直流電機驅動控制

1、第三節(jié)直流傳動控制系統(tǒng)第三節(jié)直流傳動控制系統(tǒng) 6.3.1直流電機的晶閘管驅動控制直流電機的晶閘管驅動控制6.3.3 直流電機調速和伺服控制直流電機調速和伺服控制6.3.2直流電機的全橋驅動控制直流電機的全橋驅動控制 在直流電機的動力驅動中，尤其是在大功率驅動中，通常采用晶閘管驅動。當晶閘管用于直流電機的控制中時，最常用的形式是采用可控整流的方式，通過控制晶閘管的導通角而將交流電直接轉換成電壓或電流可調的直流電，從而實現對電機的電樞電流進行控制，獲得高性能的直流拖動控制。6.3.1直流電機的晶閘管驅動控制直流電機的晶閘管驅動控制在許多工業(yè)和商業(yè)應用中，直流電機是由直流電壓直接供電的，如無軌電車、

2、電動叉車、電瓶拖車等，需要將這些直流電轉換成不同的直流電壓來滿足直流電機的調速要求。有許多方法可以完成這種功能，而其中比較先進的技術是采用晶閘管的直流斬波器。 直流斬波器（D.C.Chopper）又稱為截波器，它是將電壓值固定的直流電，轉換為電壓值可變的直流電源裝置，是一種直流對直流的轉換器（DC to DC Converter）。 直流斬波器能直接將一種電壓的直流電根據直流電機拖動的需要而轉換成另一種電壓的直流電，從而實現對電機的高性能控制。優(yōu)點：控制平滑效率高響應速度快能再生等斬波器是一種將負載與電源接通繼而又斷開的晶閘管通斷開關，其作用是把固定的電源電壓轉換成滿足負載變化要求的可變電壓。

3、其原理如圖61所示，斬波器用虛線框內的一晶閘管代表。1）降壓斬波器的工作原理v圖61降壓直流斬波器原理 第7章動力驅動及其計算機控制 7tOTuoto nto f fURuoS+_uaE設一個工作周期為T，在ton時間內，晶閘管導通，負載與電源接通。在toff時間內，斬波器斷開，負載依靠續(xù)流二極管VD續(xù)流，以保持負載電流的連續(xù)性。就這樣依靠電動機電樞自身的濾波作用，在負載兩端得到經過斬波的直流電壓。其平均電壓可由下式表示：aonononoffttUEEEttT（1） 式中：ton導通時間； toff關斷時間； T 斬波周期，T=ton+toff； 工作率， =ton/T。由式（1）可見，負載電

4、壓受斬波工作率的控制。工作率的變更方法有兩種：（1）恒頻系統(tǒng)。 f=1T保持斬波周期不變，只改變晶閘管的導通時間ton。這種方法稱為脈沖寬度調制（PWM）。（2）變頻系統(tǒng)。改變斬波周期T，同時保持導通時間ton和關斷時間toff兩者之一不變。這種系統(tǒng)叫做頻率調制。頻率調制有以下缺點： 頻率調制必須在寬范圍內改變，以滿足輸出電壓范圍的要求，變頻調制濾波器設計比較難，對信號傳輸和通信干擾的可能性比較大； 在輸出電壓很低的情況下，較長的關斷時間會使直流電動機的負載電流斷續(xù)。 因此，對于斬波器轉動系統(tǒng)，恒頻調制是最優(yōu)的選用方案。 圖61中直流斬波器的電路結構所產生的輸出電壓低于所用電源的電壓。然而，若

5、將電路設計為如圖62所示的結構，則可以得到較高的負載電壓。2）升壓斬波器EVRLVDCioi1iGuol 原理圖：保持輸出電保持輸出電壓壓儲存電能儲存電能為了實現升壓變換和能量傳遞，在脈沖升幅斬波電路和負載之間接一逆止二極管VD。圖62升壓直流斬波器原理當斬波器導通時，電感器與電源接通，來自電源的電能被儲存在電感中。當斬波器關斷時，就強制電流通過二極管和負載，此時電感器兩端的電壓EL為負，這個電壓加在電源上，強制電感器的電流進入負載。如果忽略電源電流脈動，那么在斬波器導通期間由電源輸入給電感器的電能為oniEItW （2） 當斬波器關斷時，電感器釋放給電動機的電能為 ooffOW(UE)It（

6、3） 假設系統(tǒng)無損耗，則在穩(wěn)態(tài)時這兩項電能相等，即 onooffEIt(UE)It（4） 可得： oonoffoffonttT1UEEEtTt1（5） 因此，當在（0，1）范圍內變化時，電壓Uo的變化范圍就是E，+）。 斬波器最主要的用途是工業(yè)或交通運輸傳動用直流電動機的轉速控制。下面討論斬波器供電的串激和他激電動機的工作特性。斬波器供電的串激直流電動機的基本電路如圖 61所示。假設電動機電流ia是連續(xù)的，ton、toff分別是一個控制周期內的導通時間和關斷時間，并且轉速是固定不變的。在0tton時，晶閘管導通，電壓方程為3）斬波器供電的直流電動機式中：C1 串激電動機勵磁繞組系數； E 直流

7、電源電壓； Ra 電樞及勵磁線圈電阻； ia 電樞電流； La 電樞及勵磁線圈電感； n 電機轉速； C2 串激電動機機械剛度系數。 ddaaaa1 a2IER ILC i nC nt（6） 而當晶閘管關斷時，即tonttoff，晶閘管關閉，電壓方程為 d0daaaa1 a2IR ILC i nC nt（7） 在穩(wěn)態(tài)時，晶閘管導通時刻電流最小，晶閘管關斷時刻電流最大。設電動機電樞電流的最大值和最小值分別Imax和Imin，則可求得上述微分方程（6）和（7）的解為：當0tton時，min1ee-t/t/2aaEC ni(1)IRC n（8） 當tonttoff時， max1e-t/t/2aa1C

8、 ni(e)IRC n（9） 式中：t=t-ton =La /（Ra +C1n）。由此可以求出Imax和Imin，從而求出機電傳動系統(tǒng)中（或執(zhí)行裝置）任意時刻的電磁轉矩。 在直流電機的伺服驅動控制中，通常采用全控型的驅動元件，如大功率晶體管、MOSFET、IGBT等。與晶閘管之類的半控元件相比，這些元件具有驅動電路簡單、開關頻率高、體積小等優(yōu)點，隨著功率的增加其價格也非常昂貴。但在伺服驅動中，通常功率較小，因此價格因素并不影響對這些全控元件的選用。6.3.2直流電機的全橋驅動控制直流電機的全橋驅動控制在伺服驅動中，最常用的控制方式為調壓調速控制方式。在這種控制方式中，當負載一定時，電機的轉速與

9、電樞電壓成線性關系，這種關系決定了直流電機具有優(yōu)良的控制性能。根據他勵直流電機原理，電機運行的決定因素是電樞電流。電樞電流與電機驅動轉矩成正比，因此，只要控制電機的電樞電流，就能對電機的驅動轉矩進行控制，進而控制機電傳動系統(tǒng)的動態(tài)響應過程。有多種控制電路可以實現直流電機電樞電流的控制，包括電機的正、反轉控制。其中，最常用的當屬T型橋驅動和H型橋驅動電路，如圖63所示。T型橋驅動需要有正、負電源，兩個功率元件必須是互補的；H型橋驅動只需要單一電源，但需要4個功率元件。目前，H型橋由于只需要單電源而獲得了更廣泛的應用，雖然其驅動比T型橋復雜，但由于避免了采用更復雜的正負電源結構，因此在成本上還是合

10、算的。v圖63直流電機驅動原理 v線性功率放大可使電機在四象限下工作。v但因調速時兩只晶體管工作在放大狀態(tài)，管壓降總是存在的，電源功率有相當一部分變成了晶體管發(fā)出的熱量，效率較低。v晶體管是電流放大器件，驅動電路較復雜。v需要雙電源供電。vT1、T2是一對互補晶體管。v雙電源供電。v當Ub為正時，T1導通，T2截止，加到電機電樞繞組上的電壓為正， 電流ia產生正向力矩使電機正向旋轉。v當Ub為負電壓時，T1截止，T2導通，加到電樞繞組上的電壓為為。電流ia產生反向力矩使電機反向旋轉v電機在正向運行過程中需要減速時，可降低Ub電壓值，這時由于電機轉速不能突變，初始瞬時Ua維持原電壓，并出現Ua

11、Ub的情況，這使T1截止，T2導通，產生反向電樞電流使電機工作在制動狀態(tài)，電機開始減速，Ua逐漸下降，直到再次出現T2截止，T1導通的狀態(tài)。vH H橋驅動電路橋驅動電路 下圖中所示為一個典型的直流電機控制電路。電路得名于“H橋驅動電路”是因為它的形狀酷似字母H。4個三極管組成H的4條垂直腿，而電機就是H中的橫杠（注意：該圖只是示意圖，而不是完整的電路圖，其中三極管的驅動電路沒有畫出來）。H橋式電機驅動電路包括4個三極管和一個電機。要使電機運轉，必須導通對角線上的一對三極管。根據不同三極管對的導通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉向。要使電機運轉，必須使對角線上的一對三

12、極管導通。例如，如下圖所示，當Q1管和Q4管導通時，電流就從電源正極經Q1從左至右穿過電機，然后再經Q4回到電源負極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅動電機順時針轉動。當三極管Q1和Q4導通時，電流將從左至右流過電機，從而驅動電機按特定方向轉動（電機周圍的箭頭指示為順時針方向）。H橋電路驅動電機順時針轉動下圖所示為另一對三極管Q2和Q3導通的情況，電流將從右至左流過電機。當三極管Q2和Q3導通時，電流將從右至左流過電機，從而驅動電機沿另一方向轉動（電機周圍的箭頭表示為逆時針方向）。H橋電路驅動電機逆時針轉動在H型橋驅動中，要避免單橋臂短路，即防止同一橋臂上的兩個功率元件同時導通，否則將導致

13、功率元件燒毀。有多種模式的控制信號可以防止上、下橋臂直通，在機電一體化系統(tǒng)的直流驅動控制中，較常用的控制模式是對上、下橋臂加互補的導通信號，即上橋臂導通時下橋臂一定要關斷，下橋臂導通時上橋臂也一定要關斷，如圖64所示。從機電系統(tǒng)驅動的觀點來看，這種控制可以實現更高的響應速度，原因是這種控制模式能對直流電機的電樞電流進行更快、更精確的控制。從邏輯上來講，這種控制模式上、下橋臂的功率元件不可能同時導通，但考慮到功率元件實際的開關過程，則這種模式是不可靠的。這是因為，對于任何種類的功率元件，其導通和關斷過程都需要一定時間，在這段時間內，功率元件究竟是處于導通狀態(tài)還是關斷狀態(tài)是不確定的，因此導致了上、

14、下橋臂在導通和關斷的瞬間有可能產生直通的現象，導致功率元件的損壞。為避免這種現象，需要在上、下橋臂的導通控制上加死區(qū)時間，使之在任何情況下都不能同時導通。具體的死區(qū)控制形式如圖64所示，將橋臂上每一個功率元件的關斷時間都加一個提前量，這個提前量稱為死區(qū)時間，死區(qū)時間用td表示。這樣就能保證在一個功率元件可靠關斷后，另一個功率元件才能打開，有效地避免了兩個功率元件同時導通的情況發(fā)生。v圖64H型橋驅動信號的波形 死區(qū)時間由于在H型橋驅動中，每個橋臂上所采用的功率元件都是相同的，不像T型橋驅動那樣是互補的，這就給上、下橋臂功率元件的驅動帶來了一定的難題。在T型橋驅動中，由于上、下橋臂的功率元件具有

15、互補性，因此可以用同一個信號進行驅動，如圖63（a）所示；而在H型橋驅動中，由于上、下橋臂的功率元件是一樣的，因此每個功率元件必須單獨設置驅動電路，如圖63（b）所示。H橋驅動和T橋驅動相比較： 從圖中63（b）還可以看出，在上橋臂功率元件和下橋臂功率元件的驅動中，各自驅動信號的低壓端分別接在了被驅動功率元件的發(fā)射極，這就意味著上橋臂的驅動電壓比下橋臂的驅動電壓要高。有兩個途徑可以解決這一問題： 其一是對上、下橋臂驅動電路分別采用互相隔離的電源； 其二是對上橋臂驅動電路采用升壓技術。H橋驅動和T橋驅動相比較：1）直流電機調速控制與晶閘管相比，晶體管控制電路簡單，不需要附加關斷電路，開關特性好,

16、而且功率晶體管的耐壓性能已大大提高。因此，在中、小功率直流伺服系統(tǒng)中，晶體管脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）方式驅動系統(tǒng)已得到了廣泛應用。6.3.3直流電機調速和伺服控制直流電機調速和伺服控制所謂脈寬調制，就是使功率晶體管工作于開關狀態(tài)，開關頻率恒定，用改變開關導通時間的方法來調整晶體管的輸出，使電機兩端得到寬度隨時間變化的電壓脈沖。當開關在單周期內的導通時間隨時間發(fā)生連續(xù)變化時，電機電樞得到的電壓平均值也隨時間連續(xù)發(fā)生變化，而由于內部的續(xù)流電路和電樞電感的濾波作用，電樞上的電流則連續(xù)改變，從而達到調節(jié)電機轉速的目的。圖65為脈寬調制系統(tǒng)的組成原理圖。該系統(tǒng)由控制部分、功率晶體管放大器和全波整流器三部分組成。 控制部分包括速度調節(jié)器、電流調節(jié)器、固定頻率振蕩器及三角波發(fā)生器、脈寬調制器和基極驅動電路。其中控制部分的速度調節(jié)器和電流調節(jié)器與晶閘管調速系統(tǒng)相同，控制方法仍采用雙環(huán)控制，不同部分是脈