數控機床的伺服驅動系統設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 成一個電壓，使VT3導通，80V的高壓經高壓管VT3加到繞組W上，使電流迅速上升，當VT2進入穩定狀態后，T1一次側電流暫時恒定，無磁通量變化時，二次側感電壓為零，VT3截止。這時，12V低電壓經VD1加到電動機繞組W上并維持繞組中的電流。其特點：僅在脈沖開始時接通高壓電源，其余時間僅接通低壓電源供電。具有功效高、電流上升率高、高速運轉性能好，但波形陡有時存在過沖現象，諧波豐富，在低速運轉時易產生振動。圖315（b）為采用單穩觸發器組成的高低壓控制電路原理。當輸入端為低電平時。低壓部分的VMOS管VF2柵極為低電平，VF2截止。同時單穩態電路VF1不觸發，Q端6腳輸出高電平，開關管VT1飽和導通，高壓管VF2柵極為低電平，VF1截止，繞組無電流。當輸入端輸入脈沖，VF2的柵極為高電平，則低壓管VF2導通。同時脈沖的上升沿使4528單穩態電路觸發，Q端6腳輸出低電平，這時開關管VT1截止，高壓管VF1導通。 （a） （b）圖 36 高低壓功率放大電路3） 斬波驅動電路 由于雙電壓驅動電路存在著電流在高低壓連接處出現谷點，造成高頻輸出轉矩在谷點下降。斬波恒流放大電路是利用斬波方法使電流恒定在額定值附近。環形分配器輸出的脈沖作為輸入信號，若脈沖為正，則VT1和VT2導通，電壓U1加在電機繞組上使電流增加，當電流增大至額定電流以上時，采樣電阻上的電壓增高，使控制門輸出反響信號，讓VT1截止，繞組上的電流由U2提供，電流逐漸降低，取樣電阻上的電壓降低，反饋回的信號使控制門輸出信號再一次反向，信號經放大后促使VT1再次導通，如此循環往復，便在繞組上產生如圖37所示波形，電流在額定電流值上下波動，呈鋸齒形，近似恒流所以叫做恒流斬波驅動電路。為了使勵磁繞組中的電流維持在額定值附近，提高步進電動機的轉矩和效率，所以采用斬波驅動電路。這種電路結構復雜，但它使步進電動機的運行矩頻特性、啟動矩頻特性和慣頻特性都有明顯的提高，使繞組中的脈沖電流邊沿陡，快速響應好，且無外接電阻，所以功耗下降很多，提高了效率，還保證了在很大的頻率范圍內，步進電機都能輸出恒定的轉矩。所以斬波恒流放大電路廣泛應用在要求較高的控制系統中圖37 斬波驅動電路4) 調頻調壓驅動電路 調頻調壓驅動電路如圖38所示，它可分為三部分：開關調壓、調頻調壓控制和功率放大，電壓一般與頻率呈線性關系，在理想條件下，保持步進電動機的力矩不變，電源電壓將隨著工作頻率的升高而升高，隨著工作頻率的下降而下降。調頻調壓驅動能夠減小低頻振動，低速時繞組電流上升的前沿應較平緩，這樣才能使轉子在到達新的穩定平衡位置時不產生過沖。而在高速時電流則應有較陡的前沿，以產生足夠的繞組電流，這樣才能提高步進電機的負載能力。這就要求驅動電源對繞組提供的電壓與電動機運行頻率建立直接聯系，即低頻時用較低的電壓供電，高頻使用較高的電壓供電，調頻調壓驅動方式可以較好地滿足這一要求。 5）步進電機的細分驅動技術 采用細分驅動電路的目的：整步運轉或半步運轉基礎上，不改變步進電機結構，提高步進電機的運轉、控制精度 。細分驅動電路的基本工作原理 ：對每一控制脈沖，細分使其電流逐步增加達到脈沖的最大電流，又逐步減少達到脈沖的最小電流，從而可實現高精度運轉、控制、分辨，以及提高步進精度。把額定電流分成n個極分別進行通電，轉子就會以n個通電極別所決定的步數來完成原有一個步距角所轉過的角度，使原來的每個脈沖走過一個步距角，變成了每個脈沖走1/n個步距角，即把原來一個步距角細分成n份，從而提高了步進電機的精度。三相步進電動機線性細分后，原來一相的一個大脈沖由現在的n個階梯脈沖替。 通過細分驅動可得到更小的脈沖當量，因而提高了定位精度。基本上消除了步進電機的低速振動問題，使步進電機低速運轉平穩，沒有噪聲。圖39為多路功率開關細分電路工作原理：由基極開關電壓U1～U5控制多路功率開關管VTd1 ～ VTd5的通斷，從而控制功放管VT的導通電流大小，即步進電機線圈繞組電流的大小，實現對步進電機步進量的細分。特點：功率開關管工作在開關狀態，功耗很低，但器件多、體積大。 35 步進電機驅動方案的選擇通過上述介紹的幾種驅動方式相比斬波恒流驅動具有高頻響應性能好輸出轉矩均勻無共振現象等優點從而成為當今步進電機驅動的主要方式。步進電機的使用性能和它的驅動電源有著密切的關系步進電機的恒流斬波驅動技術從一定程度上解決了步進電機運行中的一些問題如電源效率低、電流波形差等。斬波恒流驅動電路對步進電動機的控制在成本、電路結構、實用場所等方面綜合條件尤為優秀。圖310為步進電機的驅動控制圖，它由兩部分組成第一部分是斬波恒流驅動電路原理圖，第二部分則是集成觸發器型環形分配器的電路原理圖。 圖 310 斬波恒流驅動電 當輸入為脈沖為高電平時，信號分為兩路，第一路經過非門U7，輸出低電平，光電開關正向導通，開始工作，觸發電壓使IGBT管Q2導通，另一路信號到與門U8同比較器輸出信號相與，輸出高電平，經非門U2取反，輸出低電平，光電開關U4導通，觸發電壓使IGBT管Q1導通，電機繞組上的電流逐漸增大，當電流增大到額定電流以上時，采樣電阻R7上的電壓增大，反饋電壓增大，比較器輸出低電平，經非門輸出高電平，光電開關U4停止工作，IGBTQ1截止，電機繞組由12V電源提供電流，電流逐漸減小，當電流小于額定值時，采樣電阻反饋回的電壓減小，與非門輸出低電平，光電開關U4工作，IGBT管Q1接著工作，繞組電流又逐漸增大。當輸入端的脈沖信號為低電平時，兩只IGBT管都不導通。電壓比較器TLC372是單通道的比較器，該電路克服了上一個電路在非0V恒定電壓不能比較正弦波的情況。電路圖中使用三個電壓比較器，用于控制其中一個IGBT的通斷，TCL372能夠滿足驅動要求。圖使用三個與非門，用于對所給信號相與取反，實現對IGBT的導通關斷的控制。光電開關的限流電阻選為330Ω，因光電二極管的電流為10mA左右，壓降為2V左右，電源電壓在5V時限流電阻R=（5V2V）/=300Ω，選用330Ω的電阻滿足要求。二極管D3起續流保護作用，IN5401最大能夠承受的正向電壓為100V，電流3A，能夠滿足設計要求，所串電阻可以使電流下降更快，讓繞組后沿波形變陡，阻值越大，耗能越快，選用1K的電阻滿足設計要求，采樣電阻R7一般很小。目前IGBT的通斷驅動功率小，開關速度快，通態壓降低，是一種高電壓和大電流的開關器件，本設計中因電壓較低，選用IRG4BC10U的管子，它能承受的4A電流和10KV電壓，能夠在保證開關頻率的同時簡化電路。具體元器件如表32所示. 表32 電路中的元器件元器件名型號數量參數環形分配器CH2501可分配雙三拍，三相六拍與門74LS683有0出0，全1出1非門NOT6取反光電開關OPTOCOUPLERNPN6上拉電阻330歐姆，電壓5V功率三極管IRG4BC10U3承載電流4A、電壓10KV，壓降2V二極管DIODE、1N54016正向壓降100V，導通電流3A，壓降2V電壓比較器TLC327336 交流伺服系統1）交流伺服電機概述。1800年伏特發明電池，是電氣出現的開端，電動機的誕生和發展在這之后可以分成四個階段：從1820年一直到整個19世紀末葉，發現了電磁現象以及相關的各種法則，誕生了交流電機的原型，并確立了電機的工業運用。從20世紀開始一直到1970年代，是電動機的成長和成熟期，有刷直流電機、感應電動機、同步電動機和步進電動機等各種電機相繼誕生，半導體驅動技術和電子控制概念引入，帶來變頻驅動的實用化。從1970年代到20世紀末期，計算技術的飛躍發展為發展高性能驅動帶來了機會，隨著設計、評價、測量、控制、功率半導體、軸承、磁性材料、絕緣材料、制造加工技術的不斷進步，電動機本體經歷了輕量化、小型化、高效化、高力矩輸出、低噪音振動、高可靠、低成本等一系列變革，相應的驅動和控制裝置也更加智能化和程序化。進入21世紀，在以多媒體和互聯網為特征的信息時代，電動機和驅動裝置繼續發揮支撐作用，向節約資源、環境友好、高效節能運行的方向發展。在20世紀60年代，最早是直流電機作為主要執行部件，在70年代以后，交流伺服電機的性價比不斷提高，逐漸取代直流電機成為伺服系統的主導執行電機。控制器的功能是完成伺服系統的閉環控制，包括力矩、速度和位置等。我們通常說的伺服驅動器已經包括了控制器的基本功能和功率放大部分。雖然采用功率步進電機直接驅動的開環伺服系統曾經在90年代的所謂經濟型數控領域獲得廣泛使用，但是迅速被交流伺服所取代。進入21世紀，交流伺服系統越來越成熟，市場呈現快速多元化發展，國內外眾多品牌進入市場競爭。目前交流伺服技術已成為工業自動化的支撐性技術之一。在交流伺服系統中，電動機的類型有永磁同步交流伺服電機（PMSM）和感應異步交流伺服電機（IM），其中，永磁同步電機具備十分優良的低速性能、可以實現弱磁高速控制，調速范圍寬廣、動態特性和效率都很高，已經成為伺服系統的主流之選。而異步伺服電機雖然結構堅固、制造簡單、價格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大功率場合得到重視。隨著電子電力等各項技術的發展，特別是現代控制理論的發展，在矢量控制算法方面的突破，原來一直困擾著交流電動機的問題得以解決，交流伺服發展地越來越快。交流伺服系統除了具有穩定性好、快速性好、精度高的特點外，與直流伺服電機系統相比有一系列優點:交流電機不存在換向器圓周調速限制， 也不存在電樞元件中電抗電勢數值限制，其轉速限制可以設計得比相同功率的直流電機高；調速范圍寬，目前大多數的交流伺服電機的變速比可以達到 1:5000，高性能的伺服電機的變速比已達 1:10000 以上。在數控機床上應用的交流電機一般都為三相交流伺服電機。交流伺服電機依據電機運行原理不同，可分為永磁同步式、永磁直流無刷式、感應式、磁阻同步式交流伺服電機。永磁式同步電機的優點是結構簡單、運行可靠、效率高；缺點是體積大、啟動特性欠佳。但采用高剩磁感應、高矯頑力的稀土類磁鐵材料后，電機在外形尺寸、質量及轉子慣量方面都比直流電機大幅減小。所以，在機床進給驅動系統采用永磁式同步電機，主軸驅動系統可采用異步交流伺服電機【9】。 2）永磁式三相交流同步電機伺服系統。永磁式同步型交流伺服電動機的工作原理。交流伺服電動機的轉子是一個具有兩個極的永磁體(也可以是多極的)。如圖311所示按照電動機學原理，當電動機的定子三相繞組接通三相交流電源時，就會產生旋轉磁場(Ns，Ss)以同步轉速ns逆時針方向旋轉。根據兩異性磁極相吸的原理，定子磁極Ns(或Ss)緊緊吸住轉子，以同步轉速ns在空間旋轉，即轉子和定子磁場同步旋轉。當轉子加上負載轉矩后，轉子磁極軸線將落后定子磁場軸線一個θ夾角。轉子的負載轉矩增大時，定子磁極軸線與轉子磁極軸線間的夾角θ增大；當負載轉矩減小時θ角減小。但只要負載不超過一定的限度，轉子就始終跟著定子旋轉磁場同步轉動，此時轉子的轉速只決定于電源頻率和電動機的極對數，而與負載大小無關。當負載轉矩超過一定的限度，電動機就會“丟步”，即不再按同步轉速運行直至停轉。這個最大限度的轉矩稱為最大同步轉矩，因此，使用永磁式同步電動機時，負載轉矩不能大于最大同步轉矩。2)交流電動機調速原理 圖 311 永磁式伺服電機工作原理由電動機學基本原理可知，交流電動機的同步轉n0為： 式中 f1——定子供電頻率，單位Hz，P——電動機定子繞組磁極對數；從公式可以看出：平滑改變定子供電電壓頻率f1而使轉速平滑變化，這就是變頻調速方法。這是交流電動機的一種理想調速方法。電動機從高速到低速其轉差率都很小，因而變頻調速的效率和功率因數都很高。目前，數控機床主要采用變頻調速等先進交流調速技術。 變頻調速的主要環節是為電機提供頻率可變電源的變頻器。變頻器可分為交—交變頤和交直交變頻兩種。交交變頻，利用可控硅整流器直接將工頻交流電變成頻率較低的脈動交流電，正組輸出正脈沖，反組輸出負脈沖。這個脈動交流電的基波就是所需的變頻電壓。但這種方法所得到的交流電中波動比較大，而且最大頻率即為變額器輸入的工頻電壓頻率。在交—直變額，它先將交流電整流成直流電，然后將直流電壓變成脈沖波電壓，這個矩形脈沖波的基被頻率就是所需的變頻電壓。這種調頻方式所得交流電的波動小，調頻范圍比較寬，調節線性好。數控機床上常采用交—直—交變頻調速。在交—直—交變頻中，根據中間直流電壓是否可調，可分為中間直流電壓可調PWM逆變器和中間直流電壓固定的PWM逆變器；中間直流電路上的儲能元件是大電容還是大電感，可分為電壓型逆變器和電流型逆變器。在此以交—直—交型電壓變頻器為例說明變頻工作原理[10]。正弦脈寬調制（SPWM）變壓變頻器的組成如圖312所示 ； 圖 312 正弦脈寬變頻器主電路圖組成二極管整流器，用于交直變換；脈寬調制逆變器，用于直交變換、同時完成調頻和調壓任務。續流二極管D1~D6，為負載的滯后電流提供一條反饋到電源的通路，逆變管T1~ T6組成逆變橋，A、B、C為逆變橋的輸出端。電容用于濾平全波整流后的電壓波紋；并在負載變化時，使直流電壓保持平穩。交流電機變頻調速系統中的關鍵部件之一就是逆變器，由于調速的要求，逆變器必須具有頻率連續可調、以及輸出電壓連續可調，并與頻率保持一定比例關系等功能。 變頻器的基本概念。1964年德國人率先提出脈寬調制變頻思想，把通訊系統中的調制技術應用于交流變頻器。調制方法很多，目前用得最多的是正弦脈寬調制。為了使變壓變頻器輸出交流電壓的波形近似為正弦波，使電動機的輸出轉矩平穩，從而獲得優秀的