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於具有工作可靠、抗干擾性強以及精度高等優點，因而相對於開環伺服驅動系統更為常用。但由於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，它的結構比較複雜，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) 儘可能減少電機的轉動慣量，以提高系統的快速動態響應；
(2) 儘可能提高電機的過載能力，以適應經常出現的衝擊現象；
(3) 儘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。
鑒於機械加工的特殊性，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並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。主要用於要求快速動作、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，通常採用他激式。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製器—直流電機調速(PWM—M)。它具有響應快，效率高，調速範圍寬以及噪音污染小，簡單可靠等優點。

寬度為τ，如圖5--9(b)所示。它的平均值為

（5-2）


圖5—9 PWM 調速系統的電器原理

圖5--9(a)中的二極體是續流二極體，當K斷開時，由於電樞電感La的存在，電機的電樞電流可通過它形成迴路而流通。
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，必須採用橋式電路。圖5--10所示的橋式電路為PWM —M系統的主迴路電氣原理圖。

圖5—10 PWM —M系統的主迴路電氣原理圖

2.?交流伺服電機
交流伺服電機驅動是最新發展起來的新型伺服系統，也是當前機床進給驅動系統方面的一個新動向。該系統克服了直流驅動系統中電機電刷和整流子要經常維修、電機尺寸較大和使用環境受限制等缺點。它能在較寬的調速範圍內產生理想的轉矩，結構簡單，運行可靠，用於數控機床等進給驅動系統為精密位置控制。
交流伺服電機的工作原理與兩相非同步電機相似 。然而 ，由於它在數控機床中作為執行元件，將交流電信號轉換為軸上的角位移或角速度 ，所以要求轉子速度的快慢能夠反映控制信號的相位，無控制信號時它不轉動。特別是當它已在轉動時，如果控制信號消失，它立即停止轉動。而普通的感應電動機轉動起來以後，若控制信號消失，它往往不能立即停止而要繼續轉動一會兒。
交流伺服電機也是由定子和轉子構成。定子上有勵磁繞組和控制繞組，這兩個繞組在空間相差90°電角度。若在兩相繞組上加以幅值相等、相位差90°電角度的對稱電壓，則在電機的氣隙中產生圓形的旋轉磁場。若兩個電壓的幅值不等或相位不為90°電角度，則產生的磁場將是一個橢圓形旋轉磁場。加在控制繞組上的信號不同，產生的磁場橢圓度也不同。例如，負載轉矩一定，改變控制信號，就可以改變磁場的橢圓度，從而控制伺服電機的轉速。交流伺服電機的控制方式有三種：幅值控制、相位控制和幅值相位混合控制。圖5--11所示為這三種控制方法的電氣原理和矢量圖。

圖5—11交流伺服電機的控制方法