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加工中心伺服系统的晶闸管直流调速系统
晶闸管直流调速系统
步进电动机一般用在开环伺服系统中,没有位置检测反馈环节,所以其伺服系统结构和控制简单。直流伺服电动机通常用于闭环或半闭环伺服系统中,它是将位置环输出的−10~+10V作为速度控制信号Un*,通过一个控制电路,使主电路在交流电源不变的情况下,由速度控制信号Un*改变主电路输出电压的大小,该输出电压作为直流伺服电动机的电枢电压,即可实现直流伺服电动机的调速。
数控机床的直流调速系统中,主电路常为晶闸管可控整流电路或晶体管直流脉宽调制
PWM。晶闸管可控整流电路是利用晶闸管的单向导电性和可控性将交流电整流流电。其大小受晶闸管在一个周期内导通的电角度θ控制,电角度θ称为导通角。在整流电路中,把晶闸管承受正电压起到触发导通之间的电角度称为控制角α。晶体管直流脉宽调制PWM是利用对大功率晶体管开关时间的控制,将直流电压转换成一定频率的方波电
压,加在直流电动机的电枢两端,通过对方波脉冲宽度的控制,从而改变电枢的平均电压U,达到调压调速的目的。图4.52为晶闸管直流调速原理框图。图中,改变速度控制电压Un*即可改变电枢电压U,从而得到速度控制电压所要求的电动机转速。由测速发电机获得的电动机实际转速电压Un作为速度反馈与速度控制电压Un*进行比较形成速度环,目的是改善电动机运行的机
 
图4.52晶闸管直流调速原理框图
1) 晶闸管可控整流电路
数控机床中的直流主轴电动机或进给直流伺服电动机都要求能够正、反转,即要求晶闸管可逆驱动。实现直流可逆驱动的晶闸管电路采用两组变流桥的可逆电路,其中一组工作在电动机正转,另一组工作在电动机反转,俗称四象限运行。为了更好地理解可逆电路的工作过程,下面首先通过单相全控桥式整流电路,掌握可控整流电路的一些概念及基本参数。
如图4.53所示,在ωt1时刻,VT1、VT4承受u2正电压,同时,VT1、VT4门极加触发脉冲ug,VT1、VT4导通,此时控制角为α ,电源u2加于负载上,形成电枢电压u及电枢电流ia。当u2过零变负时,由于电枢绕组上电感反电动势的作用,通过VT1、VT4的维持电流继续流通,VT1、VT4的导通角为θ。直到下半周同一控制角α所对应的ωt2,触发VT2、VT3导通,VT1、VT4因承受反压而关断,电枢电流ia改由u2通过VT2、VT3形成。ωt2时刻称为自然换流点
 
图4.53单相全控桥式整流电路及电压、电流波形
通过不同控制角α ,分析整流电路的电压、电流波形,可以得出以下结论:控制角α 在0°~90°内,随着α 的增大,电枢电压u的平均值下降,电枢电流ia连续;当α =90°时,u的平均值为零,电枢电流ia接近断续;当α >90°时,电枢电流ia很小且断续。所以,作为整流电路,其触发脉冲的控制角α 范围为0°~90°,每个晶闸管轮流导通180°。而晶闸管电路在一定条件下,既可作整流又可作逆变,这时的晶闸管电路称为变流装置或变流器。所谓有源逆变是指将直流电变为交流电回馈至交流电网。在电动机运行状态时,变流器为整流状态,将电网的交流电变为电机的电枢电压;当电动机处于制动状态时,变流器为逆变状态,此时电动机变为发电机,将直流电通过逆变器变为交流电回馈至电网。对电动机控制来说,实现逆变的条件有两个:一是电动机必须处于制动状态,电枢电动势E大于电枢电压U;二是变流器控制角α >90°,使U<0。习惯上,用逆变角β的大小来表示逆变,取β = 180°-α ,所以β <90°时即表示变流器为逆变状态。
图4.54所示为三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统主电路。
反并联是指两组变流桥反极性并联,由一个交流电源供电。环流是在两组变流桥同时工作在整流状态时,产生的不经过电动机只流过两组变流桥之间的电流。环流只占用变流
装置的容量而不作有用功,产生损耗使元件发热,严重时会造成短路,损坏元件。逻辑无环流就是通过逻辑控制的方法,保证在任何时间内只允许一组变流桥工作,另一组变流桥阻断,这样才不会产生环流。三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统运行原理如下。电动机正转。驱动电路工作状态如图4.55(a)所示。I组桥获得脉冲触发,且α1<90°,I组桥处于
 
图4.54三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统主电路
电动机由正转到反转。首先电动机要从正转降速至零,再反转至规定转速。改变控制角α1 的大小,使α1>90°,将I组桥脉冲触发后移,由于机械惯性,电动机的转速n与电枢电动势E暂时未变,I组桥进入有源逆变状态,电动机将能量回馈至电网,电流Ia下降。此时的逆变称为“本桥逆变”。当Ia下降到零时,将I组桥封锁,II组桥进入有源逆变状态,如图4.55(b)所示。由于惯性作用,电动机运行在发电制动状态,将惯性能量逆变回馈至电网,电动机进一步快速减速。由于此时逆变发生在原来封锁的桥路,因而称为“他桥逆变”。当转速下降到零时,将II组桥的触发脉冲继续移至α2<90°时,II组桥进入整流状态,电动机反向运转,如图4.55(c)所示。同理,电动机从反转到正转是由图4.55(c)经图4.55(d)变到图4.55(a)。
 
图4.55三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统运行原理图
在I组桥和II组桥切换过程中,逻辑电路要保证以下几点。
①只允许向一组晶闸管提供触发脉冲。
②只有当工作的那一组晶闸管断流后才能撤销其触发脉冲,以防止晶闸管处于逆变状
态时,未断流就撤销触发脉冲,以致出现逆变颠覆现象,造成故障。
③只有当原来工作的那一组晶闸管完全关断后,才能向另一组晶闸管提供触发脉冲,
以防止出现过大的电流。
④任何一组晶闸管导通时,要防止晶闸管输出电压与电动机电动势方向一致,导致电
压相加,使瞬时电流过大。
三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统中,由于零电流检测,I组桥和II组桥的切换有一控制死区时间,一般为10ms左右,这样使调速的动态性能变坏。因此,该调速系统在数控机床上多用于直流主轴电动机的驱动。由于没有环流,故有些数控机床的直流伺服电动机驱动也

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