西门子6ES7 211-1AE40-0XB0型号介绍
直流伺服具有良好的启动、制动和调速特性，可以方便地在较宽的范围内实现平滑无级调速，故其常用在对伺服电动机的调速性能要求较高的设备中。直流伺服电动机根据磁场励磁的方式不同，可以分为它励式、永磁式、并励式、串励式、复励式五种；按结构来分，可以分为电枢式、无槽电枢式、印刷电枢式、空心杯电枢式等；按转速的高低可分为两大类，高速直流伺服电动机和低速大扭矩宽调速电动机。
1.高速直流伺服电动机
高速直流伺服电动机又可分为普通直流伺服电动机和高性能直流伺服电动机。普通高速它励式直流伺服电动机的应用历史长，但是，这种电动机的转矩-惯量比很小，不能适应现代伺服控制技术发展的要求。
2.低速大扭矩宽调速电动机
低速大扭矩宽调速电动机又称为直流力矩电机，由于它的转子直径较大，线圈绕组多，所以力矩大，转矩—惯量比高，热容量高，能长时间过载，不需要中间传动装置就可以直联丝杠工作；并且，由于没有励磁回路的损耗，它的外形尺寸比其它直流小。另外，低速大扭矩宽调速电动机还有一个重要的特点：低速特性好，能够在较低的速度下平稳运行，低速可以达到1r/min，甚至达到0.1r/min。
目前，在进给驱动中采用的直流主要是大惯量宽调速永磁式直流伺服电动机，本节将主要对这种电动机进行分析介绍。
1.永磁直流伺服电动机基本结构与特点
这种电机的基本结构如图所示，其同普通直流电动机的结构类似，也是由定子、转子、电刷和换向器等组成。该种电动机的定子磁极是个采用铝镍钴合金、钕铁硼、或稀土钴等材料所做成的磁体，矫顽力很高，能够产生极大的峰值转矩以满足高的加、减速要求；且即使在较高的磁通密度下保持性能稳定(即不出现退磁)。转子的铁心上斜槽数目较多，且在一个槽内分布有几个虚槽以减少转矩波动。电刷的材料也经过仔细筛选，使得其可以在较大的加速度状态下也有良好的换向性能。低波纹测速机等其它检测元件如旋转变压器、脉冲编码器可以装在电动机轴上，从而可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。该种电动机既具有一般直流电动机便于调速、机械性能较好的优点，又具有小惯量直流电机快速响应性能的优势。
2.永磁直流伺服电动机工作原理
直流电动机工作原理的示意图如图所示。
在转子绕组中的任何一根导体，只要一转过中性线，从定子s极下的范围进入了定子n极下的范围，由于电刷和换向器的作用，那么这根导体上的电流一定要反向；反之则由定子n极下的范围进入定子s极下的范围时，导体上的电流也要发生反向。因此转子的总磁势正交，在转子磁场与定子磁场相互作用下产生了电动机的电磁转矩，从而使电动机转动。
机械特性是电机的静态特性，是稳定运行时带动负载的性能，此时，电磁转矩与外负载相等。当电机带动负载时，电机转速与理想转速产生转速差δn，它反映了电机机械特性的硬度，δn越小，表明机械特性越硬，性能越好。
由直流的转速公式可知，直流电机的基本调速方式有三种，即调节电阻r、调节电枢电压u和调节磁通ф的值。但电枢电阻调速不经济，而且调速范围有限，很少采用。
（1）在调节电枢电压时，若保持电枢电流i不变电流，则磁场磁通ф保持不变，由可知，电机电磁转矩t保持不变，为恒定值，因此把调压调速也称为恒转矩调速。
（2）调磁调速时，通常保持电枢电压u为额定电压，由于励磁回路的电流不能超过额定值，因此励磁电流总是向减小的趋势调整，使磁通下降，称为弱磁调速，此时转矩t也下降，则转速上升。调速过程中，电枢电压u不变，若保持电枢电流i也不变，则输出功率维持不变，故调磁调速又称为恒功率调速。
图是直流电机在调节电枢电压和调节磁通调速方式的机械特性曲线。在图中nn为额定转矩tn时的额定转速，δnn为额定转速差。由图可知：当调节电枢电压时，直流电机的机械特性为一组平行线，即机械特性曲线的斜率不变，而只改变电机的理想转速，保持了原有较硬的机械特性，所以伺服进给系统的调速采用调节电枢电压调速方式。而永磁式直流伺服电机的机械特性，正好满足于这一调速要求，因此，数控机床的进给系统常采用永磁式直流电机。
由图可知：调磁调速不但改变了电机的理想转速，而且使直流电机机械特性变软，所以调磁调速主要用于机床主轴电机调速。
直流速度控制单元的作用是将转速指令信号转换成电枢的电压值，达到速度调节的目的。现代直流电机速度控制单元常多采用晶闸管（可控硅，scr）调速系统和晶体管脉宽调制（pwm）调速系统。
1.晶闸管调速系统
1）晶闸管调速系统主电路
晶闸管调速系统采用的是大功率晶闸管，它的作用有两个，一是用作整流，将电网交流变为直流；二是在可逆控制电路中，电机制动时，把电机运转的惯性能转变为电能，并回馈给交流电网，实现逆变。为了对晶闸管进行控制，必须设有触发脉冲发生器，以产生合适的触发脉冲。晶闸管的整流电路有许多种，在中常用是三相桥式反并联可逆电路。
如图所示的就是三相桥式反并联可逆电路。其由12个可控硅大功率晶闸管组成，晶闸管分两组，s11 ～s16为一组， s21 ～s26为一组。每组按三相桥式联接，两组反并联，分别实现正转和反转。反并联是指两组变流桥反极性并联，由一个交流电源供电。每组晶闸管都有两种工作状态：整流和逆变。一组处于整流工作时，另一组处于待逆变状态。在电机降速时，逆变组工作。
三相全控桥式电路的电压波形如图所示。图上所标出的晶闸管触发角 α为π/3。晶闸管以π/3的间隔按次序开通，每6个脉冲电机转1转。由于晶闸管 以较快的速率被触发，所以流经电机的电流几乎是连续的。
其工作过程如下：当ωt=π/6+α时，s11开通而在此之前s16已被开通了。因此，当a相电压波形在π/6+α＜ωt＜π/6+α+π/3区间时，晶闸管s11和s16导通，电机端子与a 相和b相接通，故ud=uab。当ωt=α+π/3+π/6时，晶闸管s12开通，电流流经s12，而s16由于受反向偏置而关断(自然或电网换向)。这时s11和s12导通，电机两端电压ud=uac。就这样，每隔π/3又有一只晶闸管被开通，之后就重复上述过程。
由波形图可见，只要改变触发角α的值，则就可以改变电机电压的输入值，进而调节直流电机电枢的电流值，达到调节直流电机速度的目的。
在图中，rw1为转速定位器
，为转速偏差电压，un为转速反馈电压，δun为反馈偏差电压，a为比例放大器，uct为触发控制电压，gt为晶闸管的触发控制装置。
系统的工作情况及自动调速过程如下：
当系统在某一较小的转速给定电压
作用下启动时，开始一瞬间电机并未转动，故转速反馈电压un=0，反馈偏差电压δun=
，通过放大器后，输出较大的uct，触发器输出的触发角α将由起始状态时的90o下降，整流器输出电压也由ud=0上升到某一较大的值，在这一电压作用下（电流不超过允许值时）启动运转。随着转速的上升，反馈电压un上升，则转速偏差电压δun下降，uct随之下降，α上升，整流器输出电压ud也下降，电动机转差率也下降，直到转速n接近给定转速，即反馈电压un接近，电机即平稳运转。如前所述，电机转速只能接近给定转速，偏差大小与放大倍数紧密相关。但这种系统从原理上说就是有偏差的，故称为有差调速系统。
4）晶闸管供电转速电流双闭环直流调速系统
前面所述的转速负反馈单闭环调速系统实际上是不能用于数控机床进给系统，对于数控机床上要求高的调速系统，则要求快速启动、制动，动态速降要小等，通常采用转速电流双闭环系统。
转速电流双闭环调速系统如图所示。为了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，两者之间实行串级联接。
2.晶体管直流脉宽（pwm）调速系统
1）晶体管调速系统主电路
开关功率放大器是脉宽调制速度单元的主回路，其结构形式有两种，一种是h型(也称桥式) ，另一种是t型。每种电路又有单极性工作方式和双极性工作方式之分，而各种不同的工作方式又可组成可逆开关放大电路和不可逆开关放大电路。
图示为广泛使用的h型开关电路的工作原理图，它是由四个和四个功率管组成的桥式回路。直流供电电源+ed由三组全波整流电源供电。脉宽调制器输出的脉冲波u1、u2、u3、u4经光电隔离器，转换成与各脉冲相位和极性相同的脉冲信号u1、u2、u3、u4，并将其加到开关功率管vt1～vt4的基极。当电机正常工作时，在0 双极性和单极性的电路原理图是一样的，所不同的是右边两个管子的驱动信号不同。 2）晶体管直流脉宽（pulse width modulation,pwm）调速系统 （1）直流pwm伺服驱动装置的工作原理 pwm驱动装置是利用大功率晶体管的开关特性来调制固定电压的直流电源，按一个固定的频率来接通和断开，并根据需要改变一个周期内接通与断开时间的长短，通过改变直流伺服电动机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。 pwm控制的示意图如图所示，可控开关s以一定的时间间隔重复地接通和断开，当s接通时，供电电源u通过开关s施加到电动机两端，电源向电机提供能量，电动机储能；当开关s断开时，则中断电动机的能量供给。在开关s断开期间电枢电感所储存的能量则通过续流二极管vd使电动机电流继续流通。 假如加在电机两端为图所示的电压波形，则电机所获得的平均电压即为： 有式知：改变ton和toff即可改变转速，但这必须有相应的装置才能实现。图示的即为一种pwm驱动装置系统原理框图。 由图知：pwm驱动装置的控制结构可分为两大部分：从主电源将能量传递给电动机的功率转换电路以及控制电路。功率转换电路可为h型、t型功率放大电路；控制电路通常由恒频率波形发生器、脉冲宽度调制电路、基极驱动电路、保护电路等基本电路组成。 当三角形波电压uδ 与直流电压uk送入放大器后，如三角波高于控制电压时，输出为“空”；反之，输出为“占”，改变控制电压uk就可以改变占空比。其输出波形如图。 脉冲分配电路它根据功率转换电路工作制式，对v/w变换的信号进行适当的逻辑变换，分配给基极驱动电路以满足功率转换电路工作时通、断时序脉冲的电压要求。
