PWM速度控制系統(tǒng)是通過脈寬調(diào)制器對大功率晶體管的開關(guān)時(shí)間進(jìn)行控制，將直流電壓轉(zhuǎn)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(diào)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(bǔ)器)轉(zhuǎn)換后，輸出一系列的均勻脈沖。為了使實(shí)際機(jī)床位置分辨率與指令脈沖相對應(yīng)，系統(tǒng)中通常都需要通過指令倍乘器CMR，對指令脈沖進(jìn)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(bǔ)償(D)運(yùn)算、合成后，送到脈寬調(diào)制器(PWM)進(jìn)行脈寬調(diào)制。被調(diào)制的脈沖經(jīng)過D/A變換器轉(zhuǎn)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(jī)旋轉(zhuǎn)后，脈沖編碼器(PC)發(fā)出的脈沖，經(jīng)斷線檢查器(BL)確認(rèn)無信號斷線之后，送到鑒相器(DG)，進(jìn)行電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)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(jìn)行比較，從而實(shí)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(shè)置不同的CMR與DMR值，可以將指令脈沖的移動量和實(shí)際機(jī)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(diào)制器，并與三角波發(fā)生器產(chǎn)出的三角波進(jìn)行邏輯運(yùn)算后，經(jīng)脈寬調(diào)制、驅(qū)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(jìn)行邏輯運(yùn)算后，經(jīng)脈寬調(diào)制、驅(qū)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(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，圖5-4中各信號的波形如圖5-5所示。此時(shí)，電動機(jī)電樞回路工作可以分以下4步：
1)VTB和VTC晶體管導(dǎo)通。這時(shí)電流方向從直流電源的“+”端，經(jīng)過VTC、電動機(jī)M、VTB回到電源的“－”端。
2)VTC和VTA晶體管導(dǎo)通。此時(shí)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(gòu)成回路。
3)VTB和VTC晶體管導(dǎo)通。此過程同第一步。
4)VTB和VTD晶體管導(dǎo)通。此時(shí)電流方向從電動機(jī)M經(jīng)VTB、續(xù)流二極管VDd構(gòu)成回路。
主回路按上述順序循環(huán)工作，從而形成對電動機(jī)的連續(xù)供電，使電動機(jī)正向旋轉(zhuǎn)。波形圖中的∆t是工作死區(qū)，該值一定要大于晶體管的關(guān)斷時(shí)間，以確保晶體管不會出現(xiàn)VTA和VTB、VTC和VTD同時(shí)導(dǎo)通的情況，以避免電源短路。
圖5-5中，虛線是表示當(dāng)ER值(-ER值)較小時(shí)的情況。在這種情況下，給電動機(jī)電樞供電的晶體管導(dǎo)通時(shí)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(jī)的轉(zhuǎn)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(diào)制各點(diǎn)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(diǎn)：
1)能有效防止系統(tǒng)產(chǎn)生共振，提高了數(shù)控機(jī)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(jī)械系統(tǒng)的共振，影響數(shù)控機(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率，避免了系統(tǒng)可能產(chǎn)生的共振。
2)電樞電流脈動小，保證了機(jī)床在低速運(yùn)動時(shí)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(shí)，電流斷續(xù)嚴(yán)重。由于電樞電流的不連續(xù)，將影響到低速運(yùn)行的穩(wěn)定性，這也是SCR速度控制系統(tǒng)產(chǎn)生低速脈動的原因之一。在PWM速度控制系統(tǒng)中，由于開關(guān)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(jī)床在低速時(shí)仍然可以平滑、穩(wěn)定地工作。
3)電動機(jī)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(jī)在同樣的輸出轉(zhuǎn)矩(它與電流的平均值成正比)時(shí)，前者的電動機(jī)損耗和發(fā)熱均較后者小，在數(shù)控機(jī)床上，它可以減少電動機(jī)發(fā)熱，減小熱變形，提高機(jī)床精度。
4)PWM速度控制系統(tǒng)的系統(tǒng)響應(yīng)快。當(dāng)PWM控制方式的速度控制單元與小慣量的電動機(jī)相匹配時(shí)，可以充分發(fā)揮系統(tǒng)的性能，使系統(tǒng)具有快的響應(yīng)，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(yīng)頻率范圍，因此整個(gè)系統(tǒng)的動態(tài)特性好，系統(tǒng)校正瞬態(tài)負(fù)載擾動的能力強(qiáng)。特別是在負(fù)載周期性變化的場合，機(jī)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。
