直流伺服電動(dòng)機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用分析

【摘 要】直流電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速簡(jiǎn)單方便的特點(diǎn)，具有精度高、調(diào)速范圍寬、低速大轉(zhuǎn)矩、穩(wěn)定性好和響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，在閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】直流電動(dòng)機(jī) 控制系統(tǒng) 應(yīng)用分析

直流電動(dòng)機(jī)可以采用調(diào)壓、調(diào)磁和改變電樞電路電阻的方法調(diào)速，但由于改變電樞電路電阻調(diào)速得到的機(jī)械特性較軟，所以在數(shù)控機(jī)床上很少采用，而采用調(diào)壓和調(diào)磁兩種方法相結(jié)合的方法，不僅可以獲得很寬的調(diào)速范圍，還能充分利用電動(dòng)機(jī)的容量。在數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)中，直流主軸電動(dòng)機(jī)速度控制通常采用晶閘管調(diào)速系統(tǒng)和晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)。

一、調(diào)磁調(diào)速電路

主軸電動(dòng)機(jī)功率通常較大，且要求恒功率調(diào)速范圍盡可能大，所以一般采用他勵(lì)電動(dòng)機(jī)，勵(lì)磁繞組與電樞繞組相互獨(dú)立，由單獨(dú)的可調(diào)直流電源供電。

勵(lì)磁控制電路的電流給定、電壓電樞反饋、勵(lì)磁電流反饋三組信號(hào)經(jīng)比較之后輸入PI調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過電壓/相位轉(zhuǎn)換器，控制晶閘管觸發(fā)脈沖的相位，調(diào)節(jié)勵(lì)磁繞組的電流大小，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的恒功率弱磁調(diào)速。

二、調(diào)壓調(diào)速電路

調(diào)壓調(diào)速電路類似于直流進(jìn)給伺服系統(tǒng)，也是由速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成的雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)，具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)，可最大限度地利用電動(dòng)機(jī)的過載能力，使過渡過程最短。其通過控制直流主軸電動(dòng)機(jī)的電樞電壓實(shí)現(xiàn)變速。

三、主電路及其工作原理

數(shù)控機(jī)床加工零件時(shí)，要求主軸正反轉(zhuǎn)切削功率要盡可能大，停止和改變轉(zhuǎn)向要迅速。主軸直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置采用三相橋式反并聯(lián)邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)。主電路如圖1所示。

每組按三相橋式連接形成變流器橋，兩組變流橋?yàn)榉礃O性并聯(lián)，由一個(gè)交流電源供電。反極性并聯(lián)電路能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)正反向的電動(dòng)和回饋發(fā)電制動(dòng)。為保證在任何時(shí)間內(nèi)只允許一組橋路工作，另一橋路阻斷，采用邏輯控制電路。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，VT1管工作在整流狀態(tài)，提供正向直流電流；電動(dòng)機(jī)反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，VT2管工作在整流狀態(tài)，并提供反向直流電流，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)在第一、三象限的起動(dòng)、升降速度控制。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)從正向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)要轉(zhuǎn)到反向電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，速度指令從正變負(fù)，VT1管進(jìn)入逆變狀態(tài)，這時(shí)電動(dòng)機(jī)電樞電路中的電感儲(chǔ)能維持電流方向不變，電動(dòng)機(jī)仍處于電動(dòng)狀態(tài)，但電樞電流已逐漸減小。當(dāng)電樞電流減小到零后，必須使VT1管和VT2管都處于封鎖狀態(tài)，這時(shí)電動(dòng)機(jī)在慣性作用下能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。經(jīng)過安全延時(shí)后，VT2管進(jìn)入有源逆變狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)工作在回饋發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，將機(jī)械能送回電網(wǎng)，轉(zhuǎn)速迅速下降，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到零后，VT2管進(jìn)入整流狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)反向起動(dòng)，從而完成了從第一象限到第三象限的工作轉(zhuǎn)換。

只要使VT1管和VT2管的控制相反，就實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)從反轉(zhuǎn)到正轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換過程。

四、主電路控制要求

為保證在任何時(shí)間內(nèi)只允許一組橋路工作，另一組橋路阻斷，采用邏輯控制電路。利用邏輯控制電路可檢測(cè)電樞電路的電流是否達(dá)到零值，并判斷出旋轉(zhuǎn)方向，提供VT1管和VT2管的允許開通信號(hào)，使一組晶閘管在工作時(shí)，另一組晶閘管的觸發(fā)脈沖被封鎖，從而切斷正反兩組晶閘管之間可能出現(xiàn)的電流通路。為此，邏輯電路必須滿足以下條件：

（一）每個(gè)時(shí)刻只準(zhǔn)向一組晶閘管提供觸發(fā)信號(hào)。

（二）只有當(dāng)工作的那一組晶閘管電流為零后，才能撤銷觸發(fā)信號(hào)，以防止當(dāng)晶閘管逆變時(shí)，電流沒有為零，撤銷觸發(fā)信號(hào)造成逆變顛覆而出現(xiàn)故障。

（三）只有當(dāng)工作的那一組晶閘管完全關(guān)斷后，才可以向另一組晶閘管提供觸發(fā)信號(hào)，以防止出現(xiàn)大的環(huán)流。

（四）任何一組晶閘管導(dǎo)通時(shí)，要防止其輸出電壓與電動(dòng)機(jī)繞組產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)方向一致，導(dǎo)致電流過大。

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作者簡(jiǎn)介：李智慧，男，漢族，河南省輝縣市人，1979.2月出生，畢業(yè)于河南科技學(xué)院，機(jī)電技術(shù)教育專業(yè)，本科學(xué)歷，工學(xué)學(xué)士、講師， 研究方向：數(shù)控機(jī)床故障診斷、數(shù)控機(jī)床電氣維修。