交直流電機的伺服控制直流伺服系統設計演示文稿

交直流電機的伺服控制直流伺服系統設計演示文稿目前一頁\總數七十三頁\編于二十二點（優(yōu)選）交直流電機的伺服控制直流伺服系統設計目前二頁\總數七十三頁\編于二十二點內容提要直流調速方法直流調速電源直流調速控制目前三頁\總數七十三頁\編于二十二點

引言

直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內平滑調速，在許多需要調速和快速正反向的伺服領域中得到了廣泛的應用。由于直流伺服控制系統在理論上和實踐上都比較成熟，而且從控制的角度來看，它又是交流伺服控制系統的基礎。因此，為了保持由淺入深的教學順序，應該首先很好地掌握直流伺服控制系統。目前四頁\總數七十三頁\編于二十二點目前五頁\總數七十三頁\編于二十二點目前六頁\總數七十三頁\編于二十二點目前七頁\總數七十三頁\編于二十二點根據直流電機轉速方程

2.1.1直流調速方法nUIRKe式中

—

轉速（r/min）；

—電樞電壓（V）；

—電樞電流（A）；

—電樞回路總電阻（

）；

—勵磁磁通（Wb）；

—

由電機結構決定的電動勢常數。（1-1）目前八頁\總數七十三頁\編于二十二點

由式（1-1）可以看出，有三種方法調節(jié)電動機的轉速：

（1）調節(jié)電樞供電電壓U；（2）減弱勵磁磁通；（3）改變電樞回路電阻R。目前九頁\總數七十三頁\編于二十二點（1）調壓調速工作條件：保持勵磁=N；保持電阻R=Ra調節(jié)過程：改變電壓UN

U

Un，n0調速特性：轉速下降，機械特性曲線平行下移。nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3調壓調速特性曲線目前十頁\總數七十三頁\編于二十二點（2）調阻調速工作條件：保持勵磁=N

；保持電壓U=UN；調節(jié)過程：增加電阻Ra

R

Rn，n0不變；調速特性：轉速下降，機械特性曲線變軟。nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3調阻調速特性曲線目前十一頁\總數七十三頁\編于二十二點（3）調磁調速工作條件：保持電壓U=UN

；保持電阻R=Ra；調節(jié)過程：減小勵磁N

n，n0調速特性：轉速上升，機械特性曲線變軟。nn0OTeTL

N

1

2

3nNn1n2n3調磁調速特性曲線目前十二頁\總數七十三頁\編于二十二點

三種調速方法的性能與比較

對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統來說，以調節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級調速；減弱磁通雖然能夠平滑調速，但調速范圍不大，往往只是配合調壓方案，在基速（即電機額定轉速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動控制的直流調速系統往往以調壓調速為主。目前十三頁\總數七十三頁\編于二十二點閉環(huán)控制的直流調速系統

本節(jié)著重討論基本的閉環(huán)控制系統及其分析與設計方法。目前十四頁\總數七十三頁\編于二十二點本節(jié)提要1.1直流調速系統用的可控直流電源1.2晶閘管-電動機系統（V-M系統）的主要問題1.3直流脈寬調速系統的主要問題1.4反饋控制閉環(huán)直流調速系統的穩(wěn)態(tài)分析和設計1.5反饋控制閉環(huán)直流調速系統的動態(tài)分析和設計1.6比例積分控制規(guī)律和無靜差調速系統目前十五頁\總數七十三頁\編于二十二點1.1直流調速系統用的可控直流電源

根據前面分析，調壓調速是直流調速系統的主要方法，而調節(jié)電樞電壓需要有專門向電動機供電的可控直流電源。本節(jié)介紹幾種主要的可控直流電源。目前十六頁\總數七十三頁\編于二十二點常用的可控直流電源有以下三種旋轉變流機組——用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調的直流電壓。靜止式可控整流器——用靜止式的可控整流器，以獲得可調的直流電壓。直流斬波器或脈寬調制變換器——用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開關器件斬波或進行脈寬調制，以產生可變的平均電壓。目前十七頁\總數七十三頁\編于二十二點1.1.1旋轉變流機組圖1-1旋轉變流機組供電的直流調速系統（G-M系統）

目前十八頁\總數七十三頁\編于二十二點G-M系統工作原理

由原動機（柴油機、交流異步或同步電動機）拖動直流發(fā)電機G實現變流，由G給需要調速的直流電動機M供電，調節(jié)G的勵磁電流if即可改變其輸出電壓U，從而調節(jié)電動機的轉速n。這樣的調速系統簡稱G-M系統，國際上通稱Ward-Leonard系統。目前十九頁\總數七十三頁\編于二十二點G-M系統特性目前二十頁\總數七十三頁\編于二十二點1.1.2靜止式可控整流器圖1-3晶閘管可控整流器供電的直流調速系統（V-M系統）

目前二十一頁\總數七十三頁\編于二十二點V-M系統工作原理

晶閘管-電動機調速系統（簡稱V-M系統，又稱靜止的Ward-Leonard系統），圖中VT是晶閘管可控整流器，通過調節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc

來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud

，從而實現平滑調速。目前二十二頁\總數七十三頁\編于二十二點V-M系統的特點與G-M系統相比較：晶閘管整流裝置不僅在經濟性和可靠性上都有很大提高，而且在技術性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數在104以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制，不再像直流發(fā)電機那樣需要較大功率的放大器。在控制作用的快速性上，變流機組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，這將大大提高系統的動態(tài)性能。目前二十三頁\總數七十三頁\編于二十二點V-M系統的問題由于晶閘管的單向導電性，它不允許電流反向，給系統的可逆運行造成困難。晶閘管對過電壓、過電流和過高的dV/dt與di/dt都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內損壞器件。由諧波與無功功率引起電網電壓波形畸變，殃及附近的用電設備，造成“電力公害”。目前二十四頁\總數七十三頁\編于二十二點1.1.3直流斬波器或脈寬調制變換器

在干線鐵道電力機車、工礦電力機車、城市有軌和無軌電車和地鐵電機車等電力牽引設備上，常采用直流串勵或復勵電動機，由恒壓直流電網供電，過去用切換電樞回路電阻來控制電機的起動、制動和調速，在電阻中耗電很大。目前二十五頁\總數七十三頁\編于二十二點a）原理圖b）電壓波形圖tOuUsUdTton控制電路M1.直流斬波器的基本結構圖1-5直流斬波器-電動機系統的原理圖和電壓波形

目前二十六頁\總數七十三頁\編于二十二點

斬波器的基本控制原理

在原理圖中，VT表示電力電子開關器件，VD表示續(xù)流二極管。當VT導通時，直流電源電壓Us加到電動機上；當VT關斷時，直流電源與電機脫開，電動機電樞經VD續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復，電樞端電壓波形如圖1-5b，好像是電源電壓Us在ton時間內被接上，又在T–ton

時間內被斬斷，故稱“斬波”。目前二十七頁\總數七十三頁\編于二十二點電動機得到的平均電壓為

輸出電壓計算(1-2)式中T—晶閘管的開關周期；

ton

—開通時間；

—占空比，

=ton/T=tonf；其中f為開關頻率。目前二十八頁\總數七十三頁\編于二十二點

為了節(jié)能，并實行無觸點控制，現在多用電力電子開關器件，如快速晶閘管、GTO、IGBT等。采用簡單的單管控制時，稱作直流斬波器，后來逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度調制開關的電路，脈寬調制變換器（PWM-PulseWidthModulation）。目前二十九頁\總數七十三頁\編于二十二點

斬波電路三種控制方式根據對輸出電壓平均值進行調制的方式不同而劃分，有三種控制方式：T不變，變ton—脈沖寬度調制（PWM）；ton不變，變T—脈沖頻率調制（PFM）；ton和T都可調，改變占空比—混合型。目前三十頁\總數七十三頁\編于二十二點PWM系統的優(yōu)點（1）主電路線路簡單，需用的功率器件少；（2）開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較??；（3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調速范圍寬，可達1:10000左右；（4）若與快速響應的電機配合，則系統頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗擾能力強；目前三十一頁\總數七十三頁\編于二十二點PWM系統的優(yōu)點（續(xù)）（5）功率開關器件工作在開關狀態(tài)，導通損耗小，當開關頻率適當時，開關損耗也不大，因而裝置效率較高；（6）直流電源采用不控整流時，電網功率因數比相控整流器高。目前三十二頁\總數七十三頁\編于二十二點小結

三種可控直流電源，V-M系統在上世紀60~70年代得到廣泛應用，目前主要用于大容量系統。直流PWM調速系統作為一種新技術，發(fā)展迅速，應用日益廣泛，特別在中、小容量的系統中，已取代V-M系統成為主要的直流調速方式。返回目錄目前三十三頁\總數七十三頁\編于二十二點1.2晶閘管-電動機系統（V-M系統）

的主要問題

本節(jié)討論V-M系統的幾個主要問題：（1）觸發(fā)脈沖相位控制；（2）電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)；（3）抑制電流脈動的措施；（4）晶閘管-電動機系統的機械特性；（5）晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數和傳遞函數。目前三十四頁\總數七十三頁\編于二十二點

在如圖可控整流電路中，調節(jié)觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，即可很方便地改變可控整流器VT輸出瞬時電壓ud

的波形，以及輸出平均電壓Ud

的數值。1.2.1觸發(fā)脈沖相位控制OOOOO目前三十五頁\總數七十三頁\編于二十二點Ud0IdE

等效電路分析

如果把整流裝置內阻移到裝置外邊，看成是其負載電路電阻的一部分，那么，整流電壓便可以用其理想空載瞬時值ud0和平均值Ud0來表示，相當于用圖示的等效電路代替實際的整流電路。圖1-7V-M系統主電路的等效電路圖

目前三十六頁\總數七十三頁\編于二十二點

式中

—電動機反電動勢；

—整流電流瞬時值；

—主電路總電感；

—主電路等效電阻；且有R=Rrec+Ra+RL；EidLR

瞬時電壓平衡方程(1-3)目前三十七頁\總數七十三頁\編于二十二點

對ud0進行積分，即得理想空載整流電壓平均值Ud0

。用觸發(fā)脈沖的相位角

控制整流電壓的平均值Ud0是晶閘管整流器的特點。

Ud0與觸發(fā)脈沖相位角

的關系因整流電路的形式而異，對于一般的全控整流電路，當電流波形連續(xù)時，Ud0=f()可用下式表示目前三十八頁\總數七十三頁\編于二十二點1.3直流脈寬調速系統的主要問題

自從全控型電力電子器件問世以后，就出現了采用脈沖寬度調制（PWM）的高頻開關控制方式形成的脈寬調制變換器-直流電動機調速系統，簡稱直流脈寬調速系統，即直流PWM調速系統。目前三十九頁\總數七十三頁\編于二十二點本段提要（1）PWM變換器的工作狀態(tài)和波形；（2）直流PWM調速系統的機械特性；（3）PWM控制與變換器的數學模型；（4）電能回饋與泵升電壓的限制。目前四十頁\總數七十三頁\編于二十二點1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、

電流波形

PWM變換器的作用是：用PWM調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調節(jié)電機轉速。

PWM變換器電路有多種形式，主要分為不可逆與可逆兩大類，下面分別闡述其工作原理。目前四十一頁\總數七十三頁\編于二十二點?主電路結構21圖中：Us為直流電源電壓，C為濾波電容器，VT為功率開關器件，VD為續(xù)流二極管，M為直流電動機，VT的柵極由脈寬可調的脈沖電壓系列Ug驅動目前四十二頁\總數七十三頁\編于二十二點1.不可逆PWM變換器（1）簡單的不可逆PWM變換器簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統主電路原理圖如圖1-16所示，功率開關器件可以是任意一種全控型開關器件，這樣的電路又稱直流降壓斬波器。

目前四十三頁\總數七十三頁\編于二十二點工作狀態(tài)與波形在一個開關周期內，當0≤

t<ton時，Ug為正，VT導通，電源電壓通過VT加到電動機電樞兩端；當ton

≤

t<T時，Ug為負，VT關斷，電樞失去電源，經VD續(xù)流。U,iUdEidUsttonT0圖1-16b電壓和電流波形O目前四十四頁\總數七十三頁\編于二十二點電機兩端得到的平均電壓為

(1-17)式中

=ton

/T為PWM波形的占空比，輸出電壓方程改變（0≤

<1

）即可調節(jié)電機的轉速，若令=Ud/Us為PWM電壓系數，則在不可逆PWM變換器

=

(1-18)目前四十五頁\總數七十三頁\編于二十二點（2）有制動的不可逆PWM變換器電路

在簡單的不可逆電路中電流不能反向，因而沒有制動能力，只能作單象限運行。需要制動時，必須為反向電流提供通路，如圖1-17a所示的雙管交替開關電路。當VT1

導通時，流過正向電流+id，VT2

導通時，流過–id

。應注意，這個電路還是不可逆的，只能工作在第一、二象限，因為平均電壓Ud并沒有改變極性。目前四十六頁\總數七十三頁\編于二十二點圖1-17a有制動電流通路的不可逆PWM變換器

主電路結構M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1目前四十七頁\總數七十三頁\編于二十二點

工作狀態(tài)與波形一般電動狀態(tài)在一般電動狀態(tài)中，始終為正值（其正方向示于圖1-17a中）。設ton為VT1的導通時間，則一個工作周期有兩個工作階段：在0≤

t≤

ton期間，Ug1為正，VT1導通，Ug2為負，VT2關斷。此時，電源電壓Us加到電樞兩端，電流id沿圖中的回路1流通。目前四十八頁\總數七十三頁\編于二十二點一般電動狀態(tài)（續(xù)）在

ton

≤

t≤

T期間，Ug1和Ug2都改變極性，VT1關斷，但VT2卻不能立即導通，因為id沿回路2經二極管VD2續(xù)流，在VD2兩端產生的壓降給VT2施加反壓，使它失去導通的可能。因此，實際上是由VT1和VD2交替導通，雖然電路中多了一個功率開關器件，但并沒有被用上。目前四十九頁\總數七十三頁\編于二十二點U,iUdEidUsttonT0O輸出波形：一般電動狀態(tài)的電壓、電流波形與簡單的不可逆電路波形（圖1-16b）完全一樣。b）一般電動狀態(tài)的電壓、電流波形目前五十頁\總數七十三頁\編于二十二點工作狀態(tài)與波形（續(xù)）制動狀態(tài)在制動狀態(tài)中，id為負值，VT2就發(fā)揮作用了。這種情況發(fā)生在電動運行過程中需要降速的時候。這時，先減小控制電壓，使Ug1的正脈沖變窄，負脈沖變寬，從而使平均電樞電壓Ud降低。但是，由于機電慣性，轉速和反電動勢E還來不及變化，因而造成EUd

的局面，很快使電流id反向，VD2截止，VT2開始導通。目前五十一頁\總數七十三頁\編于二十二點U,iUdEidUsttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUgO

輸出波形c）制動狀態(tài)的電壓﹑電流波形目前五十二頁\總數七十三頁\編于二十二點工作狀態(tài)與波形（續(xù)）輕載電動狀態(tài)有一種特殊情況，即輕載電動狀態(tài)，這時平均電流較小，以致在關斷后經續(xù)流時，還沒有到達周期T，電流已經衰減到零，此時，因而兩端電壓也降為零，便提前導通了，使電流方向變動，產生局部時間的制動作用。目前五十三頁\總數七十三頁\編于二十二點

輕載電動狀態(tài)，一個周期分成四個階段：第1階段，VD1續(xù)流，電流–id

沿回路4流通；第2階段，VT1導通，電流id沿回路1流通；第3階段，VD2續(xù)流，電流id沿回路2流通；第4階段，VT2導通，電流–id沿回路3流通。目前五十四頁\總數七十三頁\編于二十二點

在1、4階段，電動機流過負方向電流，電機工作在制動狀態(tài)；在2、3階段，電動機流過正方向電流，電機工作在電動狀態(tài)。因此，在輕載時，電流可在正負方向之間脈動，平均電流等于負載電流，其輸出波形見圖1-17d。目前五十五頁\總數七十三頁\編于二十二點

輸出波形d）輕載電動狀態(tài)的電流波形4123Tton0U,iUdEidUsttonT04123O目前五十六頁\總數七十三頁\編于二十二點小結表1-3二象限不可逆PWM變換器的不同工作狀態(tài)目前五十七頁\總數七十三頁\編于二十二點2.橋式可逆PWM變換器

可逆PWM變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱H形）電路，如圖1-20所示。這時，電動機M兩端電壓的極性隨開關器件柵極驅動電壓極性的變化而改變，其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多種，這里只著重分析最常用的雙極式控制的可逆PWM變換器。目前五十八頁\總數七十三頁\編于二十二點+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4H形主電路結構圖1-18橋式可逆PWM變換器目前五十九頁\總數七十三頁\編于二十二點

雙極式控制方式（1）正向運行：第1階段，在0≤

t≤

ton

期間，Ug1、

Ug4為正，VT1

、VT4導通，Ug2、

Ug3為負，VT2

、

VT3截止，電流id

沿回路1流通，電動機M兩端電壓UAB=+Us

；第2階段，在ton

≤

t≤

T期間，Ug1、

Ug4為負，VT1

、VT4截止，VD2

、

VD3續(xù)流，并鉗位使VT2

、

VT3保持截止，電流id沿回路2流通，電動機M兩端電壓UAB=–Us

；目前六十頁\總數七十三頁\編于二十二點

雙極式控制方式（續(xù)）（2）反向運行：第1階段，在0≤

t≤

ton

期間，Ug2、

Ug3為負，VT2

、VT3截止，VD1

、VD4

續(xù)流，并鉗位使VT1

、VT4截止，電流–id

沿回路4流通，電動機M兩端電壓UAB=+Us

；第2階段，在ton

≤

t≤

T期間，Ug2、

Ug3為正，VT2

、VT3導通，Ug1、

Ug4為負，使VT1

、VT4保持截止，電流–id

沿回路3流通，電動機M兩端電壓UAB=–Us

；目前六十一頁\總數七十三頁\編于二十二點

輸出波形U,iUdEid+UsttonT0-UsOb)正向電動運行波形U,iUdEid+UsttonT0-UsOc)反向電動運行波形目前六十二頁\總數七十三頁\編于二十二點

輸出平均電壓

雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為

（1-19）

如果占空比和電壓系數的定義與不可逆變換器中相同，則在雙極式控制的可逆變換器中

=2

–

1

（1-20）注意：這里的計算公式與不可逆變換器中的公式就不一樣了。目前六十三頁\總數七十三頁\編于二十二點

調速范圍

調速時，的可調范圍為0~1，–1<<+1。當>0.5時，為正，電機正轉；當<0.5時，為負，電機反轉；當=0.5時，

=0，電機停止。目前六十四頁\總數七十三頁\編于二十二點注意：

當電機停止時電樞電壓并不等于零，而是正負脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個交變電流的平均值為零，不產生平均轉矩，徒然增大電機的損耗，這是雙極式控制的缺點。但它也有好處，在電機停止時仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動力潤滑”的作用。目前六十五頁\總數七十三頁\編于二十二點

性能評價

雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優(yōu)點：（1）電流一定連續(xù)；（2）可使電機在四象限運行；（3）電機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；（4）低速平穩(wěn)性好，系統的調速范圍可達1:20000左右；（5）低速時，每個開關器件的驅動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通。