电机速度调制

电机速度调制电机速度调制 姓姓 名：名： 回义龙、潘秋月、钱小飞、熊辉回义龙、潘秋月、钱小飞、熊辉 课程名称：机电一体化系统设计，单片机原理及应用课程名称：机电一体化系统设计，单片机原理及应用 指导教师：赵永生、王洪波、姚建涛、史小华指导教师：赵永生、王洪波、姚建涛、史小华 内容简介内容简介 一直流电动机的调速方法一直流电动机的调速方法 1 1、调节电枢电压调速、调节电枢电压调速 2 2、改变电动机励磁调速、改变电动机励磁调速 3 3、改变电枢回路电阻调速、改变电枢回路电阻调速 二、交流伺服电动机速度控制原理二、交流伺服电动机速度控制原理 1 1、恒转矩调速、恒转矩调速 2 2、恒最大转矩（、恒最大转矩（ mm ）调速）调速 3 3、恒功率调速、恒功率调速 三、交流电机的变频调速三、交流电机的变频调速 1 1、直流变交流、直流变交流 2 2、脉宽调制（、脉宽调制（PWMPWM）. . 直流电动机的调速方法直流电动机的调速方法 直流电动机转速表达式为 n=(U-IdR)/Ke （1-1） 式中 n 转速，r/min U电枢电压，V Id电枢电流,A R电枢回路总电阻， 励磁磁通量，Wb Ke电动机结构决定的电势常数. 由上式可以看出，直流电动机转速的调节有以下三种 方法：1）调节电枢电压调速；2）改变电动机励磁调速； 3）改变回路电阻调速。 一、调节电枢电压调速一、调节电枢电压调速 图1-1中 ，Ri为可控电源电阻：Ud0为理想空载电压。 转速方程为 n=(U-IdR)/Ke= Ud0/ce- RId/ce=n0-n （1-2） 式中ce = Ke 电动机在额定磁通下的电视转速比； n0 = Ud0/ce 理想空载转速： n = RId/ce 转速降，R=Ra+Ri为电枢回路 总 电阻。 图（图（1 1- -1 1）变电枢电压调速系统）变电枢电压调速系统 改变Ud0就得到一组相互平行的机械特性，如 图1-1（b）所示。如果连续改变可控电源电压， 电动机转速就可以平滑连续的得到调节。由于电 枢回路电阻的存在，实际的转速要比理想转速低 一些。负载不变时，电枢电流Id不变，转速降n 也不变。可以看出，当电压低到一定时，由于转 速降的存在，电动机转速降为零（Ud04对应曲 线）；内阻越大，特性就越软，实际的调速范围 就越窄。 变电枢电压调速时，电动机轴输出功率 P=Ten/975= KeIdn/975 (1-3) 当负载为恒转矩负载时 P=Kn (1-4) 式中K=Te/975; Te电磁转矩，负载转矩TL为恒转矩 时， Te= TL=常数，从而K为常数。 式（1-4）表示，对应于恒转矩负载，电 动机轴上输出功率与转速成正比。电动机 只有在电动机转速达到额定转速nnom时， 才能输出额定功率；而对不同的转速，容 许的输出转矩恒定。 变电枢电压调速的特点： （1）机械特性较硬，负载不变时，转速降 n 不变； （2）由于容许的输出转矩恒定，对于恒转 矩性负载的拖动调速，能充分利用电动机 容量； （3）由于电枢回路时间常数小，系统的动 态响应快，适合于要求快速起、制动的设 备的传动系统中，如初轧机、龙门刨床等 设备。 二、改变电动机励磁调速二、改变电动机励磁调速 电动机转速方程为 n=U/Ke- RaIa/Ke= n0-n 式中 U电枢端电压，为常数； Ra电枢电阻 当负载电流不变时，改变可控电压Uf ,也就是说，改变 电动机励磁磁通量时，电动机的理想空载转速和转速降 都在变化，随着磁通量的减少，转速降就越来越大，机械 特性也就越软，如图1-2所示。 图图1 1- -2 2 磁场调节调速系统磁场调节调速系统 （a a）原理图；（）原理图；（b b）机械特性）机械特性 ?这种调速方式下，调速时，电动机轴上容许 输出功率P= KmIdn/975 基本不变，适用于 恒功率性质负载的拖动调速上。 ?变励磁磁通调速的特点： ?（1）机械特性软，负载变化时转速的波动较 大； ?（2）可控电源容量小，一般为电动机容量的 10%以下，电源设备造价低； ?（3）磁场的时间常数大，系统的动态响应 慢，适合于起、制动快速性要求不高的设备的 传动控制。 ? 三、改变电枢回路电阻调速三、改变电枢回路电阻调速 改变电枢回路电阻的调速方法就是在电枢 回路中串接附加电阻R1、R2，来改变 电动机电枢端电压，从而实现调速的目 的。如图1-3（a）所示，通过控制接触器 C1、C2的通断来改变串入的电阻值。C1、 C2全打开时，电枢回路总电阻 R=Ra+R1+R2最大，转速降n = RId/ Ke 也就最大。系统的调速性能如图1-3 （b）所示。 图图1 1- -3 3 改变电枢电阻调速系统改变电枢电阻调速系统 （a a）电路；（）电路；（b b）机械特性）机械特性 这种调速方法的特点是： （1）系统的结构简单； （2）调速不连续，不平稳； （3）机械特性软，从而影响调速范围。 （4）电动机速度的改变是靠改变电枢回路串接电阻 大小来实现的，调速范围越大，串入电阻就越 大，相应的电阻上消耗的能量就越大，这是很不 经济的。 综上所述，三种调速方法中，改变电动机电 枢电压调速方法优点较多，因而应用也最广泛。 交流伺服电动机速度控制原理交流伺服电动机速度控制原理 1.1.交流电动机的调速交流电动机的调速 a.a.交流同步电动机的转速交流同步电动机的转速 Nr=Ns=60f/p Nr=Ns=60f/p （1 1） 交流同步电动机的转速是有供电频率决定交流同步电动机的转速是有供电频率决定 的，由变频电源供电给同步电动机时，能方便的，由变频电源供电给同步电动机时，能方便 的获得与频率成正比的可变速度，可以得到非的获得与频率成正比的可变速度，可以得到非 常硬的机械特性及宽的调速范围。常硬的机械特性及宽的调速范围。 b.b.交流异步电动机的转速表达式交流异步电动机的转速表达式 N=60fN=60f（1 1- -s s）/p/p（2 2） 异步电动机的调速方法可以有变转差率、异步电动机的调速方法可以有变转差率、 变极对数和变频变极对数和变频3 3种。考改变转差率对异步电种。考改变转差率对异步电 动机进行调速时，低速时转差率大动机进行调速时，低速时转差率大 效率低。 变极调速只能产生两种或三种转速不能做成 无级调速，应用围窄。 变频调速是从高速到低速都可 以保持有限的转差率，故而它具有高效率、宽范围和 高精度的调速性能，是一种比较理想的调速方法。 在遇到实际问题时，只改变频率是不够的，由电机 学知： E=044kr1fnm （3） 式中 E感应电动势； Kr1基波绕组系数； N定子每相组绕组串联系数； m每极气隙磁通量 当略去定子阻抗压降时，定子相电压U为 UE=kEfm（4） 又从转矩公式 T=CtmI cos（5） 式中 Ct 转矩常数 I折算到定子上的转子电流； cos转子电路功率因数 由上式可见，m减小导致T下降，则电动机利用率下 降，电机的最大转矩也将下降，严重时会发生堵转现 象。又当电压U不变，减小f时， m会上升造成磁路饱 和，励磁电流上升，铁芯过热，功率因数下降，电机带 负载能力下降。 所以，在调频的同时改变定子电压U,以 维持m接近不变，由U、f不同的相互关系，而得出不 同的变频调速方式、不同的调速机械性能。 、恒转矩调速 由转矩公式（5）知，T与m、I成正比。要保持T不变 即要求U/f为常数，可以近似的维持m恒定。此时的机械 性能曲线族如图示： 、恒最大转矩（m ）调速 为了在低速时保持最大转矩Tm不变，就必须采取E/f= 常熟的协调控制，显然，这是一种理想的保持磁通恒定 的控制方法。 、恒功率调速、恒功率调速 为了扩大调速范围，可以在额定 频率以上进行调速。因电动机绕 组时按额定电压等级设计的，超 过额定电压运行将受到绕组绝缘 强度的限制，因此定子电压不可 能与频率成正比的提高。若频率 上升，额定电压不变，那么气隙 磁通将随着f的升高而降低。这 时。相当于额定电流使得转矩也 减小，特性变软。如图示 交流电机的变频调速交流电机的变频调速 变频调速的主要环节是能为交流电动机提供变 频电源的变频器。变频器的作用是，将频率固定 的交流电（电网50Hz）,变换成频率连续可调的交 流电（0400Hz）。变频器可以分为交-直-交变 频器和交-交变频器两大类。交-交变频器只需一 次电能转换，效率高，工作可靠，但是频率的变 化范围有限。交-直-交变频器，虽然两次电能转 换，但频率范围不受限制，目前应用的比较广 泛。 下图为脉宽调制（PWM）变频器的主电路。 变频器控制电路原理图 直流变交流 图中续流二极管VD1VD6，为之后电流提供 一条返回到电源的通路，逆变管V1V6组成逆变 桥，A、B、C为逆变桥的输出端。电容Cd的功能 是：滤平全波整流后的电压波纹；当负载变化 时，使直流电压保持平稳。 交流电动机变频调速系统中的关键之一就是逆 变器，由于调速的要求，逆变器必须具有频率连 续可调以及输出电压连续可调，并与频率保持一 定的比例关系等功能。 1 1、直流变交流、直流变交流 逆变管V1V6以一定的顺序动作（导通和关 断）就能间质瘤点变为三相交流电。 如下图示，在t1、t2时间内，V1、V6同时导通，A为 正，B为负，uAB为正。在t4、t5时间内，V3、V4同时导 通，A为负B为正，uAB为负。 在t3、t4时间内，V3、V4同时导通，B为正，C为负， uBC为正。在 t6、t1时间内，V5、V6 同时导通，B 为负， C 为正，uBC 为负。 在t5、t6时间内，V5、V4同时导通，C为正，A为负，uCA 为正。在t2、t3 时间内，V1。v2 同时导通，C 为负， A 为正，uCA 为负。 图中阴影部分为逆变管的导通时间，其 余为关断时间。由波形图知，各相之间相 位互差2/3，幅值相等。 只要按照一定得规律来控制逆变管的通 断时间，即可得到不同的输出频率。 2、脉宽调制（PWM）. 脉宽调制技术是利用半导体器件的通断，把直流电压编 程一定形状的电压脉冲系列，以实现变频、变压。 以直流电机为例，说明以直流电机为例，说明PWMPWM调速原理，见下图调速原理，见下图 ? 如果开关s按一定得频率闭合和断开，则直流电 机的电压为若干个脉冲波，高度为电源电压U。 则占空比为 =1/(1+2) 1，2 分别为每个脉冲宽度,及脉冲 间隔宽度. 加在电枢上的平均电压为 Ud =U 电压平均值和占空比成正比，调节占空比就是调节逆变 器通断时间之比。改变平均电压就可改变转速。 P PWMWM调速系统原理图调速系统原理图 利用脉冲宽度调制逆变器可实现变频 和变压。 由下图示，控制各逆变管导通与关断 时间，获得宽度随时间变化的给定频 率的电压脉冲，因电压的平均值和占 空比成正比，所以在调节频率的同 时，改变输出电压脉冲的占空比，就 能实现变频和变压。与图a相比，图b 电压周期增大。 脉冲宽度调制(Pulse Width ModulationPWM)是指将输出信号的 基本周期固定，通过调整基本周期内工 作周期的大小来控制输出功率。对于一 个定时器来说，其时钟源输入频率一般 不变，即TCFG0（定时器预分频值）和 TCFG1（定时器分割值）的值设定后就 不需改变。这样对于PWM提供了一个 稳定的时钟源。电机的转速与电机两端 的电压成比例，而电机两端的电压与控 制波形的占空比成正比，因此电机的速 度与占空比成比例，占空比越大，电机 转得越快。系统中 PWM脉冲频率就由TCNTBn决定，PWM脉 冲宽度值则由TCMPBn的值来决定，而占空 比即为TCMPn/TCNTn。如果要使电机转速 下降，即得到一个比较低的PWM脉宽输出 值，可以减少TCMPBn的值；要使电机转速 增加，即得到一个更高的PWM的输出值， 可以增加TCMPBn的值。由于双缓冲器的特 性，下一个PWM周期的TCMPBn值可以通 过ISR（中断服务程序）或其他手段在当前 PWM周期中低电平时的任何一点写入