兰州交通大学：《数控机床及其应用》课程PPT教学课件（2015）第八讲 直流伺服驱动系统

敬控技术及编爱 第八讲直流何服驱动拉制 主讲陈德道

第八讲 直流伺服驱动控制 主讲 陈德道

第三节直流同服驱动控制 直流同服电动机的工作原理 ☒无法显示该图片。 就原理市言，一台普通的直流电机也可认 为就是一$直流伺服电机。因为当一台直流 电机加以俥定励磁，若电枢（多相线圈）不加 电压，电机不会旋转；当外加某一电枢电压 时，电机将以某一转速旋转，改变电枢两端 的电压，即可改变电机转速，这种控制叫电 枢控制。当电枢加以恒定电流，改变励磁电 压时，同样可达到上述的控制目的，这种方 法叫磁场搾制。直流伺服电机一般都采用电 枢控制。 页 目录 上一页 下一页 后退 退出

第三节 直流伺服驱动控制 一．直流伺服电动机的工作原理 就原理而言，一台普通的直流电机也可认 为就是一台直流伺服电机。因为当一台直流 电机加以恒定励磁，若电枢(多相线圈)不加 电压，电机不会旋转；当外加某一电枢电压 时，电机将以某—转速旋转，改变电枢两端 的电压，即可改变电机转速，这种控制叫电 枢控制。当电枢加以恒定电流，改变励磁电 压时，同样可达到上述的控制目的，这种方 法叫磁场控制。直流伺服电机一般都采用电 枢控制

第三节直流同服驱动控制 二。直流同服电动机的分类 直流电机 按其励磁方式分为永磁式、励磁式（他励、并励、串励、复 励)、混合式（励磁和永磁合成）三种： 按电郴结构分为有槽、无槽、印刷绕组、空心杯形等： 按输出量分为位置、速度、转矩（或力）三种控制系统： 按运动模式分为增量式和连续式： 按性能特点及用途不同又有不同品种。 主页 目录 上一页 下一页 后退 退出

第三节 直流伺服驱动控制 二．直流伺服电动机的分类 直流电机 按其励磁方式分为永磁式、励磁式(他励、并励、串励、复 励)、混合式(励磁和永磁合成)三种； 按电枢结构分为有槽、无槽、印刷绕组、空心杯形等； 按输出量分为位置、速度、转矩(或力)三种控制系统； 按运动模式分为增量式和连续式； 按性能特点及用途不同又有不同品种

第三节直流同服驱动控制 三. 常用直流同服电动机的特点 他励电机（和永磁电机）适合于数控机床，而这类电机在实际应用中， 习惯上按棋性能特点又有小惯量直流伺服电机和宽调速直流伺服电机之 分。 1.小惯量直流伺服电机 小惯量直流伺服电机以电枢惯量小而得名。这类电机一般为永磁式， 它的电枢结构多为无槽、印刷绕组或空心杯形三种。 无槽电枢的电枢铁心上没有槽，为一光滑的由硅钢片叠成的圆柱体， 电枢绕组内成型的线圈元件组成，用环氧树脂和玻璃布带直接固定在铁 心表面上 印刷饶组电枢为多层薄片圆盘，以环氧树脂布胶板为基枫，两侧胶 合铜箔.用印刷电路法制成双面电抠绕组，电刷直接作用在印刷绕组上。 空心杯形电枢是用漆包线编制成杯形，用环氧树脂将其固化成一整 体， 且无铁心以减小电枢直径，并增强其刚性。 退 出

第三节 直流伺服驱动控制 三．常用直流伺服电动机的特点 他励电机(和永磁电机)适合于数控机床，而这类电机在实际应用中， 习惯上按其性能特点又有小惯量直流伺服电机和宽调速直流伺服电机之 分。 1．小惯量直流伺服电机 小惯量直流伺服电机以电枢惯量小而得名。这类电机一般为永磁式， 它的电枢结构多为无槽、印刷绕组或空心杯形三种。 无槽电枢的电枢铁心上没有槽，为一光滑的由硅钢片叠成的圆柱体， 电枢绕组为成型的线圈元件组成，用环氧树脂和玻璃布带直接固定在铁 心表面上。 印刷绕组电枢为多层薄片圆盘，以环氧树脂布胶板为基板，两侧胶 合铜箔．用印刷电路法制成双面电抠绕组，电刷直接作用在印刷绕组上。 空心杯形电枢是用漆包线编制成杯形，用环氧树脂将其固化成一整 体，且无铁心以减小电枢直径，并增强其刚性

第三节直流同服驱动控制 三。常用直流句服电动机的特点 小惯量龟建以减小电机电枢转动惯量来提高动态响应的速度，但由 于电机的转动惯量小，机床惯量大，须经过齿轮传动，而且电刷易磨损， 使用效果并不十分理想。而宽调速电机则是通过提高转矩来改善其性能， 且具有过载能力强、调速范围宽、可与机床进给丝杠直接连接等优点，故 在闭环伺服系统中得到较为广泛的应用。 宽调速电机按励磁方法不同可分为励磁式和永磁式两种。励磁式的特 点是励磁大小易于调整，便于设置补偿绕组和换向器，所以电机换向性能 好，成本低，能在较宽的速度范围内得到恒转矩特性，但温升高。永磁式 般无换向极和补偿绕组，换向性能受到一定限制，但因不需要励磁功率， 因而效率高且低速时输出转矩大，温升低，尺寸小。两者相比，后者在数 控机床中的应用较多，所以一般讲永磁直流伺服电机亦指永磁式宽调速直 流伺服电机。 主页 录 后退 出

第三节 直流伺服驱动控制 三．常用直流伺服电动机的特点 小惯量电机是以减小电机电枢转动惯量来提高动态响应的速度，但由 于电机的转动惯量小，机床惯量大，须经过齿轮传动，而且电刷易磨损， 使用效果并不十分理想。而宽调速电机则是通过提高转矩来改善其性能， 且具有过载能力强、调速范围宽、可与机床进给丝杠直接连接等优点，故 在闭环伺服系统中得到较为广泛的应用。 宽调速电机按励磁方法不同可分为励磁式和永磁式两种。励磁式的特 点是励磁大小易于调整，便于设置补偿绕组和换向器，所以电机换向性能 好，成本低，能在较宽的速度范围内得到恒转矩特性，但温升高。永磁式 一般无换向极和补偿绕组，换向性能受到一定限制，但因不需要励磁功率， 因而效率高且低速时输出转矩大，温升低，尺寸小。两者相比，后者在数 控机床中的应用较多，所以一般讲永磁直流伺服电机亦指永磁式宽调速直 流伺服电机

第三节直流间服驱动控制 主页 目录 上一页 下一页 后退 退出

第三节 直流伺服驱动控制 图 4-2 直流伺服电动机

第三节直流同服驱动控制 四、直流同服电动机的速度控制 ☒无法显示该图片 电枢路的电压平衡方程式为 =IR。+E。 为电枢上的外加电压E。为电枢反电势R。为电枢电阻 Ha=K。Φo 其中：K。为电势常数 为电机转速（角速度） 0 K.Φ KΦ 主页。 目录 上一页 下一页 后退 退出

第三节 直流伺服驱动控制 四、直流伺服电动机的速度控制 a a Ra Ea V = I + Va 为电枢上的外加电压 Ea 为电枢反电势 Ra 为电枢电阻 Ea = Ke  其中： Ke 为电势常数  为电机转速(角速度)  −  = e a a e a K R I K V  电枢回路的电压平衡方程式为

第三节直流同服驱动控制 由咕式翻，对于已经给定的直流电机，要改变它的转速有 三种方法： 是改变电枢回路电阻，这可通过调节来实现： 二是改变气隙磁通量： 三是改变外加电压。 但前两种调速方法不能满足数控机床的要求。第三种调速方 法是广泛应用的调速方法，他励直流电机大都采用这种方法。直 流伺服电机速度控制的作用是将转速指令信号（多为电压值变为 相应的电枢电压值。 用晶闸管调速控制或晶体管脉宽调速控制方式来实现 一页 一页 后退 退出

第三节 直流伺服驱动控制 由上式可知，对于已经给定的直流电机，要改变它的转速有 三种方法： 一是改变电枢回路电阻，这可通过调节来实现； 二是改变气隙磁通量； 三是改变外加电压。 但前两种调速方法不能满足数控机床的要求。第三种调速方 法是广泛应用的调速方法，他励直流电机大都采用这种方法。直 流伺服电机速度控制的作用是将转速指令信号(多为电压值)变为 相应的电枢电压值。 用晶闸管调速控制或晶体管脉宽调速控制方式来实现

第三节直流同服驱动控制 (1)晶闸管调速控制方式 在大率肤毅要求不是很高的直流伺服电机调速控制中，晶闸管 (原称可拄硅，即SC)调速控制方式仍占主流。 0 vT,本 VT2 0 M T,本 VT (a)电路 ⊙i (b)波形 主页 目录 上一页 下一页 后退 退出

第三节 直流伺服驱动控制 (1) 晶闸管调速控制方式 在大功率以及要求不是很高的直流伺服电机调速控制中，晶闸管 (原称可控硅，即SCR)调速控制方式仍占主流

第三节直流间服驱动控制 (2)晶体管脉宽调制调速控制方式 由于功攀靠体管比晶闸管具有更优良的特性，目前功率晶体管的 功率、耐压等都已大大提高，所以在中、小功率直流伺服驱动系统中， 晶体管脉宽调制(Pulse Width Modulation简称PWM)方式驱动系统得 到了广泛应用。所谓脉宽调制，就是使功率放大器中的晶体管士作在 开关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期内晶体管导通时间 的方法来改变输出，以使电机电枢两端获得宽度随时间变化的电压脉 冲，脉宽的连续变化，使电枢电压的平均值也连续变化，从而达到调 节电机转速的目的。 主页 目录 上一页 下一页 后退 退出

第三节 直流伺服驱动控制 (2) 晶体管脉宽调制调速控制方式 由于功率晶体管比晶闸管具有更优良的特性，目前功率晶体管的 功率、耐压等都已大大提高，所以在中、小功率直流伺服驱动系统中， 晶体管脉宽调制(Pulse Width Modulation简称PWM)方式驱动系统得 到了广泛应用。所谓脉宽调制，就是使功率放大器中的晶体管工作在 开关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期内晶体管导通时间 的方法来改变输出，以使电机电枢两端获得宽度随时间变化的电压脉 冲，脉宽的连续变化，使电枢电压的平均值也连续变化，从而达到调 节电机转速的目的