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1、运动控制系统,第1篇,直流调速系统,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()励磁磁通（Wb）由电机结构决定的电动势常数。,式中：,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,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）,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。,图11 直流电动机调阻调速时的机械特性
2、,减弱磁通调速法,理想空载转速 将随 的减少而增大。,（1-3）,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。,图12 直流电动机弱磁调速时的机械特性,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）,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。,图13直流电动机调压调速时的机械特性,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
3、，但只能在基速（额定转速）以上的范围内调节转速。,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。,运动控制系统,第1章,可控直流电源-电动机系统,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,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
4、源。,1.1.1 相控整流器,图14 相控整流器-电动机调速系统原理图,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。,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。,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
5、功补偿装置和谐波滤波装置。,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控制整流电压Ud0的平均值。与Ud0的关系因整流电路的形式而异。,表11 不同整流电路的整流电压波 峰值、脉冲数及平均整流电压,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,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，,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15 V-M系统的
6、电流波形(a)电流连续,图15 V-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。,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，VM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,（18）,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。,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。,图16 V-M系统机械特性,在电流断续区，机械特性很软
7、，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；,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。,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）,晶闸管触发和整流装置的输入量是Uc，输出量是Ud，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。,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
8、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。,式中，f交流电源频率(Hz)，m一周内整流电压的脉波数。,(1-13),图18 晶闸管触发与整流装置的失控时间,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12 晶闸管整流器的失控时间,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,（114）,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）,动态结构框图,图19 晶闸管触发与整流
9、装置动态结构图,准确的,近似的,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。,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,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,在一个开关周期T内，当0tton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
10、两端。当 ton tT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。,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）,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,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,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。
11、,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,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。,轻载电动状态,(d)轻载电动状态的电流波形,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,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。,2、桥式可
12、逆PWM变换器,图1-12 桥式PWM变换器电路,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。,反向运行状态,沿回路3流通。,时，,，,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。,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。,输出平均电压,在双极式控制的可逆PWM变换器
13、中,注意：与不可逆PWM变换器中的 公式不一样。,（1-19）,（1-20）,调速范围,调速时，的可调范围为01，10.5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。,双极式控制的桥式可逆 PWM变换器的优点,电流一定连续；电动机能在四象限运行；电动机停止时有微振电流，消除了静磨擦死区；低速平稳性好，系统的调速范围可达1：20000左右；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。,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。,1.2.2
14、 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,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。,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
15、在制动时释放的全部动能。,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1-14 PWM控制器与变换器的框图,动态数学模型,式中，KsPWM控制与变换器的放大系数，TsPWM控制与变换器的延迟时间。,（1-22）,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）,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
16、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。,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）,双极式控制的可逆电路 的电压方程,（1-24）,（1-25a）,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）,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）,直流PWM调速系统的机械特性,在双极性控制可逆电路中，
17、机械特性扩展到了第三、四象限。,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。,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）,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，
18、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）,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,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。,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，对系统的调速精度要求越高，即要求s越小，则可达到的D必定越小。当要求的D越大时
19、，则所能达到的调速精度就越低，即s越大，所以这是一对矛盾的指标。,（1-32）,1.3.2 开环调速系统的 机械特性及性能指标,图117 开环调速系统的原理图,机械特性,开环调速系统中各环节的稳态关系如下：电力电子变换器直流电动机 开环调速系统的机械特性为,（1-33）,稳态结构框图,图1-18 开环调速系统稳态结构框图,例题1-1,某直流调速系统电动机额定转速 nN=1000r/min，额定速降nN=105r/min，当要求静差率s30%时，其调速范围D为多大？如果要求静差率s20%,则调速范围D是多少？如果希望调速范围达到10，所能满足的静差率是多少?,解:要求 时，调速范围为 若要求，则调速范围为若调速范围达到10，则静差率为,例题1-2,某直流电动机的额定数据如下：额定功率PN=60kW，额定电压UN=220V，额定电流IdN=305A，额定转速nN=1000r/min，采用V-M系统，主电路总电阻R=0.18，电动机电势系数Ce=0.2Vmin/r。如果要求调速范围D=20，静差率s5%，则采用开环调速系统能否满足？若要满足这个要求，系统的额定速降nN最多允许多少？,解：当电流连续时，V-M系统的额定速降为,开环系统在额定转速时的静差率为,在额定转速时已不能满足,的要求。,，,如要求,，则要求,
