低成本直流伺服电机调速系统的设计

李纪刚，徐鹏云

(河北农业大学，河北保定071001)

 

 

    中凰分类号：tm383．4+l  文献标识码：e

    文章编号：1004-7018(2008)07—0060—02

    作为能方便进行无级调速且有着良好调速特性的有刷直流电动机，20世纪80年代起随着科技的进步，交流调速(变频)、元刷直流电动机迅速发展，有逐渐取代有刷直流调速之趋势。但是由于有刷直流调速有其独特的优良性能，直到现在尚未被全部取代。有刷直流电动机调速范围宽，很容易做到l：20(例如：60～1 200 r／min)；调速特陛硬，成本低(电机、电路)。其缺点是电刷需经常更换，维护较为麻烦。有刷直流调速电动机又分为普通直流电动机和伺服电动机。直流伺服系统广泛应用于轧钢、造纸机、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中，它能在较大范围内实现精度、速度和位置控制。所以要求系统性能高的场合都广泛地使用直流伺服系统。因此，设计成本低、性能可靠的直流伺服系统仍然很重要。

 

1调压调速原理

 

    直流电动机的速度与加在电枢上的端电压uo成正比。

端电压的计算公式如下：

 

 

关管导通时间与周期的比值。α的变化范围为o≤α≤1。由此式可知，当电源电压uv不变的情况下，电枢端电压uo的平均值取决于占空比α的大小，改变α值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速目的。

2直流伺服电动机驱动电路

 

    直流伺服电动机驱动电路有两种基本形式：其一为使用品闸管构成移相调压；其二为使用大功率管，可以是双极型三极管，可以是功率场效应管，也可以是igbt管(输入端为mos而输出端是双极型管)。本系统使用的是第一种。

该电路由以下五部分组成。

 

 

2.1整流电路

 

整流电路如图2所示。一条整流电路是由d8、d9、scrl、scr2组成的单相半控桥式可控整流(可自零到****无级调压，这里是o～200v)，scrl及scr2是由来自“t”可变占空比的方波进行移相触发的。

 

 

20 v、50 hz的交流电经整流桥整流时，若4个桥臂的元件均为二极管，则整流后的直流电压应为220×o.9=198v，且无法调节。当然这种电源驱动直流伺服电机是不能调速的(这种电机的转速是与其驱动电压成正比的)。若将桥的2个桥臂的元件换为单相晶闸管即scr1和scr2后，当其控制投加上脉冲电压时，就会随着脉冲电压的早晚改变晶闸管的导通状态。当g不加脉冲则scr不导通，桥便不能整流，输出电压为o，电机停转。若g在一个周期开始就加上脉冲，则scr将会在全周期内导通，这时相当于桥使用了4个二极管，电就能得到整流的****电压198 v。如果我们设法控制scr的g极在一个周期内加脉冲的早晚，就能得到不同的整流输出电压。

如图3所示。

 

 

当矩形脉冲的占空比变小时，scr导通角变小，此时输出电压变低(矩形波的占空比=脉宽／周期)。

 

    另一条整流电路是由d11、d12、d8、d9(重复使用)来完成的。整流后得到的198 v直流脉动电压再经r27、r28、r29三个电阻降压和稳压(图2)得到20 v的稳压脉动电压用来供给scr移相脉冲的同步电压，然后该脉动电压再经滤波后得到较为纯净的直流用作控制电路的电源。

 

2.2移相脉冲

 

q3(pnp)管的基极接到未经滤波的20 v脉动电压后在ic4的反同端产生一组锯齿波。而ic4的同相端接入了控制直流电压，这一电压与反向端比较(ic4实际是一个电压比较器)就可在ic4的输入端产生一个与主整流器正弦波同步的可改变脉宽的触发电压。当同相端输入电压愈高时，输出端输出的脉宽越高，这就使scr较早导通。相反，同相端输入电压较低，输出端输出脉宽变窄，scr导通变晚，当然输出主电压将随之发生改变，从而起到调速作用。电路工作原理如图4所示。