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1、1,直流电动机的PWM调速系统,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A为正极性，电刷B为负极性。电流从正电刷A经线圈ab、cd，到负电刷B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，4指指向电流的方向，与4指垂直的拇指方向就是电磁力的方向。在图示瞬间，导线ab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，转子将逆时针旋转即图中S的方向。,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线圈边中的电流方向也加以改变要进
2、行换向。由于换向器与静止电刷的相互配合作用，线圈不论转到何处，B刷h始终与运动到N极下的线圈边相接触，而电极A始终与运动到S极下的线圈边相接触这就保证了电流总是经电刷经N极下导体流入，再沿S极导体经电刷B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。,3,他激式直流电机的种类,串励,并励,他励,4,永磁式直流伺服电机结构,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,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,式中 n 转速（r/min）； Ua 电枢电压（V）； Ia 电枢电
3、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: 1)机械调速; 2)电气调速,他励电动机的转速公式：,电气调速方法：1）调压调速； 2）电枢回路串电阻调速； 3）调磁调速。,8,他励直流电动机的调速,调速指标：,1、调速范围D：,2、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。,%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：,越小，D越小，相对稳定性越好；在保证一定的指标的前提下，要扩大D，须减少n，即提高机械特性的硬
4、度。,10,他励直流电动机的调速,3、调速的平滑性： 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。,4、调速的经济性：主要指调速的投资、运行效率及维修费用等。,11,他励直流电动机的调速,1、电枢回路串电阻调速,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
5、增通不变而使Tem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：1）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。,2）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。,3）无论轻载还是负载，调速范围相同，一般可达 D=2.512。,4）电能损耗较小。,缺点：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
6、弱磁通调速,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
7、压调速范围内，励磁磁通不变，容许的输出转矩也不变，称作“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“恒功率调速方式”。,19,两种调速方式,Te,N,nN,nmax,UN,U,P,P,Te,U,n,O,两种调速方式,20,三种调速方法的性能与比较,改变电阻只能有级调速； 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。 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压调速。,2
8、1,用晶闸管触发整流整流电路实现电枢电压可调，从而达到改变电机转速的目的。,这就是所谓的电源电动机调速系统（VM）系统，它属于开环系统。,22,而由已知条件并设系统电流连续，则其额定转速下的转速降为：,例：某电源电动机直流调速系统，已知电机的额定转速为n=1000r/min，额定电流IN=305A，主回路电阻R=0.18，CeN=0.2，若要求电动机调速范围D=20，sn5%，则该调速系统是否能满足要求？,解：如果要满足D=20，Sn5%的要求，则其在额定条件下的转速降为：,23,由此例不难发现，象这样的电源电动机所组成的开环调速系统，是没有能力完成其调速指标的。要把额定负载下的转速降从开环系
9、统中的274.5降低到满足要求的2.63就必须采用负反馈，这也就构成了我们所谓的闭环直流调速系统转速负反馈直流调速。,而静差率为：,24,转速负反馈晶闸管直流调速系统,给定,比较放大,晶闸管触发整流,他励直流电动机,测速发电机,反馈电位器,25,系统的组成,由图可见，该系统的控制对象是直流电动机M，被控量是电动机的转速n，晶闸管触发及整流电路为功率放大和执行环节，由运算放大器构成的比例调节器为电压放大和电压(综合)比较环节，电位器RP1为给定元件，测速发电机TG与电位器RP2为转速检测元件。该调速系统的组成框图如下:,26,系统的自动调节过程：,电网波动,负载波动,27,晶闸管整流电路(Thy
10、ristor Rectifier),优点：晶闸管整流装置不但经济、可靠而且其功率放大倍数在104以上，门极可直接采用电子电路控制，响应速度为毫秒级。 缺点：由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。另一问题是当晶闸管导通角很小时，系统的功率因素很低，并产生较大的谐波电流，从而引起电网电压波动殃及同电网中的用电设备，造成“电力公害”。,28,速度和电流双闭环直流调速系统,前面我们已经讲过，转速负反馈单闭环晶闸管直流调速系统是一种以存在偏差为前提并依据偏差对系统进行调节的系统，这种系统虽然可以用PI调节器来实现系统的无静差调速，但同时也给系统的带来了不利的影响。如前例中，
11、动态响应中的上升时间和调节时间变长等问题。 然而在实际的生产过程中，有许多生产机械很大一部分时间是工作在过渡过程中。即它们被要求频繁地起动，或总是处于正反转切换状态。 因此为了提高生产效率，我们就要求这样的调速系统要有尽可能短的过渡过程。 为了解决调速系统无静差与快速响应之间的矛盾，及提高系统的过载能力，我们采用了速度和电流双闭环直流调速系统。,29,双闭环调速系统的原理图,30,两个环：,电流环内环,速度环外环,速度、电流调节器均采用PI调节器，且带限幅功能。,速度和电流双闭环直流调速系统的组成框图,31,双闭环调速系统的工作原理,稳态时：,电流调节器ACR的调节作用：电流环为由ACR和电流
12、负反馈组成的闭环，它的主要作用是稳定电流。,电流调节器ACR的调节作用,32,的物理意,义：当Usi为一定的情况下，由于电流调节器ACR的调节作用，整流装置的电流将保持在Usi/的数值上。,这种保持电流不变的特性，将使系统能：自动限制最大电流。能有效抑制电网电压波动的影响。,33,速度调节器ASR的调节作用,速度环是由ASR和转速负反馈组成的闭环，它的主要作用是保持转速稳定，并最后消除转速静差。,稳态时：,其物理意义：当Usn为一定的情况下，由于速度调节器ASR的调节作用，转速n将稳定在Usn/的数值上,34,双闭环调速系统具有明显的优点：具有良好的静特性(接近理想的“挖土机特性”)。具有较好
13、的动态特性，起动时间短(动态响应快)，超调量也较小。系统抗扰动能力强，电流环能较好地克服电网电压波动的影响，而速度环能抑制被它包围的各个环节扰动的影响，并最后消除转速偏差。由两个调节器分别调节电流和转速。这样，可以分别进行设计，分别调整(先调好电流环，再调速度环)，调整方便。,35,直流电动机PWM调速系统,36,直流脉宽调制电源 特点：电流脉动小，电枢电流容易连续，不用在主回路中串入大电感，仅靠电枢电感就可滤波。 系统低速特性稳定调整范围宽，且无需另加设备就可实现可逆调速。 元件只工作在开关状态，主电路损耗小，设备效率较高。 交流侧的功率因素和对电网的干扰都比晶闸管整流装置要好。,37,一、
14、脉宽调制（PWM）及脉宽调制变换器,所谓直流脉宽调制是利用电子开关，将直流电源电压转换成为一定频率的方波脉冲电压，然后再通过对方波脉冲宽度的控制来改变供电电压大小与极性，从而达到对电动机进行变压调速的一种方法。简单的脉宽调制电路如图所示：,38,所谓脉宽调制变换器实际上就是一种直流斩波器。当电子开关在控制电路作用下按某种控制规律进行通断时，在电动机两端就会得到调速所需的、有不同占空比的直流供电电压Ud。 采用简单的单管控制时，脉宽电路被称作直流斩波器，后来逐渐发展成用各种脉冲宽度调制开关的控制电路，而这种器件则被称为是脉宽调制变换器（PWM-Pulse Width Modulation）。,3
15、9,PWM脉宽调制电路的外型及内部结构,PWM脉宽调制电路的系统结构框图,40,二、PWM驱动装置的组成,41,PWM驱动装置的控制结构可分为两大部分：功率转换电路和控制电路。 功率转换电路：从主电源将能量传递给电动机的电路。工频电网经三相整流得到控制直流电动机所需的直流电压 ，被施加到由四个大功率晶体管（GTR）V1、V2、V3、V4 组成的H桥式功率转换电路上，大功率晶体管由控制电路给V1、V4和V2、V3提供相位差180。的矩形波基极激励电压，而使V1、V4和V2、V3交替导通，将直流电压 调制成与给定频率相同的方波脉冲电压，作用到电动机电枢两端，为电动机提供能量。,42,控制电路：恒频
16、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构成。,（1）恒频率波形发生器 产生恒定频率的振荡源作为时间比较的基准。（三角波、锯齿波）（2）脉冲宽度调制电路 PWM信号形成电路。,43,电压比较器：两个输入端上分别施加三角波信号和控制信号电压，比较器输出将按照下述规律变化：（1）控制信号电压三角波电压，输出正的电压（2）控制信号电压三角波电压，输出负的电压 三角波电压的峰值,（3）脉冲分配电路 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PWM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“通”、“断”时序的脉冲电压。（4）基极驱动电路
17、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。,44,（5）保护电路 设置过电流、过电压、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。,45,PWM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动电路激励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，电动机转速上升至控制信号电压所要求的数值。,46,三、PWM驱动装置控制的特点,1）优点：（1）大功率可控器件少，线路简
18、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（PWM）的直流调速方式,由双极晶体管脉宽调制（PWM）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，因而没有反向运行能力，只能作单向运行。需要
19、反向运行时，就必须为反向电流提供电流通路。,正向,反向,正向,反向,51,脉宽调制（PWM）调制变换器构成的电源供电系统,PWM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C滤，以获得恒定的直流电压，电容C同时对感性负载的无功功率起储能缓冲作用。,52,Id(s),-,+,-,脉宽调制器,速度调节器,电流调节器,PWM,电压负反馈,调制波发生器,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,TA,TG,Un(s),53,直流电机的控制方法,单片机,工业PC,可编程控制器,54,机床在加工过程中、需要按不同的加工要求，调整主
20、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定能迅速消除扰动(主要是负载和电枢电压波动)而引起的转速波动。要求系统具有足够的动态稳定性和快速性，使起动、制动、调速过程平稳迅速。,电机调速系统的作用,55,直流电机调速系统开环调速系统,电机调速系统的基本结构1,控制,驱动,电机,机械,速度控制,56,直流电机调速系统速度负反馈闭环调速系统（半闭环）,电机调速系统的基本结2,控制,驱动,电机,机械,测量,速度控制,57,直流伺服电机控制系统速度负反馈闭环调速系统的结构,右图为一数控机床进给部件中的电机调速系统接线图它是一个速度负反馈闭环调速系统,电机调速系统实例_1 (A),控制,驱动,电源,电源,电机,58,直流电机调速系统速度负反馈闭环调速系统（闭环）,电机调速系统的基本结3,控制,驱动,电机,机械,测量,速度控制,59,直流伺服电机控制系统速度负反馈闭环控制系统的结构位置速度双闭环控制系统的结构,电机调速系统的基本结4,控制1,控制2,驱动,测量1,电机,机械,测量2,位置控制,60,电机调速系统实例2,驱动系统,伺服电机,CNC系统,机床本体,传感器,CNC中的伺服系统,61,系统实例,数控系统+驱动单元+伺服电机,62,系统实例,
