直流伺服電機速度控制單元解析，直流伺服電機的調速控制

　　伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動控制系統中，用作執行元件，且具有機電時間常數小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉現象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。

　　直流伺服電機，它包括定子、轉子鐵芯、電機轉軸、伺服電機繞組換向器、伺服電機繞組、測速電機繞組、測速電機換向器，所述的轉子鐵芯由矽鋼沖片疊壓固定在電機轉軸上構成。

　　直流伺服電機特指直流有刷伺服電機——電機成本高結構復雜，啟動轉矩大，調速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護不方便（換碳刷），會產生電磁干擾，對環境有要求。因此它不可以用于對成本敏感的普通工業和民用場合。

　　直流伺服電機還包括直流無刷伺服電機——電機體積小，重量輕，出力大，響應快，速度高，慣量小，轉動平滑，力矩穩定，電機功率有局限做不大。容易實現智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護不存在碳刷損耗的情況，效率很高，運行溫度低噪音小，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環境。

　　直流伺服電機的速度控制單元

　　調速的概念有兩個方面的含義：

　　（1） 改變電機轉速：當指令速度變化時，電機的速度隨之變化，并希望以最快的加減速達到新的指令速度值；

　　（2） 當指令速度不變化時，電機的速度保持穩定不變。

　　為調節電機轉速和方向，需對直流電壓的大小和方向進行控制，如何控制？

　　直流伺服電機速度控制單元的作用：將轉速指令信號轉換成電樞的電壓值，達到速度調節的目的。

　　直流電機速度控制單元常采用的調速方法：晶閘管（可控硅）調速系統；晶體管脈寬調制（PWM）調速系統。

　　1、晶閘管調速系統

　　在交流電源電壓不變的情況下，當改變控制電壓Un* 時，通過控制電路和晶閘管主電路改變直流電機的電樞電壓Ud，得到控制電壓Un*所要求的電機轉速。電機的實際電壓Un作為反饋與Un*進行比較，形成速度環，達到改善電機運行時的機械特性的目的。

　　晶閘管調速系統主電路采用大功率晶閘管。大功率晶閘管的作用：

　　（1）整流。將電網交流電源變為直流；將調節回路的控制功率放大，得到較高電壓與較大電流以驅動電機。

　　（2）逆變。在可逆控制電路中，電機制動時，把電機運轉的慣性能轉變為電能，并回饋給交流電網，實現逆變。

　　為了對晶閘管進行控制，必須設有觸發脈沖發生器，以產生合適的觸發脈沖。該脈沖必須與供電電源頻率及相位同步，保證晶閘管的正確觸發

　　主回路由大功率晶閘管構成的三相全控橋式反并接可逆電路，分成二大部分（Ⅰ和Ⅱ），每部分內按三相橋式連接，二組反并接，分別實現正轉和反轉。

　　各有一個可控硅同時導通，形成回路。為了保證合閘后兩個串聯的晶閘管能夠同時導通或電流截止后再導通，必須對共陽極組的1個晶閘管和共陰極組的1個晶閘管同時發出觸發脈沖。

　　2、PWM調速控制系統

　　原理：利用大功率晶體管的開關作用，將直流電壓轉換成一定頻率的方波電壓，加到直流電動機的電樞上；通過調整控制方波脈沖寬度來改變電樞的平均電壓，從而調節電機的轉速。

　　直流電機電壓的平均值

　　其中，T為脈沖周期，Ton為導通時間

　　特點：控制電路簡單，不需附加關斷電路，開關特性好。廣泛應用中、小功率直流伺服系統。

　　（1）PWM系統的組成

　　USr——速度指令轉化過來的直流電壓；

　　U△——三角波；

　　USC——脈寬調制器的輸出（USr+U△）；

　　Ub——調制器輸出的經脈沖分配、由基極驅動轉換過來的脈沖電壓。

　　控制回路：速度調節器、電流調節器、固定頻率振蕩器及三角波發生器、脈寬調制器和基極驅動電路組成。

　　區別：與晶閘管調速系統比較，速度調節器和電流調節器原理一樣。不同的是脈寬調制器和功率放大器。

　　（2）PWM系統的脈寬調制器

　　作用：將電壓量轉換成可由控制信號調節的矩形脈沖，為功率晶體管的基極提供一個寬度可由速度指令信號調節的脈寬電壓。

　　組成：調制信號發生器（三角波和鋸齒波兩種）和比較放大器。

　　3、全數字直流調速系統

　　在全數字直流調速系統中，僅功率轉換組件和執行組件的輸入信號和輸出信號為模擬信號，其余的信號都為數字信號，由計算機通過算法實現。

　　計算機的計算速度很高，在幾毫秒內可以計算出電流環和速度環的輸入、輸出數值，產生控制方波的數據，從而控制電機的轉速和轉矩。全數字調速的特點是離散化，即在每個采樣周期給出一次控制數據。

　　在一個采樣周期內，計算機要完成一次電流環和速度環的控制數據的計算和輸出，對電機的轉速和轉矩控制一次。

　　直流伺服電機的調速原理

　　組成：由磁極（定子）、電樞（轉子）、電刷與換向片三部分組成。結構上做的細長一些，主要是為了減小轉動慣量，從而滿足伺服電機快速響應的要求。

　　工作原理：直流電源接在兩電刷間，電流通入電樞線圈，切割磁力線，產生電磁轉矩。

　　電流方向為：N極下的有效邊中的電流總是一個方向，而S極上的有效邊中的電流總是另一個方向。這樣使兩個邊上受到的電磁力的方向一致，電樞因而轉動。因此，當線圈的有效邊從 N極下轉到S極下時，其中電流的方向必須同時改變，以使電磁力的方向不變。這必須通過換向器得以實現。

　　電磁轉矩

　　感應電勢與轉速關系

　　電樞回路電壓平衡方程式

　　他勵式直流伺服電機的轉速公式

　　直流電機轉速與轉矩的關系n=f（T）稱機械特性（靜態特性）。電機轉速與理想轉速的差Δn，反映了電機機械特性硬度，Δn越小（轉矩對轉速變化的影響程度越小），機械特性越硬。

　　直流電機的基本調速方式有三種：調節電阻Ra、調節電樞電壓Ua和調節磁通Φ的值。電樞電阻調速很少采用，其缺點：不經濟，要得到低速，R很大，則消耗大量電能；低速，特性很軟，運轉穩定性很差；調節平滑性差，操作費力。

　　調節電樞電壓（調壓調速）時，直流電機機械特性為一組平行線，只改變電機的理想轉速n0，保持了原有較硬的機械特性，所以調壓調速主要用于伺服進給驅動系統電機的調速。如果Δn值較大，不可能實現寬范圍的調速。永磁式直流伺服電機的Δn值較小，因此，進給系統常采用永磁式直流電機。

　　調節磁通（調磁調速）不但改變了電機的理想轉速，而且使直流電機機械特性變軟，所以調磁調速主要用于機床主軸電機調速。