先進伺服大作業(yè)

1、作業(yè)1 H橋驅(qū)動直流電機分析1. 橋變換器驅(qū)動電機運行過程圖2 驅(qū)動電壓圖1 H橋可逆PWM變換器如圖1所示，電動機M兩端電壓UAB的極性隨開關器件驅(qū)動電壓的變化而變化，這里分析雙極式控制的可逆PWM變換器。四個驅(qū)動電壓波形如圖2所示，它們的關系是.在一個開關周期內(nèi)，當時，和導通，和關斷，電樞電流沿回路1流動；當時，和關斷，和由于和的鉗制作用不能馬上導通，沿回路2流經(jīng)二極管續(xù)流，. 當電機需要降速制動時，先改變控制脈沖的占空比，使驅(qū)動電壓的平均值減小，但是由于機械慣性，轉(zhuǎn)速和反電勢還來不及變化，因而造成，很快使電流反向，在時，反向電流沿回路4向電源充電，實現(xiàn)再生制動，而和被鉗制不能導通；在時，

2、和被打開，負向電流通過和，實現(xiàn)能耗制動。當電機反向轉(zhuǎn)動時，各器件的導通情況與上述情形相反。圖3繪出了雙極式控制時電機正轉(zhuǎn)時的輸出電壓和電流波形。電動機的正反轉(zhuǎn)則體現(xiàn)在驅(qū)動電壓正負脈沖的寬窄上。當正脈沖較寬時，則的平均值為正，電動機正轉(zhuǎn)，反之則反轉(zhuǎn)；如果正負脈沖相等，平均電壓為零，則電動機停止。但電動機停止時電樞電壓并不等于零，而是正負圖3 輸出電壓和電流脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的，平均值為零，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，電動機損耗陡然增大，但是此時消除了正反向時的靜摩擦死區(qū)，起“動態(tài)潤滑”的作用。另外，圖3所示的為輕載狀態(tài)下的輸出電流變化情況。2. 直流電機啟動和降速過程電動機在未啟動之前，轉(zhuǎn)

3、速，反電勢，而電樞電阻很小，所以將電動機加上額定電壓時，啟動電流將很大，可能燒壞整流子。所以在電機啟動時都采用限制電流的方法，下面討論常用的電樞回路串接電阻的方法。圖4 串接電阻啟動如圖4所示，當在電樞回路串接電阻時，電動機啟動電流將變成隨著電動機轉(zhuǎn)速的提高，反電動勢E增大，再逐步切除外加電阻直到電機達到所要求的轉(zhuǎn)速。圖4（b）所示為外接1級電阻啟動特性。當外接電阻被切除后，工作點將從曲線1變到曲線2，由于在切除外接電阻瞬間，機械慣性的作用使電動機的轉(zhuǎn)速不能突變，在此瞬間轉(zhuǎn)速維持不變，即工作點從點a切換到點b，此時沖擊電流仍然很大，為了避免這種情況，通常采用多級外接電阻啟動方法（如圖5所示）。

4、圖5 外接多級電阻啟動圖6 降壓調(diào)速當電動機采用降壓調(diào)速減速時，運行原理如圖6所示。假設電動機以運行在g點，電壓突然降到，此時由于機械慣性作用，電動機轉(zhuǎn)速n保持不變，故電動機反電勢也保持不變，所以電樞電流將從變到，電機轉(zhuǎn)矩也隨之減小，電動機運行于點b，此時電機轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩，電動機將沿著曲線減速，直到電機轉(zhuǎn)矩等于負載轉(zhuǎn)矩。3. 泵升電壓圖7所示為橋式可逆直流脈寬調(diào)制系統(tǒng)主電路的原理圖，PWM變換器的直流電源通常由交變電網(wǎng)經(jīng)過不可控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容C濾波，以獲得恒定的電壓。處濾波作用外，電容C還有在電動機制動時吸收系統(tǒng)動能的作用。由于是二極管整流電路供電，所以不能回饋電能，電動

5、機制動時只能對濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓”。電力電子器件的耐壓限制著最高泵升電壓，因此電容量不可能很小，在大容量或負載有較大慣量的系統(tǒng)中，不可能只靠電容器來限制泵升電壓，這時采用圖7中的鎮(zhèn)流電阻來消耗部分電能。對于更大容量的系統(tǒng)，為了提高效率，可以再二極管整流器輸出端并接逆變器，把多余的能量逆變后回饋電網(wǎng)，當然這增加了系統(tǒng)的復雜性。圖7 橋式可逆直流脈寬調(diào)制系統(tǒng)主電路原理圖作業(yè)2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制設計有一轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的H型雙極式PWM直流調(diào)速系統(tǒng)，已知電動機參數(shù)為：PN=200W UN=48V IN=3.7A nN=200r/min電樞電阻RN=6.5W

6、電樞回路總電阻R=8 W 允許電流過載倍數(shù)l=2電勢系數(shù)Ce=0.12Vmin/r 電磁時間常數(shù)Tl=0.015s機電時間常數(shù)Tm=0.2s 電流反饋濾波時間常數(shù) Toi=0.001s轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)Ton=0.005s 設調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓Unm= Uim= Ucm=10V，調(diào)節(jié)器輸入電阻R0=40kW，PWM環(huán)節(jié)的開關頻率f=1kHz，放大倍數(shù)Ks=4.8。試對該系統(tǒng)進行動態(tài)參數(shù)設計，設計指標：（1）穩(wěn)態(tài)無靜差（2）電流超調(diào)量si=£5%（3）過渡過程時間ts£0.1s以報告形式提供控制參數(shù)分析與設計過程，以及Simulink 仿真驗證結果。圖1 電流環(huán)化簡結果首先

7、確定時間常數(shù)。整流裝置滯后時間常數(shù)，三相H橋平均失控時間，電流濾波時間常數(shù)，電流環(huán)小時間常數(shù)之和。接下來選擇電流調(diào)節(jié)器的結構，根據(jù)設計要求，并保證無靜差，可按典型I型系統(tǒng)設計電流調(diào)節(jié)器。因為電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為其中為電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，為電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。檢查對電源電壓的抗擾性能：，參照典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能與參數(shù)的關系可知，各項指標是可以接受的。接下來計算電流調(diào)節(jié)器的各項參數(shù)，要求，所以，所以另外電流反饋系數(shù)。于是ACR的比例系數(shù)為校驗近似條件，電流環(huán)截止頻率1) 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件滿足近似條件2) 忽略反電動勢變化對電流環(huán)動

8、態(tài)影響的條件滿足近似條件3) 電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件滿足近似條件。根據(jù)以上條件及相關公式，可以計算各電阻和電容值為按照上述計算結果搭建Simulink仿真框圖，得到仿真結果如圖2和圖3所示，可見電流環(huán)滿足性能指標。圖2 電流環(huán)仿真框圖圖3 電流環(huán)響應曲線下面開始設計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。經(jīng)過簡化，轉(zhuǎn)速環(huán)可以轉(zhuǎn)化為圖3所示框圖圖4 轉(zhuǎn)速環(huán)化簡結果電流環(huán)等效時間常數(shù)，轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)，則轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)為。按照設計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為按照跟隨性和抗干擾性都能較好的原則，取，則ASR的超前時間常數(shù)為則轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)為于是可以求得ASR的比例系數(shù)為下面檢驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻

9、率為電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為滿足簡化條件。轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為滿足近似條件。根據(jù)以上計算結果，就可以求解電路元件各參數(shù)，求得按照上述計算結果搭建Simulink仿真框圖，得到仿真結果如圖3所示，速度環(huán)滿足性能指標。圖5 轉(zhuǎn)速環(huán)仿真曲線圖6 轉(zhuǎn)速環(huán)響應曲線作業(yè)3PWM型伺服驅(qū)動器EMI問題分析1. EMI問題的產(chǎn)生在任何系統(tǒng)中，形成電磁干擾必須具備三個基本條件，即干擾源、接受單元、有耦合通道。其中有耦合通道指把能量動干擾源耦合的敏感接收器上，并使系統(tǒng)性能明顯惡化的媒介。在PWM系統(tǒng)中，電磁干擾的來源主要有以下幾個方面。1) 交流電網(wǎng)的負載突變交流電網(wǎng)負載突變時（如電動機啟動、制動，各種

10、用電器的通斷等），在負載突變處產(chǎn)生瞬變電壓波，其振幅可高于電源電壓，而且前沿陡峭，頻帶很寬，相當于周期為毫秒至納秒的高頻振蕩電壓。它經(jīng)由直流穩(wěn)壓電源進入控制子線路，再經(jīng)過寄生電容進入大地，構成閉合回路。2) 強電干擾系統(tǒng)內(nèi)部的強電元件，如電磁鐵、繼電器、接觸器、電動機等感性負載，在通過過程中產(chǎn)生瞬時過電壓和沖擊電流。這是高頻振蕩電壓，它不僅影響驅(qū)動電路，而且會通過電源進入電子線路造成干擾，還可能經(jīng)過布線電容、電磁感應干擾其他信號線路。3) GTR切換PWM功率轉(zhuǎn)換電路中GTR在開關切換過程中，大脈沖電流引起磁的或電磁的干擾幅值大而且變化快速，電流回路與地構成環(huán)路產(chǎn)生的磁場耦合形成最嚴重的干擾。

11、這種干擾最難消除、最復雜。4) 輻射干擾直流伺服電機在PWM控制下，電樞繞組中的電流改變方向，形成磁場的急劇變化，其電刷的換向火花也全產(chǎn)生高頻輻射，通過導線竄入電子控制線路，通過電機輻射干擾測速發(fā)電機。另外還有一些功能性的干擾源，例如微處理機的時鐘，三角波發(fā)生器，多諧波振蕩器，PWM功率轉(zhuǎn)換電路以及其他周期性信號發(fā)生器。任何具有固定頻率的設備都是一種潛在的連續(xù)波干擾源。2. 干擾傳遞方式干擾信號可多種途徑從擾源耦合到敏感單元上。這些途徑包括公共導線（例如：公共電源、公用連線等），設備間電容，相鄰導線的互感，通過空間輻射以及交變電磁場中的導線。傳遞方式式可歸結為：傳導耦合、公共阻抗耦合以及輻射電

12、磁場耦合。1) 傳導耦合 傳導耦合就是通過導體來傳播不希望有的電磁能量。它們通過電源線、信號輸入輸出線路和控制線路等來傳播干擾。導線或?qū)w是傳遞干擾的重要途徑。2) 公共阻抗耦合 在PWM系統(tǒng)中，指令信號與反饋信號比較，再經(jīng)電壓、電流放大后控制直流伺服電動機，那么在信號號傳遞中總需要一個公共基準點電位參考點，這就形成了公共阻抗，流進公共阻抗的電流便將干擾耦合到其它電路中去。不良的接地方式是引起公共阻抗耦合的主要原因。3) 輻射耦合 所有的元器件或?qū)Ь€，當有電荷運行時都會輻射電磁場，電磁場又可分為近場和遠場。遠場的耦合方式以碰輻射形式為主；近場耦臺又分為電容性耦合和電感性耦合。所謂電容性耦合是指

13、系統(tǒng)內(nèi)部元器件和元器件之間、導線和導線之間、導線和元器件之間及導線、元器件和結構件之間，由于存在著分布電容，如果高電位的導體中有干擾電壓，通過分布電容使低電位導體受到影響，也就是說，通過導線間的分布電容使某一電路對另一電路形成交鏈。電感性耦合是指導體中電流流動時產(chǎn)生的磁通，通過互感被相鄰導線或電路耦合而產(chǎn)生感應電壓。電感耦合的主要途徑是通過變壓器耦臺和并行導線間的耦合，而并行導線間的耦臺是最為嚴重的。3. 消除干擾的方法正如上面所述，在任何系統(tǒng)中，形成電磁干擾必須具備三個基本條件，即干擾源、接受單元、有耦合通道。在系統(tǒng)設計、制造、安裝和調(diào)試過程中，只要消除了其中一個因素，干擾就被克服了。例如抑

14、制干擾的產(chǎn)生，切斷傳遞干擾的通道，提高敏感接受單元的抗干擾能力，都可以克服電磁兼容性問題。PWM系統(tǒng)電磁兼容問題抑制方法主要有以下幾種。1) 在干擾源處抑制干擾。2) 采取良好的接地方式。3) 加強屏蔽和隔離以阻斷干擾串入通道。4) 用濾波器阻擋及電容旁路，以消除干擾的傳播。5) 提高控制線路的抗干擾能力，降低系統(tǒng)對干擾的靈敏度。6) 采取合理的元器件布局和布線。PWM系統(tǒng)的功率損耗，除與功率轉(zhuǎn)換電路GTR的飽和壓降、集電報反向漏電流有關外，還直接與GTR的導通和關斷有關。隨著開關頻率的提高。GTR的開關損耗也將越來越大。為了提高PWM功率轉(zhuǎn)換電路的效率應盡可能減小GTR的導通時間和關斷時間。

15、但隨著開關頻率和開關速度的提高，由此而帶來的干擾也將隨之增加。功率轉(zhuǎn)換電路GTR的開通速率高，基極驅(qū)動電路提供的正向電流大，則施加到續(xù)流二極管上的反向電壓上升率也大，尖峰電流幅度和也大。因此，適當減緩CTR的開通速率（相應的開通損耗將增加，因而需要綜合考慮）并限制集電極電流幅度或選用反向恢復時間短、復合電荷少的開關續(xù)流二極管，亦即造成GTR開通速度相對于續(xù)流二極管反向恢復時間緩慢，使能有效地減小尖峰電流。另外抑制共態(tài)導通現(xiàn)象也能消除電磁兼容問題?？缃釉陔娫磧啥说膬芍籊TR出現(xiàn)瞬間同時導通而造成功率轉(zhuǎn)換電路的電源對地直通短路的現(xiàn)象，稱為共態(tài)導通。共態(tài)導通的現(xiàn)象一般出現(xiàn)在T型，H型PWM功率轉(zhuǎn)換電

16、路中。由于共態(tài)導通，回路出現(xiàn)很大的短路電流它不但會加大GTR的工作電流·增加瞬間功耗。使GTR很容易進入二次擊穿區(qū)域，還會使系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。在H型功率轉(zhuǎn)換電路中，有兩組GTR周期地交替工作在開關狀態(tài)。如果同側(cè)對管由于存儲效應，使得導通的管子尚未截止時原來截止的管子就進入導通狀態(tài)時，就會出現(xiàn)共態(tài)導通現(xiàn)象。另一方面，當設計基極驅(qū)動電路中疏忽或工藝不當，有時幅度高于觸發(fā)電平的瞬時干擾脈沖作用到基極驅(qū)動信號上使要求截止的管子瞬時誤觸發(fā)導通，從而形成共態(tài)導通。這時在電源線上的干擾脈沖幅度是相當高的。無論從干擾角度，還是從可靠性和效率角度來分析，都必須防止共態(tài)導通的出現(xiàn)。對于由GTR存儲時間所引起的共態(tài)導通，采取開啟延遲等方法排除；