先进伺服大作业

1、作业1 H桥驱动直流电机分析1. 桥变换器驱动电机运行过程图2 驱动电压图1 H桥可逆PWM变换器如图1所示，电动机M两端电压UAB的极性随开关器件驱动电压的变化而变化，这里分析双极式控制的可逆PWM变换器。四个驱动电压波形如图2所示，它们的关系是.在一个开关周期内，当时，和导通，和关断，电枢电流沿回路1流动；当时，和关断，和由于和的钳制作用不能马上导通，沿回路2流经二极管续流，. 当电机需要降速制动时，先改变控制脉冲的占空比，使驱动电压的平均值减小，但是由于机械惯性，转速和反电势还来不及变化，因而造成，很快使电流反向，在时，反向电流沿回路4向电源充电，实现再生制动，而和被钳制不能导通；在时，

2、和被打开，负向电流通过和，实现能耗制动。当电机反向转动时，各器件的导通情况与上述情形相反。图3绘出了双极式控制时电机正转时的输出电压和电流波形。电动机的正反转则体现在驱动电压正负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，则的平均值为正，电动机正转，反之则反转；如果正负脉冲相等，平均电压为零，则电动机停止。但电动机停止时电枢电压并不等于零，而是正负图3 输出电压和电流脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的，平均值为零，不产生转矩，电动机损耗陡然增大，但是此时消除了正反向时的静摩擦死区，起“动态润滑”的作用。另外，图3所示的为轻载状态下的输出电流变化情况。2. 直流电机启动和降速过程电动机在未启动之前，转

3、速，反电势，而电枢电阻很小，所以将电动机加上额定电压时，启动电流将很大，可能烧坏整流子。所以在电机启动时都采用限制电流的方法，下面讨论常用的电枢回路串接电阻的方法。图4 串接电阻启动如图4所示，当在电枢回路串接电阻时，电动机启动电流将变成随着电动机转速的提高，反电动势E增大，再逐步切除外加电阻直到电机达到所要求的转速。图4（b）所示为外接1级电阻启动特性。当外接电阻被切除后，工作点将从曲线1变到曲线2，由于在切除外接电阻瞬间，机械惯性的作用使电动机的转速不能突变，在此瞬间转速维持不变，即工作点从点a切换到点b，此时冲击电流仍然很大，为了避免这种情况，通常采用多级外接电阻启动方法（如图5所示）。

4、图5 外接多级电阻启动图6 降压调速当电动机采用降压调速减速时，运行原理如图6所示。假设电动机以运行在g点，电压突然降到，此时由于机械惯性作用，电动机转速n保持不变，故电动机反电势也保持不变，所以电枢电流将从变到，电机转矩也随之减小，电动机运行于点b，此时电机转矩小于负载转矩，电动机将沿着曲线减速，直到电机转矩等于负载转矩。3. 泵升电压图7所示为桥式可逆直流脉宽调制系统主电路的原理图，PWM变换器的直流电源通常由交变电网经过不可控的二极管整流器产生，并采用大电容C滤波，以获得恒定的电压。处滤波作用外，电容C还有在电动机制动时吸收系统动能的作用。由于是二极管整流电路供电，所以不能回馈电能，电动

5、机制动时只能对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作“泵升电压”。电力电子器件的耐压限制着最高泵升电压，因此电容量不可能很小，在大容量或负载有较大惯量的系统中，不可能只靠电容器来限制泵升电压，这时采用图7中的镇流电阻来消耗部分电能。对于更大容量的系统，为了提高效率，可以再二极管整流器输出端并接逆变器，把多余的能量逆变后回馈电网，当然这增加了系统的复杂性。图7 桥式可逆直流脉宽调制系统主电路原理图作业2 转速、电流双闭环控制设计有一转速、电流双闭环控制的H型双极式PWM直流调速系统，已知电动机参数为：PN=200W UN=48V IN=3.7A nN=200r/min电枢电阻RN=6.5W

6、电枢回路总电阻R=8 W 允许电流过载倍数l=2电势系数Ce=0.12Vmin/r 电磁时间常数Tl=0.015s机电时间常数Tm=0.2s 电流反馈滤波时间常数 Toi=0.001s转速反馈滤波时间常数Ton=0.005s 设调节器输入输出电压Unm= Uim= Ucm=10V，调节器输入电阻R0=40kW，PWM环节的开关频率f=1kHz，放大倍数Ks=4.8。试对该系统进行动态参数设计，设计指标：（1）稳态无静差（2）电流超调量si=£5%（3）过渡过程时间ts£0.1s以报告形式提供控制参数分析与设计过程，以及Simulink 仿真验证结果。图1 电流环化简结果首先

7、确定时间常数。整流装置滞后时间常数，三相H桥平均失控时间，电流滤波时间常数，电流环小时间常数之和。接下来选择电流调节器的结构，根据设计要求，并保证无静差，可按典型I型系统设计电流调节器。因为电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI调节器，其传递函数为其中为电流调节器的比例系数，为电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能：，参照典型I型系统动态抗扰性能与参数的关系可知，各项指标是可以接受的。接下来计算电流调节器的各项参数，要求，所以，所以另外电流反馈系数。于是ACR的比例系数为校验近似条件，电流环截止频率1) 晶闸管整流装置传递函数的近似条件满足近似条件2) 忽略反电动势变化对电流环动

8、态影响的条件满足近似条件3) 电流环小时间常数近似处理条件满足近似条件。根据以上条件及相关公式，可以计算各电阻和电容值为按照上述计算结果搭建Simulink仿真框图，得到仿真结果如图2和图3所示，可见电流环满足性能指标。图2 电流环仿真框图图3 电流环响应曲线下面开始设计转速调节环节。经过简化，转速环可以转化为图3所示框图图4 转速环化简结果电流环等效时间常数，转速滤波时间常数，则转速环小时间常数为。按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为按照跟随性和抗干扰性都能较好的原则，取，则ASR的超前时间常数为则转速环开环增益为转速反馈系数为于是可以求得ASR的比例系数为下面检验近似条件转速环截止频

9、率为电流环传递函数简化条件为满足简化条件。转速环小时间常数近似处理条件为满足近似条件。根据以上计算结果，就可以求解电路元件各参数，求得按照上述计算结果搭建Simulink仿真框图，得到仿真结果如图3所示，速度环满足性能指标。图5 转速环仿真曲线图6 转速环响应曲线作业3PWM型伺服驱动器EMI问题分析1. EMI问题的产生在任何系统中，形成电磁干扰必须具备三个基本条件，即干扰源、接受单元、有耦合通道。其中有耦合通道指把能量动干扰源耦合的敏感接收器上，并使系统性能明显恶化的媒介。在PWM系统中，电磁干扰的来源主要有以下几个方面。1) 交流电网的负载突变交流电网负载突变时（如电动机启动、制动，各种

10、用电器的通断等），在负载突变处产生瞬变电压波，其振幅可高于电源电压，而且前沿陡峭，频带很宽，相当于周期为毫秒至纳秒的高频振荡电压。它经由直流稳压电源进入控制子线路，再经过寄生电容进入大地，构成闭合回路。2) 强电干扰系统内部的强电元件，如电磁铁、继电器、接触器、电动机等感性负载，在通过过程中产生瞬时过电压和冲击电流。这是高频振荡电压，它不仅影响驱动电路，而且会通过电源进入电子线路造成干扰，还可能经过布线电容、电磁感应干扰其他信号线路。3) GTR切换PWM功率转换电路中GTR在开关切换过程中，大脉冲电流引起磁的或电磁的干扰幅值大而且变化快速，电流回路与地构成环路产生的磁场耦合形成最严重的干扰。

11、这种干扰最难消除、最复杂。4) 辐射干扰直流伺服电机在PWM控制下，电枢绕组中的电流改变方向，形成磁场的急剧变化，其电刷的换向火花也全产生高频辐射，通过导线窜入电子控制线路，通过电机辐射干扰测速发电机。另外还有一些功能性的干扰源，例如微处理机的时钟，三角波发生器，多谐波振荡器，PWM功率转换电路以及其他周期性信号发生器。任何具有固定频率的设备都是一种潜在的连续波干扰源。2. 干扰传递方式干扰信号可多种途径从扰源耦合到敏感单元上。这些途径包括公共导线（例如：公共电源、公用连线等），设备间电容，相邻导线的互感，通过空间辐射以及交变电磁场中的导线。传递方式式可归结为：传导耦合、公共阻抗耦合以及辐射电

12、磁场耦合。1) 传导耦合 传导耦合就是通过导体来传播不希望有的电磁能量。它们通过电源线、信号输入输出线路和控制线路等来传播干扰。导线或导体是传递干扰的重要途径。2) 公共阻抗耦合 在PWM系统中，指令信号与反馈信号比较，再经电压、电流放大后控制直流伺服电动机，那么在信号号传递中总需要一个公共基准点电位参考点，这就形成了公共阻抗，流进公共阻抗的电流便将干扰耦合到其它电路中去。不良的接地方式是引起公共阻抗耦合的主要原因。3) 辐射耦合 所有的元器件或导线，当有电荷运行时都会辐射电磁场，电磁场又可分为近场和远场。远场的耦合方式以碰辐射形式为主；近场耦台又分为电容性耦合和电感性耦合。所谓电容性耦合是指

13、系统内部元器件和元器件之间、导线和导线之间、导线和元器件之间及导线、元器件和结构件之间，由于存在着分布电容，如果高电位的导体中有干扰电压，通过分布电容使低电位导体受到影响，也就是说，通过导线间的分布电容使某一电路对另一电路形成交链。电感性耦合是指导体中电流流动时产生的磁通，通过互感被相邻导线或电路耦合而产生感应电压。电感耦合的主要途径是通过变压器耦台和并行导线间的耦合，而并行导线间的耦台是最为严重的。3. 消除干扰的方法正如上面所述，在任何系统中，形成电磁干扰必须具备三个基本条件，即干扰源、接受单元、有耦合通道。在系统设计、制造、安装和调试过程中，只要消除了其中一个因素，干扰就被克服了。例如抑

14、制干扰的产生，切断传递干扰的通道，提高敏感接受单元的抗干扰能力，都可以克服电磁兼容性问题。PWM系统电磁兼容问题抑制方法主要有以下几种。1) 在干扰源处抑制干扰。2) 采取良好的接地方式。3) 加强屏蔽和隔离以阻断干扰串入通道。4) 用滤波器阻挡及电容旁路，以消除干扰的传播。5) 提高控制线路的抗干扰能力，降低系统对干扰的灵敏度。6) 采取合理的元器件布局和布线。PWM系统的功率损耗，除与功率转换电路GTR的饱和压降、集电报反向漏电流有关外，还直接与GTR的导通和关断有关。随着开关频率的提高。GTR的开关损耗也将越来越大。为了提高PWM功率转换电路的效率应尽可能减小GTR的导通时间和关断时间。

15、但随着开关频率和开关速度的提高，由此而带来的干扰也将随之增加。功率转换电路GTR的开通速率高，基极驱动电路提供的正向电流大，则施加到续流二极管上的反向电压上升率也大，尖峰电流幅度和也大。因此，适当减缓CTR的开通速率（相应的开通损耗将增加，因而需要综合考虑）并限制集电极电流幅度或选用反向恢复时间短、复合电荷少的开关续流二极管，亦即造成GTR开通速度相对于续流二极管反向恢复时间缓慢，使能有效地减小尖峰电流。另外抑制共态导通现象也能消除电磁兼容问题。跨接在电源两端的两只GTR出现瞬间同时导通而造成功率转换电路的电源对地直通短路的现象，称为共态导通。共态导通的现象一般出现在T型，H型PWM功率转换电

16、路中。由于共态导通，回路出现很大的短路电流它不但会加大GTR的工作电流·增加瞬间功耗。使GTR很容易进入二次击穿区域，还会使系统产生干扰。在H型功率转换电路中，有两组GTR周期地交替工作在开关状态。如果同侧对管由于存储效应，使得导通的管子尚未截止时原来截止的管子就进入导通状态时，就会出现共态导通现象。另一方面，当设计基极驱动电路中疏忽或工艺不当，有时幅度高于触发电平的瞬时干扰脉冲作用到基极驱动信号上使要求截止的管子瞬时误触发导通，从而形成共态导通。这时在电源线上的干扰脉冲幅度是相当高的。无论从干扰角度，还是从可靠性和效率角度来分析，都必须防止共态导通的出现。对于由GTR存储时间所引起的共态导通，采取开启延迟等方法排除；