1 1机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件第一章 可控直流电源电动机系统DateDate2 2机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件预备知识运动控制系统的转矩控制规律及调速方法：对单轴运动控制系统：TL：包含阻尼转矩系数和扭转弹性转矩的广义负载转矩运动控制的目的是控制电动机的转矩和转角（直线电动 机控制速度和位移），唯一途径是控制电动机的电磁转矩 TM，使转速变化率按期望的规律变化。转矩控制是运动控制的根本问题DateDate3 3机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件预备知识q 直流调速方法：根据直流电动机转速方程：式中： n 转速（r/min）；U 电枢电压（V）；I 电枢电流（A）；R 电枢回路总电阻（）； 励磁磁通（Wb）；Ke 由电机结构决定的电动势常数。调节电动机转速的三种方法：1）调节电枢供电电压 U2）改变电枢回路电阻 R3）减弱励磁磁通 DateDate4 4机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件预备知识（1）调压调速q 工作条件：保持励磁 = N ；保持电阻 R = Raq 调节过程：改变电压 UN UU n ， n0 q 调速特性：转速下降，机械特性曲 线平行下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3调压调速特性曲线DateDate5 5机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件预备知识（2）调阻调速q 工作条件：保持励磁 = N ；保持电压 U =UN ； q 调节过程：增加电阻 Ra RR n ，n0不变； q 调速特性：转速下降，机械特性曲 线变软。nn0OIILR aR 1R 2R 3nN n1 n2 n3调阻调速特性曲线DateDate6 6机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件预备知识（3）调磁调速q 工作条件：保持电压 U =UN ；保持电阻 R = R a ； q 调节过程：减小励磁 N n ， n0 q 调速特性：转速上升，机械特性曲线变软。DateDate7 7机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件预备知识q 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。 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”。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”。DateDate8 8机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件预备知识直流调速系统一般以调压调速为主，只有当转 速要求达到基速以上时才辅以弱磁调速。 DateDate9 9机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件第1章 可控直流电源电动机系统1 相控整流器电动机系统（VM系统）1.1 可控直流电源调压调速需要有专门向电动机供电的可控直流电源。 常用的可控直流电源有以下三种：1）旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组 ，获得可调的直流电压。（G-M系统）DateDate1010机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2）静止式可控整流器用静止式的可控整流器获得可 调的直流电压。 （V-M系统）DateDate1111机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件3) 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，产生可变的平均电压。VT :电力电子开关器件，VD :续流二极管。当VT 导通时ton ，直流电源电压 Us 加到电动机上；当 VT 关断时T ton ，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。DateDate1212机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件三种可控直流电源比较：G-M系统在早期运动控制系统中使用；V-M系统在20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。DateDate1313机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件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）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： 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。 控制的快速性，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du/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。 谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，“电力公害” 。 DateDate1414机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件1.2 V-M系统的特殊问题讨论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。DateDate1515机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件1.2.1 触发脉冲相位控制: 调节晶闸管触 发脉冲相位，可改 变可控整流器输出 电压的波形。整流器输出电 瞬时值ud 的呈周 期性变化。OOOOODateDate1616机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件等效电路分析：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。ud0为整流电压 理想空载瞬时值 。V-M系统主电路的等效电路图 瞬时电压平衡方程：式中：E 电动机反电动势（V）；id整流电流瞬时值（A）；L主电路总电感（H）；R主电路等效电阻（），R = Rrec + Ra + RL。DateDate1717机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件整流电压的平均值计算：在一个周期内的平均值为理想空载整流电压平均值Ud0 ： 触发脉冲控制角； Um 交流电源线电压峰值（V） ；m交流电源一周内整流电压脉波数。 整流与逆变状态：q 0 0 ，整流状态，电功率从交流侧到直流侧； q /2 T/2，则UAB的平均值大于零（2） 负载电流不是轻载。DateDate3535机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件输出平均电压：双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为如果占空比和电压系数的定义与不可逆变换器中相同， 则在双极式控制的可逆变换器中 = 2 1 注意：这里 的计算公式与不可逆变换器中的公式不一样 。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DateDate3636机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件双极式桥式可逆PWM变换器的特点：（1）电流连续：在周期T内，都有电流通过；（2）四象限：电动机可在四象限（正反向、制动）工作；（3）动力润滑：电动机停止时有高频微振电流，消除了正 反向时的静摩擦死区；（4）低速平稳性好：调速范围可达1：20000（5）开关损耗大：4个VT在工作中都处于开关状态；（6）需防止直通：在切换时容易发生上、下桥臂直通的事 故，应设置逻辑延时。DateDate3737机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2.2 直流脉宽调速系统的机械特性：由于采用脉宽调制，严格地说，即使在稳态情况下， 脉宽调速系统的转矩和转速也都是脉动的，所谓稳态，是 指电机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态，机械特 性是平均转速与平均转矩（电流）的关系。1）双极式可逆电路电压方程( 0 t ton )(ton t T )DateDate3838机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2）机械特性方程平均电流和转矩分别用 Id 和 Te 表示，平均转速 n = E/Ce ，而电枢电感压降的平均值 Ldid / dt 在稳态时应为零。于是，无论是上述哪一组电压方程，其平均值方程都可写成式中，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 DateDate3939机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件DateDate4040机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2.3 PWM控制与变换器的数学模型：PWM装置变换器也可以看成是一个带滞后作用的比例环节 ，传递函数：式中，Ks：PWM装置的放大系数；Ts：PWM装置的延迟时间， TsT0与晶闸管装置一样， PWM装置可以近似看成是一个一 阶惯性环节：DateDate4141机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2.4 电能回馈与泵升电压的限制PWM变换器的直流电源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滤波，以获得恒定的直流电压 。DateDate4242机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件泵升电压产生的原因：对于PWM变换器中的滤波电容，其作用除滤波外，还 有当电机制动时吸收运行系统动能的作用。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 直流电源靠二极管整流器（单向性）供电，不可能回馈电 能到交流电网，电机制动时只好对滤波电容充电，这将使 电容两端电压升高，称作“泵升电压”。泵升电压限制：增加释放回路DateDate4343机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件3 调速系统的性能指标：任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性 能都有一定的要求。 1、控制要求：1）调速在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地 （有级）或 平滑地（无级）调节转速；2）稳速以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种 干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；3）加、减速频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快 ，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起 ，制动尽量平稳。DateDate4444机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2. 调速指标： q 调速范围：生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转 速之比叫做调速范围，用字母 D 表示，即其中nmin 和nmax 一般都指电动机额定负载时的转速，对 于负载很轻的机械，也可用实际负载时的转速。 q 静差率：当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增 加到额定值时所对应的转速降落 nN ，与理想空载转速 n0 之