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交直流电机的伺服控制 精密驱动技术精密驱动技术 第 2 章 2.1 2.1 直流伺服驱动技术直流伺服驱动技术 内容提要 n直流调速方法 n直流调速电源 n直流调速控制 q 引 言 直流电动机具有良好的起、制动性能,宜于在大 范围内平滑调速,在许多需要调速和快速正反向的 伺服领域中得到了广泛的应用。 由于直流伺服控制系统在理论上和实践上都比较 成熟,而且从控制的角度来看,它又是交流伺服控 制系统的基础。因此,为了保持由浅入深的教学顺 序,应该首先很好地掌握直流伺服控制系统。 根据直流电机转速方程 2.1.1 2.1.1 直流调速方法直流调速方法 n U I R Ke 式中 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。 (1-1) 由式(1-1)可以看出,有三种方法调节电动 机的转速: (1)调节电枢供电电压 U; (2)减弱励磁磁通 ; (3)改变电枢回路电阻 R。 (1)调压调速 工作条件: 保持励磁 = N ; 保持电阻 R = Ra 调节过程: 改变电压 UN U U n , n0 调速特性: 转速下降,机械特性 曲线平行下移。 n n0 OIIL UN U 1 U 2 U 3 nN n1 n2 n3 调压调速特性曲线 (2)调阻调速 工作条件: 保持励磁 = N ; 保持电压 U =UN ; 调节过程: 增加电阻 Ra R R n ,n0不变; 调速特性: 转速下降,机械特性 曲线变软。 n n0 OIIL R a R 1 R 2 R 3 nN n1 n2 n3 调阻调速特性曲线 (3)调磁调速 工作条件: 保持电压 U =UN ; 保持电阻 R = R a ; 调节过程: 减小励磁 N n , n0 调速特性: 转速上升,机械特性 曲线变软。 n n0 O TeTL N 1 2 3 nN n1 n2 n3 调磁调速特性曲线 三种调速方法的性能与比较 对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说, 以调节电枢供电电压的方式为最好。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,往往只是配合调压方案,在基速(即电机 额定转速)以上作小范围的弱磁升速。 因此,自动控制的直流调速系统往往以调压调速为 主。 闭环控制的直流调速系统 本节着重讨论基本的闭环控制系 统及其分析与设计方法。 本节提要 1.1 直流调速系统用的可控直流电源 1.2 晶闸管-电动机系统(V-M系统)的主要问题 1.3 直流脉宽调速系统的主要问题 1.4 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计 1.5 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计 1.6 比例积分控制规律和无静差调速系统 1.1 1.1 直流调速系统用的可控直流电源直流调速系统用的可控直流电源 根据前面分析,调压调速是直流调速系 统的主要方法,而调节电枢电压需要有专 门向电动机供电的可控直流电源。 本节介绍几种主要的可控直流电源。 常用的可控直流电源有以下三种 旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组 成机组,以获得可调的直流电压。 静止式可控整流器用静止式的可控整流器, 以获得可调的直流电压。 直流斩波器或脉宽调制变换器用恒定直流电 源或不控整流电源供电,利用电力电子开关器件 斩波或进行脉宽调制,以产生可变的平均电压。 1.1.1 旋转变流机组 图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统(G-M系统) G-M系统工作原理 由原动机(柴油机、交流异步或同步电动机)拖动直 流发电机 G 实现变流,由 G 给需要调速的直流电动机 M 供电,调节G 的励磁电流 if 即可改变其输出电压 U ,从而调节电动机的转速 n 。 这样的调速系统简称G-M系统,国际上通称Ward- Leonard系统。 G-M系统特性 1.1.2 静止式可控整流器 图1-3 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统(V-M系统) V-M系统工作原理 晶闸管-电动机调速系统(简称V-M系统,又称静 止的Ward-Leonard系统),图中VT是晶闸管可控 整流器,通过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来 移动触发脉冲的相位,即可改变整流电压Ud ,从 而实现平滑调速。 V-M系统的特点与G-M系统相比较: 晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提 高,而且在技术性能上也显示出较大的优越性。晶闸 管可控整流器的功率放大倍数在10 4 以上,其门极电 流可以直接用晶体管来控制,不再像直流发电机那样 需要较大功率的放大器。 在控制作用的快速性上,变流机组是秒级,而晶闸管 整流器是毫秒级,这将大大提高系统的动态性能。 V-M系统的问题 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。 晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt与di/dt 都 十分敏感,若超过允许值会在很短的时间内损坏 器件。 由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变,殃及 附近的用电设备,造成“电力公害”。 1.1.3 直流斩波器或脉宽调制变换器 在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市有轨 和无轨电车和地铁电机车等电力牵引设备上,常采 用直流串励或复励电动机,由恒压直流电网供电, 过去用切换电枢回路电阻来控制电机的起动、制动 和调速,在电阻中耗电很大。 a)原理图b)电压波形图 t O u Us Ud T ton 控制电路 M 1. 直流斩波器的基本结构 图1-5 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形 斩波器的基本控制原理 在原理图中,VT 表示电力电子开关器件,VD 表示 续流二极管。当VT 导通时,直流电源电压 Us 加到电 动机上;当VT 关断时,直流电源与电机脱开,电动 机电枢经 VD 续流,两端电压接近于零。如此反复, 电枢端电压波形如图1-5b ,好像是电源电压Us在ton 时 间内被接上,又在 T ton 时间内被斩断,故称“斩波 ”。 电动机得到的平均电压平均电压为 输出电压计算 (1-2) 式中 T 晶闸管的开关周期; ton 开通时间; 占空比, = ton / T = ton f ; 其中 f 为开关频率。 为了节能,并实行无触点控制,现在多用电力 电子开关器件,如快速晶闸管、GTO、IGBT等。 采用简单的单管控制时,称作直流斩波器,后 来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路, 脉宽调制变换器(PWM-Pulse Width Modulation)。 斩波电路三种控制方式 根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分 ,有三种控制方式: T 不变,变 ton 脉冲宽度调制(PWM); ton不变,变 T 脉冲频率调制(PFM); ton和 T 都可调,改变占空比混合型。 PWM系统的优点 (1)主电路线路简单,需用的功率器件少; (2)开关频率高,电流容易连续,谐波少,电机损 耗及发热都较小; (3)低速性能好,稳速精度高,调速范围宽,可达 1:10000左右; (4)若与快速响应的电机配合,则系统频带宽,动 态响应快,动态抗扰能力强; PWM系统的优点(续) (5)功率开关器件工作在开关状态,导通损耗 小,当开关频率适当时,开关损耗也不大,因 而装置效率较高; (6)直流电源采用不控整流时,电网功率因数 比相控整流器高。 小 结 三种可控直流电源,V-M系统在上世纪6070年 代得到广泛应用,目前主要用于大容量系统。 直流PWM调速系统作为一种新技术,发展迅速 ,应用日益广泛,特别在中、小容量的系统中, 已取代V-M系统成为主要的直流调速方式。 返回目录 1.2 晶闸管-电动机系统(V-M系统) 的主要问题 本节讨论V-M系统的几个主要问题: (1)触发脉冲相位控制; (2)电流脉动及其波形的连续与断续; (3)抑制电流脉动的措施; (4)晶闸管-电动机系统的机械特性; (5)晶闸管触发和整流装置的放大系数和 传递函数。 在如图可 控整流电路 中,调节触 发装置 GT 输出脉冲的 相位,即可 很方便地改 变可控整流 器 VT 输出 瞬时电压 ud 的波形,以 及输出平均 电压 Ud 的数 值。 1.2.1 触发脉冲相位控制 O O O O O Ud0 Id E 等效电路分析 如果把整流装置 内阻移到装置外边 ,看成是其负载电 路电阻的一部分, 那么,整流电压便 可以用其理想空载 瞬时值 ud0 和平均 值 Ud0 来表示,相 当于用图示的等效 电路代替实际的整 流电路。 图1-7 V-M系统主电路的等效电路图 式中 电动机反电动势; 整流电流瞬时值; 主电路总电感; 主电路等效电阻; 且有 R = Rrec + Ra + RL; E id L R 瞬时电压平衡方程 (1-3) 对ud0进行积分,即得理想空载整流电压平均值 Ud0 。 用触发脉冲的相位角 控制整流电压的平均值 Ud0是晶闸管整流器的特点。 Ud0与触发脉冲相位角 的关系因整流电路的 形式而异,对于一般的全控整流电路,当电流波 形连续时,Ud0 = f () 可用下式表示 1.3 直流脉宽调速系统的主要问题 自从全控型电力电子器件问世以后,就出现了采 用脉冲宽度调制(PWM)的高频开关控制方式形成 的脉宽调制变换器-直流电动机调速系统,简称直流 脉宽调速系统,即直流PWM调速系统。 本段提要 (1)PWM变换器的工作状态和波形; (2)直流PWM调速系统的机械特性; (3)PWM控制与变换器的数学模型; (4)电能回馈与泵升电压的限制。 1.3.1 PWM变换器的工作状态和电压、 电流波形 PWM变换器的作用是:用PWM调制的方法,把恒 定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲 电压系列,从而可以改变平均输出电压的大小,以调 节电机转速。 PWM变换器电路有多种形式,主要分为不可逆与 可逆两大类,下面分别阐述其工作原理。 主电路结构 2 1 图中: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 1. 不可逆PWM变换器 (1)简单的不可逆PWM变换器 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统 主电路原理图如图1-16所示,功率开关器件可 以是任意一种全控型开关器件,这样的电路又 称直流降压斩波器。 工作状态与波形 在一个开关周期内, 当0 t ton时,Ug为 正,VT导通,电源 电压通过VT加到电 动机电枢两端; 当ton t T 时, Ug 为负,VT关断,电 枢失去电源,经VD 续流。 U, i Ud E id Us t tonT 0 图1-16b 电压和电流波形 O 电机两端得到的平均电压为 (1-17) 式中 = ton / T 为 PWM 波形的占空比,
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