PWM速度控制系統

發布日期：2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽：3029

        PWM速度控制系統是通過脈寬調制器對大功率晶體管的開關時間進行控制，將直流電壓轉換成某種頻率的方波電壓，并通過對脈沖寬度的控制，改變輸出直流平均電壓的自動調速系統。以脈沖編碼器作為檢測器件的常見PWM直流伺服系統的框圖如圖5-3所示。其工作過程如下：


圖5-3  PWM直流伺服系統原理圖

        數控裝置CPU發出的指令信號，經過數值積分器DDA(即為插補器)轉換后，輸出一系列的均勻脈沖。為了使實際機床位置分辨率與指令脈沖相對應，系統中通常都需要通過指令倍乘器CMR，對指令脈沖進行倍頻/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)、偏移值補償(D)運算、合成后，送到脈寬調制器(PWM)進行脈寬調制。被調制的脈沖經過D/A變換器轉換成模擬電壓，作為速度控制單元(V)的指令電壓VCMD輸出。

        電動機旋轉后，脈沖編碼器(PC)發出的脈沖，經斷線檢查器(BL)確認無信號斷線之后，送到鑒相器(DG)，進行電動機的旋轉方向的識別。鑒相器的輸出分二路，一路經F/V變換器，將反饋脈沖變換成測速電壓(TSA)，送速度控制單元，并與VCMD指令進行比較，從而實現速度的閉環控制。另一路輸出到檢測倍乘器DMR，經倍乘后送到比較器作為位置環的位置反饋輸入。

        通過設置不同的CMR與DMR值，可以將指令脈沖的移動量和實際機床的每脈沖移動量相一致，從而使控制系統能適合于各種場合。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，指令電壓VCMD與測速反饋信號TSA經過比較、放大后，輸出誤差信號“ER=K(VCMD-TSA)”和“－ER=－K(VCMD－TSA)”。誤差信號ER送到A相和B相調制器，并與三角波發生器產出的三角波進行邏輯運算后，經脈寬調制、驅動放大之后輸出TRA和TRB信號，控制晶體管VTA和VTB的基極；－ER信號與三角波進行邏輯運算后，經脈寬調制、驅動放大之后輸出TRC和TRD信號，控制晶體管VTC和VTD的基極。

        電動機正轉時，圖5-4中各信號的波形如圖5-5所示。此時，電動機電樞回路工作可以分以下4步：

1)VTB和VTC晶體管導通。這時電流方向從直流電源的“+”端，經過VTC、電動機M、VTB回到電源的“－”端。

2)VTC和VTA晶體管導通。此時電樞電感釋放能量，電流從電樞M經二極管VDa、晶體管VTc構成回路。

3)VTB和VTC晶體管導通。此過程同第一步。

4)VTB和VTD晶體管導通。此時電流方向從電動機M經VTB、續流二極管VDd構成回路。

        主回路按上述順序循環工作，從而形成對電動機的連續供電，使電動機正向旋轉。波形圖中的∆t是工作死區，該值一定要大于晶體管的關斷時間，以確保晶體管不會出現VTA和VTB、VTC和VTD同時導通的情況，以避免電源短路。

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


圖5-5  脈寬調制各點波形圖


PWM速度控制系統與SCR速度控制系統相比，具有如下優點：

1)能有效防止系統產生共振，提高了數控機床工作的穩定性。在SCR速度控制系統中，由于晶閘管的工作頻率與電源頻率相同，為50/60Hz，因此電樞電流脈動頻率亦為50/60Hz，從而可能誘發機械系統的共振，影響數控機床的工作穩定性，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)，遠遠高于機械系統的固有頻率，避免了系統可能產生的共振。

2)電樞電流脈動小，保證了機床在低速運動時仍能穩定地工作。在SCR速度控制系統中，整流波形差，特別是在低速、輕載時，電流斷續嚴重。由于電樞電流的不連續，將影響到低速運行的穩定性，這也是SCR速度控制系統產生低速脈動的原因之一。在PWM速度控制系統中，由于開關頻率很高，依靠電樞繞組的電感濾波作用就可獲得脈動很小的直流電流，而且電樞電流也很容易連續，因此，機床在低速時仍然可以平滑、穩定地工作。

3)電動機損耗、發熱小。由于PWM速度控制系統輸出電流的紋波系數(電流有效值和平均值之比)只有1.001~1.03，而SCR速度控制系統為1.05~1.6，所以電動機在同樣的輸出轉矩(它與電流的平均值成正比)時，前者的電動機損耗和發熱均較后者小，在數控機床上，它可以減少電動機發熱，減小熱變形，提高機床精度。

4)PWM速度控制系統的系統響應快。當PWM控制方式的速度控制單元與小慣量的電動機相匹配時，可以充分發揮系統的性能，使系統具有快的響應，因此，它適合于頻繁起、制動的場合。

5)動態特性好。由于PWM控制方式具有很寬的響應頻率范圍，因此整個系統的動態特性好，系統校正瞬態負載擾動的能力強。特別是在負載周期性變化的場合，機床仍平穩地工作，延長了刀具使用壽命，改善了被加工零件表面的精度。

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