直流主轴伺服系统工作原理

4.3.1　直流主轴伺服系统工作原理

直流主轴电动机驱动多采用晶闸管调速的方式。

1．控制电路

控制回路采用电流反馈和速度反馈的双闭环调速系统，其中内环是电流环，外环是速度环。主轴电动机为他励式直流电动机，励磁绕组与电枢绕组无连接关系，由另一路直流电源供电。如图4-4所示为直流主轴电动机驱动控制示意图。

图4-4　直流主轴电动机驱动控制

双闭环调速系统的特点是，速度环速度调节器的输出作为电流调节器的给定信号来控制电动机的电流和转矩。其优点在于：可以根据速度指令的模拟电压信号与实际转速反馈电压的差值及时控制电动机的转矩。在速度差值大时，电动机转矩大，速度变化快，可尽快地使电动机的转速达到给定值；而当转速接近给定值时，又能使电动机的转矩自动减小，这样可以避免过大的超调，使转速很快达到给定值，保证转速稳态无静差。电流环的作用是：当系统受到外来干扰时，能迅速地作出抑制干扰的响应，保证系统具有最佳的加速和制动的时间特性。另外，双闭环调速系统以速度调节器的输出作为电流调节器的输入给定值，速度调节器的输出限幅值就限定了电流环中的电流。在电动机启动或制动过程中，电动机转矩和电枢电流急剧增加，电枢电流达到限定值，使电动机以最大转矩加速，转速直线上升。当电动机的转速达到甚至超过了给定值时，速度反馈电压大于速度给定电压，速度调节器的输出从限幅值降下来，它作为电流调节器的输入给定值将使电枢电流下降，电动机的转矩也随之下降，开始减速。当电动机的转矩小于负载转矩时，电动机又会加速直到重新回到速度给定值，因此，双闭环直流调速系统对保证主轴的快速启停，保持稳定运行等功能是很重要的。

磁场控制回路由励磁电流设定回路、电枢电压反馈回路及励磁电流反馈回路组成，输出信号经比较后控制励磁电流。以FANUC直流主轴电动机为例，当电枢电压低于210V，电枢反馈电压低于6.2V时，磁场控制回路中电枢电压反馈相当于开路不起作用，只有励磁电流反馈作用，维持励磁电流不变，实现调压调速；当电枢电压高于210V，电枢反馈电压高于6.2V时，励磁电流反馈相当于开路不起作用，而引入电枢反馈电压。随着电枢电压的提高，调节器即对磁场电流进行弱磁升速，使转速上升。这样，通过速度指令，电动机转速从最小值到额定值对应电动机电枢的调压调速，实现恒转矩控制，从额定值到最大值对应电动机励磁电流减小的调磁调速，实现恒功率控制。

直流主轴驱动装置一般具有速度到达、零速检测等辅助信号输出，同时还具有速度反馈消失、速度偏差过大、过载及失磁等多项报警保护措施，以确保系统安全可靠工作。

2．主电路

数控机床直流主轴电动机由于功率较大，且要求正、反转及快速停止，故驱动装置往往采用三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统，这样，在制动时除了缩短制动时间外，还能将主轴旋转的机械能转换成电能送回电网。如图4-5所示为三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统的主电路。逻辑无环流可逆系统是利用逻辑电路，使一组晶闸管在工作时，另一组晶闸管的触发脉冲被封锁，从而切断正、反两组晶闸管之间流通的电流（简称环流）。

图4-5　三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统主电路

命令级电路的作用是防止正、反向两组晶闸管同时导通，它要检测电枢电路的电流是否到达零值，判别旋转方向命令，向逻辑电路提供正组或反组晶闸管允许开通信号，这两个信号是互斥的，由逻辑电路保证不同时出现。

逻辑电路必须保证系统满足下述条件：

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，导致出现逆变颠覆现象，造成故障；

③只有当原先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。

逻辑无环流可逆调速系统除了用在数控机床直流主轴电动机的驱动外，还可用在功率较大的直流进给伺服电动机上。