直流伺服电动机进给驱动系统的优化方案

由于数控机床对伺服电动机有较高的要求，而直流伺服电动机具有良好的调速特性，为一般交流伺服电动机所不及，因此，以数控机床半闭环、闭环控制伺服系统均采用直流伺服电动机。虽然当前交流伺服电动机已逐渐取代直流伺服电动机，但由于历史的原因，直流伺服电动机仍被采用，并且已用于数控机床的大量直流伺服电动机还需要维护，因此了解直流伺服电动机仍是很必要的。

1.直流伺服电动机的工作原理

图7-10所示为直流伺服电动机结构示意图，图7-11所示为直流伺服电动机工作原理示意图，N极与S极为电动机定子，其为永久磁铁或激励绕组所形成的磁极，在A、B两电刷间加直流电压时，电流便从B刷流入，从A刷流出。由于两电刷把N极和S极下的元件连接成两条并联支路，故不论转子如何转动，由于电刷的机械换向作用，N极和S极下导体的电流方向是不变的。由图7-10可见，N极下有效导体中的电流由纸面指向读者，S极下有效导体中的电流由读者指向纸面。根据物理学中的理论，通电导体在磁场中受到电磁力，电磁力的方向由左手定则确定，直流电动机存在两组基本的关系，分别为

图7-10　直流伺服电动机结构示意

图7-11　直流伺服电动机工作原理示意

式中，Ra——电枢电阻；

Ia——电枢电流；

Ea——电枢的反电动势；

Ce——反电势常数；

Φ——电动机磁通量；

n——电动机转速；

M——电动机电磁力矩；

Mf ，J——负载力矩和惯量；

CM——力矩常数。

根据上式可得出直流电动机的机械特性公式为

n=ua/CeΦn-MRa/CeCMΦ2

该机械特性公式对应的机械特性曲线如图7-12所示，可见当电动机所加电压一定时，随着负载力矩M的增大，转速有一定降落，在伺服装置中，由于有转速反馈回路，因此这一降落可以得到克服。

图7-12　机械特性曲线

由公式n=(ua-IaRa)/CeΦ 可以看到，调速可以有三种方法。

①改变电动机控制电压ua，即改变电枢电压。

②改变磁通Φ，即改变励磁回路电流Ij。

③改变电枢电路的电阻。

由于后两种调速方法不能满足数控机床对进给伺服系统的要求，故实际均采用改变电枢电压ua来调速的方法。

2.永磁直流伺服电动机

实际上数控机床中大量采用的是永磁直流伺服电动机，其定子磁极是一个永磁体，采用的是新型的稀土钴等永磁材料，具有极大的矫顽力和很高的磁能积，因此抗去磁能力大为提高，体积大为缩小。在电枢方面，永磁直流伺服电动机可以分为小惯量与大惯量两大类。

小惯量电动机的主要特征是电动机转子的惯量小，因此响应快，机电时间常数可以小于10 ms，与普通直流电动机相比，转矩与惯量之比要大出40～50倍，且调速范围广，运转平稳，适用于频繁启动与制动，要求有快速响应（如数控钻床、冲床等点定位）的场合。但由于其过载能力低，并且其自身惯量比机床相应运动部件的惯量小，因此限制了它的广泛使用。

宽调速永磁直流伺服电动机又称大惯量电动机，是20世纪60年代末70年代初在小惯量电动机和力矩电动机的基础上发展起来的，能较好地满足进给驱动要求，很快得到了广泛使用。其具有下述优点。

（1）能承受的峰值电流和过载能力高（能产生额定力矩10倍的瞬时转矩），以满足数控机床对其加减速的要求。

（2）具有大的转矩/惯量比，快速性好。由于电动机自身惯量大，外部负载惯量相对来说较小，提高了抗机械干扰的能力，因此伺服系统的调整与负载几乎无关，大大方便了机床制造厂的安装调试工作。

（3）低速时输出的转矩大。这种电动机能与丝杠直接相连，省去了齿轮等传动机构，提高了机床的进给传动精度。

（4）调速范围大。与高性能伺服单元组成速度控制装置时，调速范围为1:1 000。

（5）转子热容量大。电动机的过载性能好，一般能过载运行几十分钟。

由于伺服系统的要求，永磁直流伺服电动机的性能已不能简单地用电压、电流、转速等参数来描述，而需要用一些特性曲线和参数来全面描述。如图7-13所示，现以一直流伺服电动机为例，简要介绍特性曲线和相关参数。

特性曲线主要有两种。

（1）转矩—速度特性曲线，又叫工作曲线，如图7-13所示，图中伺服电动机分为三个工作区域：Ⅰ区域为连续工作区，在该区域里速度和转矩的任意组合，都可长期连续工作；Ⅱ区域为间断工作区，此时电动机可根据负载周期曲线所决定的允许工作时间与断电时间做间歇工作；Ⅲ区域为加减速区，电动机只能在加减速时工作于该区，即只能在该区域中工作极短的一段时间。(www.xing528.com)

（2）负载周期曲线。负载周期曲线描述了电动机过载运行的允许时间，如图7-14所示。图中给出了在满足负载所需转矩，而又确保电动机不过热的情况下，允许电动机的工作时间。

图7-13　转矩—速度特性曲线

图7-14　负载周期曲线

负载周期曲线的使用方法如下。

①根据实际负载转矩，求出电动机过载倍数Tmd。

②在负载周期曲线的水平轴上找到实际所需工作时间tR，并从该点向上作垂线，与所要求的Tmd的那条曲线相交。再以该交点作水平线，与纵轴的交点即为允许的负载周期比，即

d=tR/(tR+t F)

式中，tR——电动机工作时间；

tF——电动机断电时间。

最短断电时间为tF=tR(1/d-1)。

3.永磁直流伺服电动机的结构

永磁直流电动机可分为驱动用永磁直流电动机和永磁直流伺服电动机两大类。驱动用永磁直流电动机通常指不带稳速装置，没有伺服要求的电动机；而永磁直流伺服电动机除具有驱动用永磁直流电动机的性能外，还具有一定的伺服特性和快速响应能力，在结构上往往与反馈部件做成一体。当然，永磁直流伺服电动机也可作为驱动用电动机。因为永磁直流伺服电动机允许有宽的调速范围，所以也称宽调速直流电动机，其结构如图7-15所示。电动机本体由三部分组成：机壳、定子磁极和转子电枢。反馈用的检测部件有高精度的测速机、旋转变压器以及脉冲编码器等，这些安装在电动机的尾部。

图7-15　永磁直流伺服电动机结构

1—机壳；2—定子磁极；3—转子电枢

定子磁极是一个永磁体，永磁体材料有下述三类。

（1）铸造型铝镍和钼镍合金。但这类材料具有价格昂贵、性能差、过载能力低的缺点。

（2）各向异性铁氧体。这类材料的矫顽力很高，有很强的抗去磁能力；磁铁装配后不需要进行开路、短路、堵转或反转等稳定性处理；原料价格便宜，铁氧体的密度很小、质量轻、电阻率高。因此，采用铁氧体的永磁电动机不但成本低、质量轻，而且电枢反应的去磁作用很小，过载能力强。但环境温度对磁性能的影响较大，不适用于环境温度变化大的场合，而适用于要求温度稳定性高的场合。

（3）稀土钴永磁合金。这类材料具有极大的矫顽力，是铁氧体的2～3倍，具有很高的最大磁能积，是铁氧体的10倍。因此，采用稀土钴合金的永磁直流伺服电动机具有很高的去磁能力，尤其适用于瞬时短路、堵转和突然反转等运行状态。用稀土钴合金制造的永磁直流伺服电动机的体积可以大大缩小。稀土钴是一种极有前途的永磁材料。由于它的原料贵重，制造工艺复杂，因而影响了它的大量推广应用。

在电枢方面，电枢结构可以分为普通型和小惯量型两大类。小惯量型电枢又要分为空心杯形电枢、无槽电枢和印刷绕组电枢三类。空心杯形电枢的主要特点是电枢由漆包线编织成杯形，用环氧树脂将其固化成一整体，且无铁芯。因此，这种电动机特别轻巧、惯量极小、电枢绕组电感很小、电气时间常数小，重复启、停频率可达200 Hz以上。其缺点是气隙较大，单位体积的输出功率较小，且电枢结构复杂，工艺难度大。无槽电枢的电枢铁芯上没有槽，为一光滑的由硅钢片叠成的圆柱体，用漆包线在其表面编织成包子形的绕组。由于电枢上无槽，所以气隙磁密度高，且无齿槽效应，使电动机运转平稳、噪声小。印制绕组电枢，因电枢圆盘很轻，惯量很小，且由于电枢无铁芯，铁耗很小，印制绕组电枢的电气时间常数和机械时间常数均很小，很适合于低速和频繁启动及反转的场合。上述三种小惯量型电枢的共同特点是电枢惯量小，适合于要求快速响应的伺服系统，在早期的数控机床上得到应用。但由于过载能力低，电枢惯量与机械传动系统匹配较差，因此近期在数控机床上多采用普通型的有槽电枢。普通型有槽电枢的结构与一般的直流电动机电枢相同，只是电枢铁芯上的槽数较多，采用斜槽，即将铁芯叠片扭转一个齿距，且在一个槽内分几个虚槽，以减小转矩的波动。

4.直流伺服驱动装置

目前，直流伺服驱动装置均采用晶闸管（俗称可控硅SCR）调速系统或晶体管脉宽调制（即PWM）调速系统。

晶闸管调速系统中，多采用三相全控桥式整流电路作为直流速度控制单元的主回路，通过对12个晶闸管触发角的控制，达到控制电动机电枢电压的目的。而晶体管脉宽调速系统是利用脉宽调制器对大功率晶体管的开关时间进行控制，将直流电压转换成某一频率的方波电压，加到电动机电枢的两端，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢两端的平均电压，从而达到控制电枢电流，进而控制电动机转速的目的。

采用晶体管脉宽调速系统与晶闸管调速系统相比具有以下主要优点。

（1）避开与机械的共振。由于PWM调速系统的开关工作频率高（约为2 kHz），远高于转子所能跟随的频率，也避开了机械共振区。

（2）电枢电流脉动小。由于PWM调速系统的开关频率高，仅靠电枢绕组的电感滤波即可获得脉动很小的电枢电流，因此低速工作十分平滑、稳定，调速比可做得很大，如1:10 000或更高。

（3）动态特性好。PWM调速系统不像可控硅SCR调速系统有固有的延时时间，其反应速度很快，具有很宽的频带。因此，它具有极快的定位速度和很高的定位精度，抗负载扰动的能力强。

由于晶体管脉宽调速系统具有上述明显的优点，因而在直流驱动装置上被大量采用。其主要的缺点是，不能承受高的过载电流，功率还不能做得很大。目前，在中、小功率的伺服驱动装置中，大多采用性能优异的晶体管脉宽调速系统，而在大功率场合中，则采用晶闸管调速系统。

不论上述哪种调速系统，其控制调节器的原理均是一样，如图7-16所示。

理论与实践均证明，直流电动机伺服系统（直流伺服电动机驱动的进给驱动系统）是一种性能优异的有效闭环控制进给驱动系统，目前的直流调速系统均采用这种控制方案。其特点是通过电流互感器或采样电阻获得电枢电流的实际值，构成电流反馈回路，再通过与电动机同轴安装的测速发电动机获得电动机的实际转速，从而构成速度反馈回路，其速度调节器ST与电流调节器LT均采用PID调节器。因为该系统是由电流、速度两个反馈回路组成的，所以其被称为双环系统。

图7-16　控制调节器的原理

在实际的速度控制单元中，为了保证安全可靠地工作，其一般都具有多种自动保护电路，常见的报警保护措施如下。

（1）一般过载保护通过在主回路中串联热继电器，在电动机、伺服变压器、散热片内埋入能对温度检测的热控开关来进行过载保护。

（2）过电流保护包括当|I|＞Imax 时产生的报警，或当电流的平均值大于Imax时产生的报警。

（3）失控保护。失控是指电动机在正常运转时，速度反馈突然消失（如测速发电机断线），使得电动机转速突然急骤上升，即所谓“飞车”。这种情况对操作人员和设备都是危险的。失控保护一般通过监测测速发电机电压和电枢电压来实现。