4.3 直流伺服系统
1．直流伺服电机的结构与原理
直流伺服电机具有良好的启动、制动和调速特性，可很方便地在宽范围内实现平滑无极调速，故多被采用在对伺服电机的调速性能要求较高的生产设备中。
如图4-15所示，直流伺服电机的结构主要包括三大部分：
（1）定子
定子磁极磁场由定子的磁极产生。根据产生磁场的方式，直流伺服电动机可分为永磁式和他激式。永磁式磁极由永磁材料制成，他激式磁极由冲压硅钢片叠压而成，外绕线圈通以直流电流便产生恒定磁场。
（2）转子
又称为电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，通以直流电时，在定子磁场作用下产生带动负载旋转的电磁转矩。
（3）电刷与换向片
为使所产生的电磁转矩保持恒定方向，转子能沿固定方向均匀地连续旋转，电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接。
图4-15 直流伺服电机
图4-16 他激直流电动机的工作原理图
直流伺服电动机的工作原理与一般直流电动机的工作原理是完全相同，如图4-16所示。他激直流电机转子上的载流导体（即电枢绕组），在定子磁场中受到电磁转矩M的作用，使电机转子旋转。由直流电机的基本原理分析得到：n=（u－IaRa）/ke （4-1）
式中：n──电枢的转速，r/min；u──电枢电压；Ia──电机电枢电流；Ra──电枢电阻；ke──电势系数（ke =Ceφ）。
由式4-1可知，调节电机的转速有三种方法：
（1）改变电枢电压u。调速范围较大，直流伺服电机常用此方法调速；
（2）变磁通量φ（即改变ke的值）。改变激磁回路的电阻Rf以改变激磁电流If，可以达到改变磁通量的目的；调磁调速因其调速范围较小常常作为调速的辅助方法，而主要的调速方法是调压调速。若采用调压与调磁两种方法互相配合，可以获得很宽的调速范围，又可充分利用电机的容量。
（3）在电枢回路中串联调节电阻Rt，此时有
n=[u－Ia（Ra+Rt）]/ke （4-2）
由式4-2可知，在电枢回路中串联电阻的办法，转速只能调低，而且电阻上的铜耗较大，这种办法并不经济，仅用于较少的场合。
2．大惯量直流伺服电机
大惯量直流伺服电机又称宽调速直流伺服电机，是20世纪60年代末70年代初在小惯量电机和力矩电机的基础上发展起来的。现在数控机床广泛采用这类电机构成闭环进给系统。这种电动机分为电励磁和永久磁铁励磁（永磁式）两种，占主导地位的是永磁式电动机。永磁式大惯量伺服电动机具有下列特点：
（1）高性能的铁氧体（永磁体的一种材料）具有大的矫顽力和足够的厚度，能承受高的峰值电流以满足快的加减速的要求。
（2）大惯量的结构使在长期过载工作时具有大的热容量。
（3）低速高转矩和大惯量结构可以与机床进给丝杆直接连接。
（4）一般没有换向极和补偿绕组，通过仔细选择电刷材料和磁场的结构，使得在较大的加速度状态下有良好的换向性能。
（5）绝缘等级高，从而保证电动机在反复过载的情况下仍有较长的寿命。
（6）在电动机轴上装有精密的测速发电机，旋转变压器或脉冲编码器，从而可以得到精密的速度和位置检测信号，以反馈到速度控制单元和位置控制单元。
大惯量（宽调速）直流伺服电动机虽然具有上述特点，但是，对它进行控制不如步进电机简单，快速响应性能也不如小惯量电动机，宽调速直流伺服电动机转子由于采用良好 绝缘，耐温可达150℃～200℃。转子温度高，热量通过转轴传到丝杆，丝杠的变形将影响传动精度，因此，出现了热管形的大惯量电机，即将电机轴做成空心，在轴内装氟里昂之类的工作介质，介质在管内反复蒸发和冷却，将热量由高温区传至低温区，最终散发到周围环境中去。
3．直流伺服电机的可控硅调速系统
可控硅（晶闸管）直流调速系统中，为实现转速和电流两种反馈分别起作用，系统中设置了两个调节器，分别对转速和电流进行调节，两者之间实现串联连接。此系统主要由电流调节回路（内环）、速度调节回路（外环）和可控硅整流放大器（主回路）等部分组成，如图4-17所示。来自数控装置的速度指令电压Up，一般是0～10V的直流电压，与速度反馈电压UG（由测速发电机或脉冲编码器检测并经变换而得）比较后，其偏差值送到速度调节器ST的输入端，速度调节器的输出就是电流指令信号Ui，Ui与电流反馈信号Ui′（由霍尔元件检测器测出并经变换而得）比较后，经电流调节器LT输出Uk送到触发电路，产生主回路中晶闸管的触发脉冲，通过脉冲分配器去触发相应的晶闸管。当速度指令信号增大，Uk的电压值随之增大，使触发器的触发角α减小（即脉冲前移），整流放大器的输出直流电压提高，电机转速上升。反之，输出直流电压减低，电机转速下降。采用双环调节系统，可以使电机的启动、制动过程最短，系统具有良好的静态和动态性能。
图4-17 可控硅（晶闸管）直流调速系统
4．晶体管脉冲调宽（PWM）调速系统
晶体管脉冲调宽系统（PMW）是近几年出现的一种调速系统。利用开关频率较高的大功率晶体管作为开关元件，将整流后的恒压直流电源，转换成幅值不变，但是脉冲宽度（持续时间）可调的高频率矩形波，给伺服电机的电枢回路供电。通过改变脉冲宽度的方法来改变电枢回路的平均电压，达到电机调速的目的。
图4-18 直流伺服电机的脉冲调宽调速系统
直流伺服电机的脉冲调宽调速系统的原理图如图4-18所示，它也是一个双闭环的脉宽调速系统。系统的主电路是晶体管脉宽调制放大器PWM，此外，还有速度控制回路和电流控制回路。电流控制器的输出Uc是经变换后的速度指令电压，它与三角波UT经脉宽调制电路C，调制后得到调宽的脉冲系列，它作为控制信号输送到晶体管脉宽调制放大器PWM各相关晶体管的基极，使调宽脉冲系列得到放大，成为直流伺服电机电枢的输入电压。
常用的H形双极性脉宽放大器的原理图如图4-19所示。该电路是由四个大功率晶功放电路，其作用是对电压——脉宽变换器输出的信号Us进行放大，输出具有足够功率的信号，以驱动直流伺服电动机。
图4-19 H型桥式PWM晶体管功率放大器的电路原理图
图中，大功率晶体管VT1～VT4组成H型桥式结构的开关功放电路，由续流二极管VDl～VD4构成在晶体管关断时直流伺服电动机绕组中能量的释放回路。Us来自于电压——脉宽变换器的输出，-Us可通过对+US反相获得。当Us＆gt;0时，VTl和VT4导通，当Us＆lt; 0时，VT2和VT3导通。按照控制指令的不同情况，该功放电路及其所驱动的直流伺服电动机可有以下三种工作状态：
（1）当UAB＝0时，US的正、负脉宽相等，直流分量为零，VT1和VT4的导通时间与VT2和VT3的导通时间相等，流过电枢绕组中的平均电流等于零，电动机不转。但在交流分量作用下，电动机在停止位置处微振，这种微振有动力润滑作用，可消除电动机启动时的静摩擦，减小启动电压。
（2）当UAB＆gt;0时，Us的正脉宽大于负脉宽，直流分量大于零，VT1和VT4的导通时间长于VT2和VT3的导通时间，流过绕组中的电流平均值大于零，电动机正转，且随着UI增加，转速增加。
（3）当UAB＆lt;0时，US的直流分量小于零，电枢绕组中的电流平均值也小于零，电动机反转，且反转转速随着Ui减小而增加。
（4）当VT1和VT4或VT2和VT3始终导通时，电动机在最高转速下正转或反转。PWM调速系统具有以下特点：
① 开关频率高。其频率可至2kHz，比机械部件的固有频率高得多，可以避开机械部分的共振点，不至于引起共振。
② 纹波系数（波形因素）低。即电流的有效值与平均值之比低，一般为1.005～1.01，几乎接近于1。电枢回路的电抗，就足以将脉冲滤平，接近于纯直流。因此电磁转矩恒定，电机运行平稳。
③ 频带较宽。即系统能够响应的频率范围较宽，因此，系统的动态特性好，有良好的线形，尤其是接近于零点时，线性度好。
④ 可在高峰值电流下工作。其峰值限制在额定电流的两倍以内，这样的安全峰值电流，可以保护永磁电机不至于退磁，延长电机电刷的寿命，减少电机发热。
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