低成本直流伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
李紀(jì)剛，徐鵬云
(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北保定071001)
中凰分類號(hào)：tm383．4+l 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：e
文章編號(hào)：1004-7018(2008)07—0060—02
作為能方便進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速且有著良好調(diào)速特性的有刷直流電動(dòng)機(jī)，20世紀(jì)80年代起隨著科技的進(jìn)步，交流調(diào)速(變頻)、元刷直流電動(dòng)機(jī)迅速發(fā)展，有逐漸取代有刷直流調(diào)速之趨勢(shì)。但是由于有刷直流調(diào)速有其獨(dú)特的優(yōu)良性能，直到現(xiàn)在尚未被全部取代。有刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍寬，很容易做到l：20(例如：60～1 200 r／min)；調(diào)速特陛硬，成本低(電機(jī)、電路)。其缺點(diǎn)是電刷需經(jīng)常更換，維護(hù)較為麻煩。有刷直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)又分為普通直流電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)。直流伺服系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于軋鋼、造紙機(jī)、金屬切削機(jī)床等許多領(lǐng)域的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，它能在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精度、速度和位置控制。所以要求系統(tǒng)性能高的場(chǎng)合都廣泛地使用直流伺服系統(tǒng)。因此，設(shè)計(jì)成本低、性能可靠的直流伺服系統(tǒng)仍然很重要。
1調(diào)壓調(diào)速原理
直流電動(dòng)機(jī)的速度與加在電樞上的端電壓uo成正比。
端電壓的計(jì)算公式如下：
關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間與周期的比值。α的變化范圍為o≤α≤1。由此式可知，當(dāng)電源電壓uv不變的情況下，電樞端電壓uo的平均值取決于占空比α的大小，改變?chǔ)林稻涂梢愿淖兌穗妷旱钠骄担瑥亩_(dá)到調(diào)速目的。
2直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路有兩種基本形式：其一為使用品閘管構(gòu)成移相調(diào)壓；其二為使用大功率管，可以是雙極型三極管，可以是功率場(chǎng)效應(yīng)管，也可以是igbt管(輸入端為mos而輸出端是雙極型管)。本系統(tǒng)使用的是第一種。
該電路由以下五部分組成。
2.1整流電路
整流電路如圖2所示。一條整流電路是由d8、d9、scrl、scr2組成的單相半控橋式可控整流(可自零到****無(wú)級(jí)調(diào)壓，這里是o～200v)，scrl及scr2是由來(lái)自“t”可變占空比的方波進(jìn)行移相觸發(fā)的。
20 v、50 hz的交流電經(jīng)整流橋整流時(shí)，若4個(gè)橋臂的元件均為二極管，則整流后的直流電壓應(yīng)為220×o.9=198v，且無(wú)法調(diào)節(jié)。當(dāng)然這種電源驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)是不能調(diào)速的(這種電機(jī)的轉(zhuǎn)速是與其驅(qū)動(dòng)電壓成正比的)。若將橋的2個(gè)橋臂的元件換為單相晶閘管即scr1和scr2后，當(dāng)其控制投加上脈沖電壓時(shí)，就會(huì)隨著脈沖電壓的早晚改變晶閘管的導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)g不加脈沖則scr不導(dǎo)通，橋便不能整流，輸出電壓為o，電機(jī)停轉(zhuǎn)。若g在一個(gè)周期開(kāi)始就加上脈沖，則scr將會(huì)在全周期內(nèi)導(dǎo)通，這時(shí)相當(dāng)于橋使用了4個(gè)二極管，電就能得到整流的****電壓198 v。如果我們?cè)O(shè)法控制scr的g極在一個(gè)周期內(nèi)加脈沖的早晚，就能得到不同的整流輸出電壓。
如圖3所示。
當(dāng)矩形脈沖的占空比變小時(shí)，scr導(dǎo)通角變小，此時(shí)輸出電壓變低(矩形波的占空比=脈寬／周期)。
另一條整流電路是由d11、d12、d8、d9(重復(fù)使用)來(lái)完成的。整流后得到的198 v直流脈動(dòng)電壓再經(jīng)r27、r28、r29三個(gè)電阻降壓和穩(wěn)壓(圖2)得到20 v的穩(wěn)壓脈動(dòng)電壓用來(lái)供給scr移相脈沖的同步電壓，然后該脈動(dòng)電壓再經(jīng)濾波后得到較為純凈的直流用作控制電路的電源。
2.2移相脈沖
q3(pnp)管的基極接到未經(jīng)濾波的20 v脈動(dòng)電壓后在ic4的反同端產(chǎn)生一組鋸齒波。而ic4的同相端接入了控制直流電壓，這一電壓與反向端比較(ic4實(shí)際是一個(gè)電壓比較器)就可在ic4的輸入端產(chǎn)生一個(gè)與主整流器正弦波同步的可改變脈寬的觸發(fā)電壓。當(dāng)同相端輸入電壓愈高時(shí)，輸出端輸出的脈寬越高，這就使scr較早導(dǎo)通。相反，同相端輸入電壓較低，輸出端輸出脈寬變窄，scr導(dǎo)通變晚，當(dāng)然輸出主電壓將隨之發(fā)生改變，從而起到調(diào)速作用。電路工作原理如圖4所示。
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