直流电动机的PWM调

1、1 直流电动机的 PWM调速系统 无锡职院数控设备教研室无锡职院数控设备教研室 2 上节回顾 从图中可以看出，接入直流电源以后，电刷从图中可以看出，接入直流电源以后，电刷A为正极性，电刷为正极性，电刷B为负极为负极 性。电流从正电刷性。电流从正电刷A经线圈经线圈ab、cd，到负电刷，到负电刷B流出。根据电磁力定律，流出。根据电磁力定律， 在载流导体与磁力线垂直的条件下，线圈每一个有效边将受到一电磁力的在载流导体与磁力线垂直的条件下，线圈每一个有效边将受到一电磁力的 作用。电磁力的方向可用左手定则判断，伸开左手，掌心向着作用。电磁力的方向可用左手定则判断，伸开左手，掌心向着N极，极，4指指指指

2、向电流的方向，与向电流的方向，与4指垂直的拇指方向就是电磁力的方向。在图示瞬间，指垂直的拇指方向就是电磁力的方向。在图示瞬间， 导线导线ab与与dc中所受的电磁力为逆时针方向，在这个电磁力的作用下，转子中所受的电磁力为逆时针方向，在这个电磁力的作用下，转子 将逆时针旋转即图中将逆时针旋转即图中S的方向。的方向。 直流电机工作原理直流电机工作原理 随着转子的转动，线圈边位置互换，这时要使转子连续转动则应使随着转子的转动，线圈边位置互换，这时要使转子连续转动则应使 线圈边中的电流方向也加以改变要进行换向。由于换向器与静止电刷的线圈边中的电流方向也加以改变要进行换向。由于换向器与静止电刷的 相互配合

3、作用，线圈不论转到何处，相互配合作用，线圈不论转到何处，B刷刷h始终与运动到始终与运动到N极下的线圈边相极下的线圈边相 接触，而电极接触，而电极A始终与运动到始终与运动到S极下的线圈边相接触这就保证了电流总极下的线圈边相接触这就保证了电流总 是经电刷经是经电刷经N极下导体流入，再沿极下导体流入，再沿S极导体经电刷极导体经电刷B流出。因而电磁力和电流出。因而电磁力和电 磁转矩的方向始终保持不变，使电机沿逆时针方向连续转动。磁转矩的方向始终保持不变，使电机沿逆时针方向连续转动。 3 他激式直流电机的种类他激式直流电机的种类 串励串励并励并励他励他励 4 永磁式直流伺服电机永磁式直流伺服电机 结构结

4、构 直流伺服电机构成 直流伺服电机的电源特点 直流伺服电机的类型 5 直流电机的基本方程直流电机的基本方程 静态方程静态方程 静态方程是指电机稳态下 的机械平衡方程，电压平 衡方程。 Ia 6 直流电机的机械特性方程直流电机的机械特性方程 e aaa C RIU n 式中 n 转速（r/min）； Ua 电枢电压（V）； Ia 电枢电流（A）； Ra 电枢回路总电阻（）； 励磁磁通（Wb）； Ce 由电机结构决定的电动势常数。 7 他励直流电动机的调速 电力拖动系统的调速电力拖动系统的调速: 1)机械调速机械调速; 2)电气调速电气调速 他励电动机的转速公式： e saa C RRIU n )

5、( a 电气调速方法：电气调速方法：1 1）调压调速；）调压调速； 2 2）电枢回路串电阻调速；）电枢回路串电阻调速； 3 3）调磁调速）调磁调速。 8 他励直流电动机的调速 调速指标调速指标： 1、调速范围、调速范围D： min max n n D 2、静差率（相对稳定性）、静差率（相对稳定性）%：指负载变化时， 转速变化的程度，转速变化小，稳定性好。 %100%100% 00 0 n n n nn NN %越小，相对稳定性越好； %与机械特性硬度和n0有关。 9 他励直流电动机的调速 D与%相互制约： )1 ( maxmax min0 max min max N N N N n n n n

6、 n nn n n n D 越小，越小，D D越小，相对稳定性越好；越小，相对稳定性越好； 在保证一定的在保证一定的指标的前提下，要扩大指标的前提下，要扩大D D， 须减少须减少nn，即提高机械特性的硬度。，即提高机械特性的硬度。 10 他励直流电动机的调速 3、调速的平滑性、调速的平滑性： 在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速 越平滑。相邻两级转速之比，为平滑系数越平滑。相邻两级转速之比，为平滑系数 ： 1 i i n n 越接近1，平滑性越好，当 时，称 为无级调速，即转速可以连续调节。调速不 连续时，级数有限，称为有级调速。 1 4、调速的经济

7、性、调速的经济性：主要指调速的投资、运行主要指调速的投资、运行 效率及维修费用等。效率及维修费用等。 11 他励直流电动机的调速 1、电枢回路串电阻调速、电枢回路串电阻调速 n TemTL Ra n0 nN A 0 A B n1 Ra+Rs1 n2 Ra+RS2 C RS1RS2 tt=0 n1 nN IaN ia n ia n 12 他励直流电动机的调速 优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。 缺点： 2）低速时特性曲线斜率大，静差率大， 所以转速的相对稳定性差； 3）轻载时调速范围小，额定负载时调速范 围一般为D2； 4）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩 负载，调速前、后因增通不变而使T

8、em和Ia不变， 输入功率不变，输出功率却随转速的下降而下 降，减少的部分被串联电阻消耗了。 1）由于电阻只能分段调节，所以调速的 平滑性差； 13 他励直流电动机的调速 2、降低电压调速、降低电压调速 Tem 0 n n N U TL N n A 1 U 01 n A B 1 n N UUU 12 2 U 02 n 2 n C 降压调速 过程与电枢串 电阻调速过程 相似，调速过 程中转速和电 枢电流（或转 矩）随时间变 化的曲线也相 似。 14 他励直流电动机的调速 优点优点：1）电源电压能够平滑调节，可实现无电源电压能够平滑调节，可实现无 级调速。级调速。 2）调速前后的机械特性的斜率不变

9、，硬调速前后的机械特性的斜率不变，硬 度较高，负载变化时稳定性好度较高，负载变化时稳定性好。 3）无论轻载还是负载，调速范围相同，无论轻载还是负载，调速范围相同， 一般可达一般可达 D=2.512。 4）电能损耗较小电能损耗较小。 缺点缺点：需要一套电压可连续调节的直流电源需要一套电压可连续调节的直流电源。 15 他励直流电动机的调速 3、减弱磁通调速、减弱磁通调速 01 n 1 A 1 n B N Tem n TL 0 n A N n 2 02 n 2 n C t t=0 n aN I n N n 1 n 1a I a i a i 16 他励直流电动机的调速 优点： 由于在电流较小的励磁回路

10、中进行调节，因而 控制方便，能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。 弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大， 但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率 基本不变，因此经济性是比较好。 缺点： 机械特性的斜率变大，特性变软； 转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的 限制，升速范围不可能很大，一般 D2； 为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方 法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定 转速以下采用降压 调速。 17 恒转矩调速方式 电机长期运行时，电枢电流应小于额定值 IN， 而电磁转矩 Te = Km I 。 在调压调速范围内，励磁磁通不变，容许的 输出转矩也不变，称作

11、“恒转矩调速方式恒转矩调速方式”。 18 恒功率调速方式 在弱磁调速范围内，转速越高，磁通越弱，容 许输出转矩减小，而容许输出转矩与转速的乘积 则不变，即容许功率不变，为“恒功率调速方恒功率调速方 式式”。 19 两种调速方式 Te N nNnmax 变电压调速弱磁调速 UN UP P TeU n O 两种调速方式 20 三种调速方法的性能与比较 u 改变电阻只能有级调速； u 减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不 大，在基速以上作小范围的弱磁升速。 u 调压调速能在较大的范围内无级平滑调速。 由于串电阻调速和弱磁调速都会使直流他励 电机的机械特性变软，所以在实际应用中我 们通常采用的是变电

12、压调速。 21 用晶闸管触发整流用晶闸管触发整流 整流电路实现电枢整流电路实现电枢 电压可调，从而达电压可调，从而达 到改变电机转速的到改变电机转速的 目的。目的。 这就是所谓的电这就是所谓的电 源源电动机调速电动机调速 系统（系统（VM） 系统，它属于开系统，它属于开 环系统。环系统。 22 而由已知条件并设系统电流连续，则其额定转速下而由已知条件并设系统电流连续，则其额定转速下 的转速降为：的转速降为： 例：某电源例：某电源电动机直流调速系统，已知电机的额定电动机直流调速系统，已知电机的额定 转速为转速为n=1000r/minn=1000r/min，额定电流，额定电流I IN N=305A

13、=305A，主回路电阻，主回路电阻 R=0.18R=0.18，CeCeN N=0.2=0.2，若要求电动机调速范围若要求电动机调速范围D=20D=20， s sn n5%5%，则该调速系统是否能满足要求？则该调速系统是否能满足要求？ min/5.274 2.0 18.0305 r C RI n Ne N 解：如果要满足解：如果要满足D=20D=20，Sn5%Sn三角波电压，输出正的电压三角波电压，输出正的电压 （2）控制信号电压）控制信号电压三角波电压，输出负的电压三角波电压，输出负的电压 三角波电压的峰值三角波电压的峰值 CC U DD U DP U （3）脉冲分配电路）脉冲分配电路 根据功

14、率转换电路工作方式，即大功率晶体管的导根据功率转换电路工作方式，即大功率晶体管的导 通次序，对通次序，对PWM调制变换信号进行适当的逻辑变换，分调制变换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方式配给基极驱动电路以满足功率转换电路方式“通通”、 “断断”时序的脉冲电压。时序的脉冲电压。 （4）基极驱动电路）基极驱动电路 对脉冲分配电路提供的脉冲进行前置功率放大，使对脉冲分配电路提供的脉冲进行前置功率放大，使 之激励功率转换电路的大功率晶体管。之激励功率转换电路的大功率晶体管。 44 （5 5）保护电路）保护电路 设置过电流、过电压、欠电压保护电路，一旦方式设置过电流、过电

15、压、欠电压保护电路，一旦方式 上述情况发生时，中断功率转换电路，有时候对大功率上述情况发生时，中断功率转换电路，有时候对大功率 晶体管的局部发热和电动机的温升进行监控，以提供过晶体管的局部发热和电动机的温升进行监控，以提供过 热保护。热保护。 45 PWM PWM驱动装置控制原理驱动装置控制原理 当控制信号电压增加时，它与固定频率的三当控制信号电压增加时，它与固定频率的三 角波相比较，产生一个宽度与控制信号电压成正角波相比较，产生一个宽度与控制信号电压成正 比例的调制脉冲电压，经脉冲变换分配使基极驱比例的调制脉冲电压，经脉冲变换分配使基极驱 动电路激励主电路大功率晶体管的正向导通时间动电路激励

16、主电路大功率晶体管的正向导通时间 增加，则电动机两端的平均电压增加，电动机转增加，则电动机两端的平均电压增加，电动机转 速上升至控制信号电压所要求的数值。速上升至控制信号电压所要求的数值。 46 三、三、PWMPWM驱动装置控制的特点驱动装置控制的特点 1）优点： （1）大功率可控器件少，线路简单 （2）调速范围宽 （3）快速性好 （4）电流波形系数好，附加损耗小 （5）功率因数高 2）缺点： （1）单向导电性，不能回馈电网 （2）电磁干扰 （3）过载能力差 （4）基极驱动电路的触发电路复杂 47 双极晶体管脉宽调制（双极晶体管脉宽调制（PWMPWM） 的直流调速方式的直流调速方式 由双极晶体

17、管脉宽调制（由双极晶体管脉宽调制（PWMPWM）器供电的直流）器供电的直流 调速电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两调速电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两 大类。大类。 48 不可逆调速 Us为直流电源电压，C为滤波电容器，VT为功率开关 器件，VD为续流二极管，M 为直流电动机，VT 的栅 极由脉宽可调的脉冲电压系列Ug驱动。 49 Us Id Ud 50 可逆调速 在简单的不可逆电路中电流不能反向，因而没在简单的不可逆电路中电流不能反向，因而没 有反向运行能力，只能作单向运行。需要反向运行有反向运行能力，只能作单向运行。需要反向运行 时，就必须为反向电流提供电流通路。时，就必须为反向

18、电流提供电流通路。 正向 反向 正向 反向 51 脉宽调制（脉宽调制（PWMPWM）调制变换器）调制变换器 构成的电源供电系统构成的电源供电系统 PWM PWM变换器的直流电源通常由交流电网经不可变换器的直流电源通常由交流电网经不可 控的二极管整流器产生，并采用大电容控的二极管整流器产生，并采用大电容C C滤，以获滤，以获 得恒定的直流电压，电容得恒定的直流电压，电容C C同时对感性负载的无功同时对感性负载的无功 功率起储能缓冲作用。功率起储能缓冲作用。 52 Id(s) - - + - - 脉宽脉宽 调制器调制器 速度速度 调节器调节器 电流电流 调节器调节器 PWM 电压负反馈电压负反馈

19、调制波发生器调制波发生器 电流截止负反馈电流截止负反馈 Ufi(s)Ufv(s) UK 双极晶体管脉宽调制的直流 调速系统框图 M TATA T G Un(s) 53 直流电机的控制方法直流电机的控制方法 单片机单片机 工业工业PC 可编程控制器可编程控制器 54 机床在加工过程中、需要按不同的加工要机床在加工过程中、需要按不同的加工要 求，调整主轴的转速、进给速度。为保证求，调整主轴的转速、进给速度。为保证 工件表面质量和精度求调速系统调速稳工件表面质量和精度求调速系统调速稳 定能迅速消除扰动定能迅速消除扰动(主要是负载和电枢电主要是负载和电枢电 压波动压波动)而引起的转速波动。要求系统具有而引起的转速波动。要求系统具有