运动控制系统可控直流电源电动机系统

运动控制系统可控直流电源电动机系统第1页/共88页直流电动机的调速方法

直流电动机转速和其它参量之间的稳态关系可表示为：－转速（r/min）－电枢电压(V)－电枢电流(A)－电枢回路总电阻(Ω)－励磁磁通（Wb）－由电机结构决定的电动势常数。式中：第2页/共88页调节直流电动机的转速的方法：改变电枢回路电阻调速法减弱磁通调速法调节电枢电压调速法第3页/共88页改变电枢回路电阻调速法电枢回路串接外加电阻,通过增大的方法实现直流电动机的调速。（1-2）

第4页/共88页保持直流电动机外加电枢电压与励磁磁通为额定值，直流电动机的理想空载转速不变，转速降落将随的增加而增大。外加电阻的阻值越大，机械特性的斜率就越大。第5页/共88页图1－1直流电动机调阻调速时的机械特性第6页/共88页减弱磁通调速法理想空载转速将随的减少而增大。（1-3）

第7页/共88页保持电枢电压为额定值，电枢回路不加入附加电阻，减小直流电动机的励磁电流以减弱磁通，电动机带负载时的速降与成反比

。第8页/共88页图1－2直流电动机弱磁调速时的机械特性第9页/共88页调节电枢电压调速法用改变电动机电枢的外加电压U来实现直流电机的调速。（1-1）

第10页/共88页保持直流电动机的磁通为额定值，电枢回路不串入外加电阻，理想空载转速将随U的减少而成比例地降低，转速降落则与U的大小无关。第11页/共88页图1－3直流电动机调压调速时的机械特性第12页/共88页三种调速方法之比较改变电枢回路电阻调速只能对电动机转速作有级的调节，转速的稳定性差，调速系统效率低。减弱磁通调速能够实现平滑调速，但只能在基速（额定转速）以上的范围内调节转速。第13页/共88页调节电枢电压调速所得到的人为机械特性与电动机的固有机械特性平行，转速的稳定性好，能在基速（额定转速）以下实现平滑调速。直流调速系统往往以调压调速为主，只有当转速要达到基速以上时才辅以弱磁调速。第14页/共88页运动控制系统第1章可控直流电源-电动机系统第15页/共88页内容提要相控整流器-电动机调速系统直流PWM变换器-电动机系统

调速系统性能指标第16页/共88页1.1相控整流器-电动机系统直流调速系统系统的硬件结构至少包含了两个部分：调节直流电动机电枢电压的直流电源,被调节转速的直流电动机。可控直流电源主要有两大类，第一类是相控整流器，它把交流电源直接转换成可控的直流电源。第17页/共88页1.1.1相控整流器图1－4相控整流器-电动机调速系统原理图第18页/共88页V-M系统工作原理调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，改变可控整流器平均输出直流电压Ud，实现直流电动机的平滑调速。第19页/共88页晶闸管可控整流器的特点晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，其门极电流可以直接用电子控制。晶闸管的控制作用是毫秒级的，系统的动态性能得到了很大的改善。第20页/共88页晶闸管可控整流器的不足之处晶闸管是单向导电的，给电机的可逆运行带来困难。晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt都十分敏感，超过允许值时会损坏晶闸管。在交流侧会产生较大的谐波电流，引起电网电压的畸变。需要在电网中增设无功补偿装置和谐波滤波装置。第21页/共88页1.1.2相控整流器-电动机系统的特殊问题1．触发脉冲相位控制触发脉冲的相位角α控制整流电压Ud0的平均值。α与Ud0的关系因整流电路的形式而异。第22页/共88页表1－1不同整流电路的整流电压波

峰值、脉冲数及平均整流电压整流电路单相全波三相半波三相桥式m236第23页/共88页表1-1中——整流变压器二次侧额定相电压的有效值，——

时的整流电压波形峰值，——交流电源一周内的整流电压脉波数，——整流电压的平均值。m第24页/共88页2．电流脉动及其波形的连续与断续输出电流是脉动电流，交流电源一周内存在的脉波数m与整流电路的形式相关。电枢电流平均值Id由负载转矩决定，第25页/共88页在Id上升阶段，电感储能；在Id下降阶段，电感中的能量将释放出来维持电流连续。图1－5V-M系统的电流波形(a)电流连续 第26页/共88页图1－5V-M系统的电流波形（b）电流断续当负载电流较小时，电感中的储能较少，等到Id下降到零时，造成电流波形断续。第27页/共88页1.1.3相控整流直流调速系统的

机械特性及数学模型当电流连续时，V－M系统的机械特性方程式为1．相控整流器－电动机系统的机械特性（1－8）

第28页/共88页式（1-8）中——电机在额定磁通下的电动势系数，——电枢回路总电阻，——电枢回路电阻，——电抗器电阻，

——整流装置内阻。

第29页/共88页当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多。电流断续区与电流连续区的分界线是的曲线，当时，电流便开始连续了。

——一个电流脉波的导通角。第30页/共88页图1－6V-M系统机械特性在电流断续区，机械特性很软，理想空载转速翘得很高。在电流连续区，显示出较硬的机械特性；第31页/共88页2．晶闸管触发电路和整流装置

的数学模型晶闸管触发电路和整流电路的特性是非线性的。在设计调速系统时，只能在一定的工作范围内近似地看成线性环节，得到了它的放大系数和传递函数后，用线性控制理论分析整个调速系统。第32页/共88页放大系数的计算图1-7晶闸管触发与整流装置的输入输出特性和Ks的测定（1-12）

第33页/共88页晶闸管触发和整流装置的输入量是ΔUc，输出量是ΔUd，晶闸管触发电路和整流装置的放大系数Ks

。如果没有得到实测特性，也可根据装置的参数估算。第34页/共88页失控时间和纯滞后环节滞后作用是由晶闸管整流装置的失控时间引起的。失控时间是个随机值。最大失控时间是两个相邻自然换相点之间的时间，它与交流电源频率和晶闸管整流器的类型有关。第35页/共88页式中，f－交流电源频率(Hz)，

m——一周内整流电压的脉波数。(1-13)

第36页/共88页图1－8晶闸管触发与整流装置的失控时间第37页/共88页Ts

值的选取一般采用平均失控时间。如果按最严重情况考虑，则取。

表1－2晶闸管整流器的失控时间整流电路形式最大失控时间

Tsmax(ms)平均失控时间

Ts(ms)单相半波单相桥式（全波）三相半波三相桥式20106.673.331053.331.67第38页/共88页晶闸管触发电路与整流装置的传递函数滞后环节的输入为阶跃信号1(t)，输出要隔一定时间后才出现响应1(t-Ts)。输入输出关系为：

传递函数为（1－14）

第39页/共88页传递函数的简化按泰勒级数展开，可得

依据工程近似处理的原则，可忽略高次项，把整流装置近似看作一阶惯性环节（1-16）

第40页/共88页动态结构框图图1－9晶闸管触发与整流装置动态结构图准确的近似的第41页/共88页1.2直流PWM变换器-电动机系统1.2.1 直流PWM变换器直流脉宽变换器，或称直流PWM变换器，是在全控型电力电子器件问世以后出现的能取代相控整流器的直流电源。根据PWM变换器主电路的形式可分为可逆和不可逆两大类。第42页/共88页1.不可逆PWM变换器图1-10简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统Us—直流电源电压C—滤波电容器VT—功率开关器件VD—续流二极管M—直流电动机第43页/共88页电压和电流波形图1-10简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统（b）电压和电流波形第44页/共88页在一个开关周期T内，当0≤t＜ton时，Ug为正，VT饱和导通，电源电压Us通过VT加到直流电动机电枢两端。当ton≤t＜T时，Ug为负，VT关断，电枢电路中的电流通过续流二极管VD续流，直流电动机电枢电压等于零。第45页/共88页输出电压方程直流电动机电枢两端的平均电压为改变占空比，即可改变直流电动机电枢平均电压。令为PWM电压系数，则在不可逆PWM变换器中（1-17）

（1-18）

第46页/共88页有制动电流通路的不可逆

PWM-直流电动机系统

(a)电路原理图图1-11有制动电流通路的不可逆PWM——直流电动机系统第47页/共88页电动状态下运行图1-11 有制动电流通路的不可逆PWM——直流电动机系统(b)一般电动状态的电压、电流波形第48页/共88页当时，

电流沿回路1流通。

饱和导通，

截止，

当

时，

截止，续流，

电流沿回路2流通。

始终为正。

的正脉冲比负脉冲宽，VT1和VD2交替导通，VT2和VD1始终关断。

第49页/共88页制动过程始终为负。

的正脉冲比负脉冲窄

，，(c)制动状态的电压、电流波形

第50页/共88页为正，在阶段，导通，在感应电动势E的作用下，反向电流沿回路3能耗制动。在阶段，为负，截止，反向电流沿回路4经过回馈制动。和交替导通，和不工作。第51页/共88页轻载电动状态和、、四个管子轮流导通。(d)轻载电动状态的电流波形

第52页/共88页时刻，反向电流衰减到零，时刻，id=0，导通，反电动势E沿回路3输送反向电流，时刻，关断，续流，VT1导通，产生正向电流。反向电流沿回路4经第53页/共88页有制动电流通路的不可逆

PWM-直流电动机系统电路之所以为不可逆是因为平均电压Ud始终大于零，电流能够反向，而电压和转速不可反向。第54页/共88页2、桥式可逆PWM变换器图1-12桥式PWM变换器电路第55页/共88页正向运行状态和沿回路2经和续流。时，为正，和导通，为负，

截止。，电枢电流沿回路1流通。正脉冲电压的宽度大于负脉冲的宽度，时：时，和

截止。为负，为正，

（说明：负载电流不是轻载），和被钳位保持截止。第56页/共88页反向运行状态沿回路3流通。时，为正，和被钳位保持截止，和为负，

截止。，沿回路4经VD1和VD4续流。正脉冲电压的宽度小于负脉冲的宽度，时：时，和

流通。为正，为负，

（说明：负载电流不是轻载），和截止。第57页/共88页停转状态正脉冲电压的宽度等于负脉冲的宽度，平均输出电压，电动机停转。第58页/共88页输出平均电压在双极式控制的可逆PWM变换器中注意：与不可逆PWM变换器中的公式不一样。（1-19）

（1-20）

第59页/共88页

调速范围调速时，的可调范围为0~1，

–1<<+1。

当>0.5时，为正，电机正转，当<0.5时，为负，电机反转，当=0.5时，

=0，电机停止。第60页/共88页双极式控制的桥式可逆

PWM变换器的优点①电流一定连续；②电动机能在四象限运行；③电动机停止时有微振电流，消除了静磨擦死区；④低速平稳性好，系统的调速范围可达

1：20000左右；⑤低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽有利于保证器件的可靠导通。第61页/共88页双极式控制方式的不足之处

4个开关器件在工作中都处于开关状态，在切换时容易容易发生上、下桥臂直通的事故，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。第62页/共88页1.2.2直流PWM变换器-电动机系统的能量回馈问题图1-13桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的原理图第63页/共88页电能回馈问题由6个二极管组成的整流器，把电网提供的交流电整流成直流电。直流电源采用了大电容滤波。当电动机工作在回馈制动状态时，将动能变为电能回馈到直流侧，由于二极管整流器的能量单向传递性，电能不可能通过整流装置送回交流电网，只能向滤波电容充电，由此形成了电能回馈问题。第64页/共88页泵升电压对滤波电容充电的结果造成直流侧电压升高，称作“泵升电压”。系统在制动时释放的动能将表现为电容储能的增高，所以要适当地选择电容的电容量，或采取其它措施，以保护电力电子功率开关器件不被泵升电压击穿。储能的增量约等于电动机系统在制动时释放的全部动能。第65页/共88页1.2.3直流PWM调速系统的数学模型及机械特性1、PWM控制与变换器的数学模型图1-14PWM控制器与变换器的框图第66页/共88页动态数学模型

式中，

Ks——PWM控制与变换器的放大系数，

Ts——PWM控制与变换器的延迟时间。（1-22）第67页/共88页PWM装置数学模型的近似在与晶闸管相控整流电源相同的近似条件下，其传递函数可以表示为一个惯性环节当开关频率为10kHz时，滞后时间，明显小于相控整流电源。（1-23）

第68页/共88页2、PWM调速系统的机械特性脉宽调制变换器的输出电压是高度和频率一定、宽度可变的脉冲序列，改变平均输出的电压的大小，可以调节电机的转速，脉动的电压将导致转矩和转速的脉动。在脉宽调速系统中，开关频率一般在10kHz左右，使得最大电流脉动量在额定电流的5%以下，转速脉动量不到额定转速的万分之一。第69页/共88页带制动电流通路的不可逆电路

的电压方程式中的R、L分别为电枢电路的电阻和电感

（1-24）

（1-25）

第70页/共88页双极式控制的可逆电路

的电压方程

（1-24）

（1-25a）

第71页/共88页电压平均值方程

平均电压平均电流电枢电感压降的均值转速

（1-26）

第72页/共88页机械特性方程用转矩来表示为（1-27）式中:Cm—电机在额定磁通下的转矩系数，

Cm=KmN

；

n0—理想空载转速，与电压系数成正比，

n0=Us

/Ce

。（1-28）

第73页/共88页直流PWM调速系统的机械特性在双极性控制可逆电路中，机械特性扩展到了第三、四象限。第74页/共88页1.3调速系统性能指标1.3.1调速范围和静差率在调速系统的稳态性能中，主要有两个要求：

1）调速，要求系统能够在指定的范围内的转速上运行。

2）稳速，要求系统调速的重复性和精确度要好，不允许有过大的转速波动。第75页/共88页1.调速范围生产机械要求电动机在额定负载情况下所需的最高转速和最低转速之比称为调速范围，用字母D来表示对于基速以下的调速系统而言。对于少数负载很轻的机械，也可用实际负载时的转速来定义最高转速，和最低转速。（1-29）

第76页/共88页2.静差率当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时电动机转速的变化率，称为静差率s。用百分数表示式中，——理想空载转速，

——负载从理想空载增大到额定值时电机所产生的转速降落。（1-30）

（1-31）

第77页/共88页机械特性与静差率额定转速降是一个恒值。调速系统在不同电压下的机械特性是互相平行的，两者的硬度相同。图1-16不同转速下的机械特性第78页/共88页机械特性与静差率调速系统在不同电压下的理想空载转速不一样。理想空载转速越低时，静差率越大。同样硬度的机械特性，随着其理想空载转速的降低，其静差率会随之增大，调速系统的静差率指标应以最低速时能达到的数值为准。第79页/共88页3.D与s的相互约束关系在直流机变压调速系统中，对于某一台确定的电动机，其和都是常数，对