PWM速度控制系統(tǒng)

發(fā)布日期：2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽：2838

        PWM速度控制系統(tǒng)是通過(guò)脈寬調(diào)制器對(duì)大功率晶體管的開(kāi)關(guān)時(shí)間進(jìn)行控制，將直流電壓轉(zhuǎn)換成某種頻率的方波電壓，并通過(guò)對(duì)脈沖寬度的控制，改變輸出直流平均電壓的自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。以脈沖編碼器作為檢測(cè)器件的常見(jiàn)PWM直流伺服系統(tǒng)的框圖如圖5-3所示。其工作過(guò)程如下：


圖5-3  PWM直流伺服系統(tǒng)原理圖

        數(shù)控裝置CPU發(fā)出的指令信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)值積分器DDA(即為插補(bǔ)器)轉(zhuǎn)換后，輸出一系列的均勻脈沖。為了使實(shí)際機(jī)床位置分辨率與指令脈沖相對(duì)應(yīng)，系統(tǒng)中通常都需要通過(guò)指令倍乘器CMR，對(duì)指令脈沖進(jìn)行倍頻/分頻變換。指令脈沖與位置反饋脈沖比較的差值，送到誤差寄存器ER；誤差寄存器的輸出與位置增益(G)、偏移值補(bǔ)償(D)運(yùn)算、合成后，送到脈寬調(diào)制器(PWM)進(jìn)行脈寬調(diào)制。被調(diào)制的脈沖經(jīng)過(guò)D/A變換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓，作為速度控制單元(V)的指令電壓VCMD輸出。

        電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)后，脈沖編碼器(PC)發(fā)出的脈沖，經(jīng)斷線檢查器(BL)確認(rèn)無(wú)信號(hào)斷線之后，送到鑒相器(DG)，進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向的識(shí)別。鑒相器的輸出分二路，一路經(jīng)F/V變換器，將反饋脈沖變換成測(cè)速電壓(TSA)，送速度控制單元，并與VCMD指令進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)控制。另一路輸出到檢測(cè)倍乘器DMR，經(jīng)倍乘后送到比較器作為位置環(huán)的位置反饋輸入。

        通過(guò)設(shè)置不同的CMR與DMR值，可以將指令脈沖的移動(dòng)量和實(shí)際機(jī)床的每脈沖移動(dòng)量相一致，從而使控制系統(tǒng)能適合于各種場(chǎng)合。速度控制單元V的框圖與原理如圖5-4所示。


圖5-4  PWM速度控制單元原理框圖


        由圖5-4可見(jiàn)，指令電壓VCMD與測(cè)速反饋信號(hào)TSA經(jīng)過(guò)比較、放大后，輸出誤差信號(hào)“ER=K(VCMD-TSA)”和“－ER=－K(VCMD－TSA)”。誤差信號(hào)ER送到A相和B相調(diào)制器，并與三角波發(fā)生器產(chǎn)出的三角波進(jìn)行邏輯運(yùn)算后，經(jīng)脈寬調(diào)制、驅(qū)動(dòng)放大之后輸出TRA和TRB信號(hào)，控制晶體管VTA和VTB的基極；－ER信號(hào)與三角波進(jìn)行邏輯運(yùn)算后，經(jīng)脈寬調(diào)制、驅(qū)動(dòng)放大之后輸出TRC和TRD信號(hào)，控制晶體管VTC和VTD的基極。

        電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，圖5-4中各信號(hào)的波形如圖5-5所示。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)電樞回路工作可以分以下4步：

1)VTB和VTC晶體管導(dǎo)通。這時(shí)電流方向從直流電源的“+”端，經(jīng)過(guò)VTC、電動(dòng)機(jī)M、VTB回到電源的“－”端。

2)VTC和VTA晶體管導(dǎo)通。此時(shí)電樞電感釋放能量，電流從電樞M經(jīng)二極管VDa、晶體管VTc構(gòu)成回路。

3)VTB和VTC晶體管導(dǎo)通。此過(guò)程同第一步。

4)VTB和VTD晶體管導(dǎo)通。此時(shí)電流方向從電動(dòng)機(jī)M經(jīng)VTB、續(xù)流二極管VDd構(gòu)成回路。

        主回路按上述順序循環(huán)工作，從而形成對(duì)電動(dòng)機(jī)的連續(xù)供電，使電動(dòng)機(jī)正向旋轉(zhuǎn)。波形圖中的∆t是工作死區(qū)，該值一定要大于晶體管的關(guān)斷時(shí)間，以確保晶體管不會(huì)出現(xiàn)VTA和VTB、VTC和VTD同時(shí)導(dǎo)通的情況，以避免電源短路。

         圖5-5中，虛線是表示當(dāng)ER值(-ER值)較小時(shí)的情況。在這種情況下，給電動(dòng)機(jī)電樞供電的晶體管導(dǎo)通時(shí)間變短，電樞兩端的電壓脈寬變窄，平均電壓較低，從而使直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，以上就是PWM速度控制系統(tǒng)的工作原理。


圖5-5  脈寬調(diào)制各點(diǎn)波形圖


PWM速度控制系統(tǒng)與SCR速度控制系統(tǒng)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)能有效防止系統(tǒng)產(chǎn)生共振，提高了數(shù)控機(jī)床工作的穩(wěn)定性。在SCR速度控制系統(tǒng)中，由于晶閘管的工作頻率與電源頻率相同，為50/60Hz，因此電樞電流脈動(dòng)頻率亦為50/60Hz，從而可能誘發(fā)機(jī)械系統(tǒng)的共振，影響數(shù)控機(jī)床的工作穩(wěn)定性，從而影響被加工零件的表面精度。而在PWM控制方式中，由于晶體管工作頻率很高(約2kHz)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率，避免了系統(tǒng)可能產(chǎn)生的共振。

2)電樞電流脈動(dòng)小，保證了機(jī)床在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)仍能穩(wěn)定地工作。在SCR速度控制系統(tǒng)中，整流波形差，特別是在低速、輕載時(shí)，電流斷續(xù)嚴(yán)重。由于電樞電流的不連續(xù)，將影響到低速運(yùn)行的穩(wěn)定性，這也是SCR速度控制系統(tǒng)產(chǎn)生低速脈動(dòng)的原因之一。在PWM速度控制系統(tǒng)中，由于開(kāi)關(guān)頻率很高，依靠電樞繞組的電感濾波作用就可獲得脈動(dòng)很小的直流電流，而且電樞電流也很容易連續(xù)，因此，機(jī)床在低速時(shí)仍然可以平滑、穩(wěn)定地工作。

3)電動(dòng)機(jī)損耗、發(fā)熱小。由于PWM速度控制系統(tǒng)輸出電流的紋波系數(shù)(電流有效值和平均值之比)只有1.001~1.03，而SCR速度控制系統(tǒng)為1.05~1.6，所以電動(dòng)機(jī)在同樣的輸出轉(zhuǎn)矩(它與電流的平均值成正比)時(shí)，前者的電動(dòng)機(jī)損耗和發(fā)熱均較后者小，在數(shù)控機(jī)床上，它可以減少電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，減小熱變形，提高機(jī)床精度。

4)PWM速度控制系統(tǒng)的系統(tǒng)響應(yīng)快。當(dāng)PWM控制方式的速度控制單元與小慣量的電動(dòng)機(jī)相匹配時(shí)，可以充分發(fā)揮系統(tǒng)的性能，使系統(tǒng)具有快的響應(yīng)，因此，它適合于頻繁起、制動(dòng)的場(chǎng)合。

5)動(dòng)態(tài)特性好。由于PWM控制方式具有很寬的響應(yīng)頻率范圍，因此整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性好，系統(tǒng)校正瞬態(tài)負(fù)載擾動(dòng)的能力強(qiáng)。特別是在負(fù)載周期性變化的場(chǎng)合，機(jī)床仍平穩(wěn)地工作，延長(zhǎng)了刀具使用壽命，改善了被加工零件表面的精度。

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