PWM速度控制系統(tǒng)是通過脈寬調制器對大功率晶體管的開關時間進行控制,將直流電壓轉換成某種頻率的方波電壓,并通過對脈沖寬度的控制,改變輸出直流平均電壓的自動調速系統(tǒng)。以脈沖編碼器作為檢測器件的常見PWM直流伺服系統(tǒng)的框圖如圖5-3所示。其工作過程如下:

圖5-3 PWM直流伺服系統(tǒng)原理圖
數(shù)控裝置CPU發(fā)出的指令信號,經(jīng)過數(shù)值積分器DDA(即為插補器)轉換后,輸出一系列的均勻脈沖。為了使實際機床位置分辨率與指令脈沖相對應,系統(tǒng)中通常都需要通過指令倍乘器CMR,對指令脈沖進行倍頻/分頻變換。指令脈沖與位置反饋脈沖比較的差值,送到誤差寄存器ER;誤差寄存器的輸出與位置增益(G)、偏移值補償(D)運算、合成后,送到脈寬調制器(PWM)進行脈寬調制。被調制的脈沖經(jīng)過D/A變換器轉換成模擬電壓,作為速度控制單元(V)的指令電壓VCMD輸出。
電動機旋轉后,脈沖編碼器(PC)發(fā)出的脈沖,經(jīng)斷線檢查器(BL)確認無信號斷線之后,送到鑒相器(DG),進行電動機的旋轉方向的識別。鑒相器的輸出分二路,一路經(jīng)F/V變換器,將反饋脈沖變換成測速電壓(TSA),送速度控制單元,并與VCMD指令進行比較,從而實現(xiàn)速度的閉環(huán)控制。另一路輸出到檢測倍乘器DMR,經(jīng)倍乘后送到比較器作為位置環(huán)的位置反饋輸入。
通過設置不同的CMR與DMR值,可以將指令脈沖的移動量和實際機床的每脈沖移動量相一致,從而使控制系統(tǒng)能適合于各種場合。速度控制單元V的框圖與原理如圖5-4所示。

圖5-4 PWM速度控制單元原理框圖
由圖5-4可見,指令電壓VCMD與測速反饋信號TSA經(jīng)過比較、放大后,輸出誤差信號“ER=K(VCMD-TSA)”和“-ER=-K(VCMD-TSA)”。誤差信號ER送到A相和B相調制器,并與三角波發(fā)生器產出的三角波進行邏輯運算后,經(jīng)脈寬調制、驅動放大之后輸出TRA和TRB信號,控制晶體管VTA和VTB的基極;-ER信號與三角波進行邏輯運算后,經(jīng)脈寬調制、驅動放大之后輸出TRC和TRD信號,控制晶體管VTC和VTD的基極。
電動機正轉時,圖5-4中各信號的波形如圖5-5所示。此時,電動機電樞回路工作可以分以下4步:
1)VTB和VTC晶體管導通。這時電流方向從直流電源的“+”端,經(jīng)過VTC、電動機M、VTB回到電源的“-”端。
2)VTC和VTA晶體管導通。此時電樞電感釋放能量,電流從電樞M經(jīng)二極管VDa、晶體管VTc構成回路。
3)VTB和VTC晶體管導通。此過程同第一步。
4)VTB和VTD晶體管導通。此時電流方向從電動機M經(jīng)VTB、續(xù)流二極管VDd構成回路。
主回路按上述順序循環(huán)工作,從而形成對電動機的連續(xù)供電,使電動機正向旋轉。波形圖中的∆t是工作死區(qū),該值一定要大于晶體管的關斷時間,以確保晶體管不會出現(xiàn)VTA和VTB、VTC和VTD同時導通的情況,以避免電源短路。
圖5-5中,虛線是表示當ER值(-ER值)較小時的情況。在這種情況下,給電動機電樞供電的晶體管導通時間變短,電樞兩端的電壓脈寬變窄,平均電壓較低,從而使直流電動機的轉速降低,以上就是PWM速度控制系統(tǒng)的工作原理。

圖5-5 脈寬調制各點波形圖
PWM速度控制系統(tǒng)與SCR速度控制系統(tǒng)相比,具有如下優(yōu)點:
1)能有效防止系統(tǒng)產生共振,提高了數(shù)控機床工作的穩(wěn)定性。在SCR速度控制系統(tǒng)中,由于晶閘管的工作頻率與電源頻率相同,為50/60Hz,因此電樞電流脈動頻率亦為50/60Hz,從而可能誘發(fā)機械系統(tǒng)的共振,影響數(shù)控機床的工作穩(wěn)定性,從而影響被加工零件的表面精度。而在PWM控制方式中,由于晶體管工作頻率很高(約2kHz),遠遠高于機械系統(tǒng)的固有頻率,避免了系統(tǒng)可能產生的共振。
2)電樞電流脈動小,保證了機床在低速運動時仍能穩(wěn)定地工作。在SCR速度控制系統(tǒng)中,整流波形差,特別是在低速、輕載時,電流斷續(xù)嚴重。由于電樞電流的不連續(xù),將影響到低速運行的穩(wěn)定性,這也是SCR速度控制系統(tǒng)產生低速脈動的原因之一。在PWM速度控制系統(tǒng)中,由于開關頻率很高,依靠電樞繞組的電感濾波作用就可獲得脈動很小的直流電流,而且電樞電流也很容易連續(xù),因此,機床在低速時仍然可以平滑、穩(wěn)定地工作。
3)電動機損耗、發(fā)熱小。由于PWM速度控制系統(tǒng)輸出電流的紋波系數(shù)(電流有效值和平均值之比)只有1.001~1.03,而SCR速度控制系統(tǒng)為1.05~1.6,所以電動機在同樣的輸出轉矩(它與電流的平均值成正比)時,前者的電動機損耗和發(fā)熱均較后者小,在數(shù)控機床上,它可以減少電動機發(fā)熱,減小熱變形,提高機床精度。
4)PWM速度控制系統(tǒng)的系統(tǒng)響應快。當PWM控制方式的速度控制單元與小慣量的電動機相匹配時,可以充分發(fā)揮系統(tǒng)的性能,使系統(tǒng)具有快的響應,因此,它適合于頻繁起、制動的場合。
5)動態(tài)特性好。由于PWM控制方式具有很寬的響應頻率范圍,因此整個系統(tǒng)的動態(tài)特性好,系統(tǒng)校正瞬態(tài)負載擾動的能力強。特別是在負載周期性變化的場合,機床仍平穩(wěn)地工作,延長了刀具使用壽命,改善了被加工零件表面的精度。