速时，逆变组工作。

　　三相全控桥式电路的电压波形如图所示。图上所标出的晶闸管触发角 α为π/3。晶闸管以π/3的间隔按次序开通，每6个脉冲电机转1转。由于晶闸管 以较快的速率被触发，所以流经电机的电流几乎是连续的。

　　其工作过程如下：当ωt=π/6+α时，S11开通而在此之前S16已被开通了。因此，当A相电压波形在π/6+α<ωt<π/6+α+π/3区间时，晶闸管S11和S16导通，电机端子与A 相和B相接通，故Ud=UAB。当ωt=α+π/3+π/6时，晶闸管S12开通，电流流经S12，而S16由于受反向偏置而关断(自然或电网换向)。这时S11和S12导通，电机两端电压Ud=UAC。就这样，每隔π/3又有一只晶闸管被开通，之后就重复上述过程。

　　由波形图可见，只要改变触发角α的值，则就可以改变电机电压的输入值，进而调节直流电机电枢的电流值，达到调节直流电机速度的目的。

　　在图中，RW1为转速定位器，为转速偏差电压，Un为转速反馈电压，ΔUn为反馈偏差电压，A为比例放大器，Uct为触发控制电压，GT为晶闸管的触发控制装置。

　　系统的工作情况及自动调速过程如下：

　　当系统在某一较小的转速给定电压作用下启动时，开始一瞬间电机并未转动，故转速反馈电压Un=0，反馈偏差电压ΔUn=，通过放大器后，输出较大的Uct，触发器输出的触发角α将由起始状态时的90o下降，整流器输出电压也由Ud=0上升到某一较大的值，电机在这一电压作用下(电流不**过允许值时)启动运转。随着转速的上升，反馈电压Un上升，则转速偏差电压ΔUn下降，Uct随之下降，α上升，整流器输出电压Ud也下降，电动机转差率也下降，直到转速n接近给定转速，即反馈电压Un接近，电机即平稳运转。如前所述，电机转速只能接近给定转速，偏差大小与放大倍数紧密相关。但这种系统从原理上说就是有偏差的，故称为有差调速系统。

　　4)晶闸管供电转速电流双闭环直流调速系统

　　前面所述的转速负反馈单闭环调速系统实际上是不能用于数控机床进给系统，对于数控机床上要求高的调速系统，则要求快速启动、制动，动态速降要小等，通常采用转速电流双闭环系统。

　　转速电流双闭环调速系统如图所示。为了实现转速和电流两种反馈分别起作用，系统中设置了两个调节器，分别对转速和电流进行调节，两者之间实行串级联接。

　　2.晶体管直流脉宽(PWM)调速系统

　　1)晶体管调速系统主电路

　　开关功率放大器是脉宽调制速度单元的主回路，其结构形式有两种，一种是H型(也称桥式) ，另一种是T型。每种电路又有单极性工作方式和双极性工作方式之分，而各种不同的工作方式又可组成可逆开关放大电路和不可逆开关放大电路。

　　图示为广泛使用的H型开关电路的工作原理图，它是由四个二极管和四个功率管组成的桥式回路。直流供电电源+Ed由三组全波整流电源供电。脉宽调制器输出的脉冲波u1、u2、u3、u4经光电隔离器，转换成与各脉冲相位和极性相同的脉冲信号U1、U2、U3、U4，并将其加到开关功率管VT1～VT4的基较。当电机正常工作时，在0

　　双极性和单极性的电路原理图是一样的，所不同的是右边两个管子的驱动信号不同。

　　2)晶体管直流脉宽(Pulse Width Modulation,PWM)调速系统

　　(1)直流PWM伺服驱动装置的工作原理

　　PWM驱动装置是利用大功率晶体管的开关特性来调制固定电压的直流电源，按一个固定的频率来接通和断开，并根据需要改变一个周期内接通与断开时间的长短，通过改变直流伺服电动机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。

　　PWM控制的示意图如图所示，可控开关S以一定的时间间隔重复地接通和断开，当S接通时，供电电源U通过开关S施加到电动机两端，电源向电机提供能量，电动机储能;当开关S断开时，则中断电动机的能量供给。在开关S断开期间电枢电感所储存的能量则通过续流二极管VD使电动机电流继续流通。

　　假如加在电机两端为图所示的电压波形，则电机所获得的平均电压即为：

　　有式知：改变ton和toff即可改变转速，但这必须有相应的装置才能实现。图示的即为一种PWM驱动装置系统原理框图。

　　由图知：PWM驱动装置的控制结构可分为两大部分：从主电源将能量传递给电动机的功率转换电路以及控制电路。功率转换电路可为H型、T型功率放大电路;控制电路通常由恒频率波形发生器、脉冲宽度调制电路、基较驱动电路、保护电路等基本电路组成。

　　当三角形波电压UΔ 与直流电压Uk送入放大器后，如三角波**控制电压时，输出为“空”;反之，输出为“占”，改变控制电压Uk就可以改变占空比。其输出波形如图。

　　脉冲分配电路它根据功率转换电路工作制式，对V/W变换的信号进行适当的逻辑变换，分配给基较驱动电路以满足功率转换电路工作时通、断时序脉冲的电压要求。

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