閉環伺服控制原理與系統?

在數控機床上，尤其是在計算機數控機床上，閉環伺服驅動系統由于具有工作可靠、抗干擾性強以及精度高等優點，因而相對于開環伺服驅動系統更為常用。但由于閉環伺服驅動系統增加了位置檢測、反饋、比較等環節，與步進式開環系統相比，它的結構比較復雜，調試也相對更困難一些。

一、?? 閉環伺服驅動系統的執行元件

隨著數控技術的發展，對執行元件的要求愈來愈高，歸納起來主要有以下幾點：

(1) 盡可能減少電機的轉動慣量，以提高系統的快速動態響應；

(2) 盡可能提高電機的過載能力，以適應經常出現的沖擊現象；

(3) 盡可能提高電機低速運行的穩定性和均勻性，以保證低速時伺服系統的精度。

鑒于機械加工的特殊性，一般的電機不能滿足數控機床對伺服控制的要求。目前，在數控

機床上廣泛應用的有直流伺服電機和交流伺服電機。

1.?直流伺服電機

直流伺服電機是機床伺服系統中使用較廣的一種執行元件。在伺服系統中常用的直流伺服電機多為大功率直流伺服電機，如低慣量電機和寬調速電機等。這些伺服電機雖然結構不同，各有特色，但其工作原理與直流電機類似。

(1) 低慣量直流伺服電機。主要有無槽電樞直流伺服電機及其他一些類型的電機。無槽電樞直流伺服電機的工作原理與一般直流電機相同，其結構的差別和特點是：電樞鐵心是光滑無槽的圓體，電樞繞組用環氧樹脂固化成型并粘結在電樞鐵心表面上，電樞的長度與外徑之比在5倍以上，氣隙尺寸比一般的直流電機大10倍以上。它的輸出功率在幾十瓦至10 kW以內。主要用于要求快速動作、功率較大的系統。

?(2) 寬調速直流力矩電機。這種電機用提高轉矩的方法來改善其動態性能。它的結構形式與一般直流電機相似，通常采用他激式。目前幾乎都用永磁式電樞控制。它具有以下特點：

?(3) 直流伺服電機的脈寬調速原理。調整直流伺服電機轉速的方法主要是調整電樞電壓。目前使用最廣泛的方法是晶體管脈寬調制器—直流電機調速(PWM—M)。它具有響應快，效率高，調速范圍寬以及噪音污染小，簡單可靠等優點。

脈寬調制器的基本工作原理是，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，加到直流電機的電樞上。通過對方波脈沖寬度的控制，改變電樞的平均電壓，從而調節電機的轉速。圖5--9是PWM— M系統的工作原理圖。設將圖5--9(a)中的開關K周期地閉合、斷開，開和關的周期是T。在一個周期內，閉合的時間為τ，斷開的時間為T-τ。若外加電源的電壓U是常數，則電源加到電機電樞上的電壓波形將是一個方波列，其高度為U，

寬度為τ，如圖5--9(b)所示。它的平均值Ua為

?????????????? （5-2）

式中的δ=τ／T，稱為導通率。當T不變時，只要連續地改變 ，就可使電樞電壓的平均值(即直流分量 )由0連續變化至U，從而連續地改變電機的轉速。實際的PWM—M系統用大功率三極管代替開關K 。其開關頻率是2000 Hz，即

圖5—9 PWM 調速系統的電器原理

圖5--9(a)中的二極管是續流二極管，當K斷開時，由于電樞電感La的存在，電機的電樞電流 可通過它形成回路而流通。

圖5--9 (a)所示的電路只能實現電機單方向的速度調節。為使電機實現雙向調速，必須采用橋式電路。圖5--10所示的橋式電路為PWM —M系統的主回路電氣原理圖。

圖5—11交流伺服電機的控制方法