直流电机小结

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1、第四章 直流调速系统小结,直流拖动控制系统,内容提要：,直流调速方法,直流调速电源,直流调速控制,G-M系统 V-M系统 PWM系统,2.1.2 直流电动机的调速方法,直流电动机转速表达式为： 式中，n 为电动机转速（r/min）； 为电枢电压（V）； 为电枢电流（A）； 为电枢回路电阻（）； 为励磁磁通（Wb）； 为电动机结构决定的电势常数。,由式2.1.1可知，直流电动机有三种调速方法： (1) 调节电枢电压。 (2) 调节励磁磁通。 (3) 改变电枢附加电阻。 三种调速方法的机械特性如图2.1.2所示。,图2.1.2直流电动机人为机械特性曲线,2.1.3 调速指标,不同的生产机械，其工艺

2、要求电气控制系统具 有不同的调速性能，其指标分为静态和动态调 速指标。,1.静态调速指标,（1）调速范围 电动机在额定负载下，运行的最高转速与最低 转速之比称为调速范围，用D表示，即 （2.1.2） 注意：对非弱磁的调速系统，电动机的最高转速 即为额定转速 。,（2）静差率,静差率是指电动机稳定运行时，当负载由理想空载增加至额 定负载时，对应的转速降落 与理想空载转速 之比，用 百分数表示为 静差率反映了电动机转速受负载变化的影响程度，它与机械 特性硬度有关，还与理想空载转速有关。如图2.1.3所示，A 点静差率1%，B点静差率10%，那么能满足最低转速时的静差率，其它转速时也必然能满足。,（

3、3）调速范围与静差率的关系 在调压调速系统中，额定转速为最高转速，静差 率为最低转速时的静差率，则最低转速为,调速范围与静差率应满足下列关系式： 由以上公式可知，当一个调速系统机械特性硬度（ ）一定时，对静差率要求越高，即静差率越小，允许的调速范围也越小。,2. 动态调速指标,动态性能指标包括跟随性能和抗干扰性能两类。 （1）跟随性能指标 通常以输出量初始值为零、给定信号阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过程，即阶跃响应。跟随性能指标有下列各项：, 上升时间 ：在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值 所经过的时间称为上升时间，它表示动态响应的快速性，如图2.1.4所示。,图

4、2.1.4典型阶跃响应曲线和跟随性能指标, 超调量 ：在典型的阶跃响应过程中，输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示，称为超调量： 超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，则相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。, 调节时间 ：调节时间又称过渡过程时间，它衡量系统整个调节过程的快慢。原则上应从给定量阶跃变化起到输出量完全稳定下来为止的时间。实际系统一般在阶跃响应曲线的稳态值附近，取 (或 )的范围作为允许误差带，以响应曲线达到并不再超出该误差带所需的最短时间，定义为调节时间，如图2.1.4所示。,（2）抗扰性能指标 一般是以系统稳定运行中，突加负载的阶跃扰动后的动态过程作为典型的

5、抗扰过程，并由此定义抗扰性能指标，如图2.1.5所示。,图2.1.5 突加负载时的动态过程和抗扰性能指标, 动态降落 ：系统稳定运行时，突加一定数值的扰动后引起转速的最大降落值 叫做动态降落，用输出量原稳态值 的百分数来表示。输出量在动态降落后逐渐恢复，达到新的稳态值 ，（ ）是系统在该扰动作用下的稳态降落。动态降落一般都大于稳态降落（即静差）。调速系统突加额定负载扰动时的动态降落称作动态速降 。, 恢复时间 ：从阶跃扰动作用开始，到被调量进入离稳态值的 或 的区域内为止所需要的时间。, 震荡次数N：震荡次数为在恢复时间内被调量在稳态值上下摆动的次数，它代表系统的稳定性和抗扰能力强弱。,开环V

6、-M系统,当生产机械对调速性能要求不高时，可采用开环调速系统，方框图如图2.2.1所示。改变参考电压 的大小，即可改变触发脉冲的控制角，从而使直流电动机的电枢电压 变化，以达到改变电动机转速的目的。但开环调速系统调速范围不大。,单闭环有静差调速系统,图2.2.3系统静态结构图,利用叠加原理，可得系统的静特性方程为,式中, 称闭环系统的开环放大系数。,（1）静态速降小，特性硬 在同样负载下，两者的转速降落分别为 它们之间关系为 （2.2.4） 在同一负载下，闭环速降减小到开环时的 倍,因而闭环静特性硬度大大提高。,（2）系统的静差率减小，稳速精度高 空载转速相同时，开环与闭环系统的静差率分别 为

7、： 当 时， （2.2.5） 闭环时的静差率较开环时降低至 倍。,（3）系统的调速范围大大提高 如果电动机的最高转速均为 ，且开、闭环系统 要求的静差率相同，则调速范围分别为 且将式(2.2.4)代入，得,为使以上优点充分显现，关键是提高闭环系统的放大系数K，须设置检测与反馈装置和足够放大系数的调节器，这样闭环系统便能获得较开环系统硬得多的静特性。,把上述四点概况起来，可得下述结论： 闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬的多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所付出的代价是，须设置电压放大器以及检测与反馈装置,3. 单闭环调速系统的基本性质,单闭环调速系统具有反馈控

8、制的基本规律如下： （1）采用比例调节器的闭环系统为有静差系统 有静差系统的实际转速不等于给定转速，因为从闭 环静特性得静态速降为： U0是有静差系统的一大特点,（2）闭环系统对于给定输入绝对服从 给定电压 是和反馈电压 相比较的量，又可称作参考输入量。 显然给定电压的一些微小变化，都会直接引起输出量转速的变化。在调速系统中，改变给定电压就是在调整转速。,（3）转速闭环系统的抗扰动性能 在闭环系统中，当给定电压 不变时，使电 动机转速发生变化（即系统稳态转速偏离设定 值）的所有因素统称为系统的扰动。,闭环系统对检测和给定环节本身的扰动无抑制能力，若测速发电机磁场不稳定，引起反馈电压 变化，使转

9、速偏离原值，这种由测速发电机本身误差引起的转速变化，闭环系统无抑制调节能力。,（1）采用积分调节器的单闭环无静差调速系统,图2.2.17 积分调节器无静差调速系统,（2）由比例积分调节器构成的无静差系统,图2.2.19 比例积分调节器无静差调速系统,图2.2.22 带电流截止无静差调速系统原理图,（3）带电流截止保护的无静差调速系统,图2.3.1 双闭环调速系统原理图,（4） 转速、电流双闭环调速系统的特点,3.1.1 脉宽调制的理论,许多工业传动系统都是由公共直流电源或蓄电池供电的。在多数情况下，都要求把固定的直流电源电压变换为不同的电压等级，例如地铁列车、无轨电车或由蓄电池供电的机动车辆等

10、,它们都有调速的要求。,图3.1.1 PWM调速系统 (a)原理图 (b)输出电压波形,图3.1.1(a)中，假定IGBT VT1先导通 秒（忽略VT1的管压降，这期间电源电压Ua全部加到电枢上），然后关断 秒，电枢失去电源，经二极管VD续流。如此周而复始，则电枢端电压波形如图3.1.1(b)中所示。电动机电枢端电压Ud为其平均值： （3.1.1） 式中,为负载率或占空比。改变，改变电压，从而实现电动机的平滑调速： 定宽调频法： 保持一定，使 在0范围内变化； 调宽调频法： 保持一定，使 在0范围内变化； 定频调宽法： 保持一定，使 在0T范围内变化。,图3.1.2 不可逆PWM变换器 (a)

11、原理图 (b) 电压电流波形,具备制动能力的PWM变换器,3.1.3 可逆PWM变换器,可逆PWM变换器电路的结构形式有H型和T型等类，这里主要讨论常用的H型变换器，它是由四个功率管和四个续流二极管组成的桥式电路。,1. 双极性可逆PWM变换器,双极式工作制的特点是，四个功率管IGBT 的栅极驱动电压分为两组。VT1和VT4同时 导通和关断，其栅极驱动电压 ； VT2和VT3同时导通和关断，其栅极驱动 电压 。,2. 单极式可逆PWM变换器,当静、动态性能要求较低时，可采用单极式PWM变换器。其电路和双极式的一样，见图3.1.5(a)，不同之处在于驱动信号。,在单极式变换器中, ，具有与双极

12、式一样正负交替的脉冲波形，使VT1和VT2交替 导通。VT3和VT4的驱动信号改成因电动机的转 向而施加不同的直流控制信号。,3.2 PWM调速系统的控制电路,PWM开环传动系统的简单原理图如图3.2.1所示，其控制电路主要由脉宽调制器、功率开关器的驱动电路和保护电路组成，其中最关键的部件是脉宽调制器。,2. 位置随动系统的主要组成部件,位置随动系统的基本组成，其原理图如图2-1所示。 这是一个电位器式位置随动系统，用来实现雷达天线的跟踪控制。这个系统由以下几个部分组成： （1）位置检测器 （2）电压比较放大器 （3）可逆功率放大器 （4）执行机构,图4.1.1 电位器式位置随动系统原理图,图

13、4.1.1 电位器式位置随动系统原理图,图4.1.1电位器式位置随动系统原理图,位置信号检测装置,位置随动系统与调速系统的区别在于信号的检测。 位置随动系统要控制的量一般是直线位移或角位移, 组成位置环时必须通过检测装置将它们转换成一定形式的电量，这就需要位移检测装置。 位置随动系统中常用的位移检测装置有自整角机、旋转变压器、感应同步器、光电编码盘等。,4.2.1自整角机（BS）,自整角机是一种感应式同步微型电机。广泛应用于显示装置和随动系统中，使机械上互不相连的两根活多根轴能自动保持相同的转角变化，才呈同步旋转。在系统中通常是两台或多台组合使用。与指令轴相联的称发送机，与执行轴相联的称接收机

14、。 按用途不同，自整角机可分为力矩式自整角机和控制式自整角机两类。,控制式自整角机是作为转角电压变换器用的。使用时，将两台自整角机的定子绕组出线端用三根导线连接起来，发送机BST转子绕组接单相交流励磁电源，而接收机转子绕组输出时反映角位移的信号，如图4.2.2所示。该发送机的单相交流励磁电压Uf的表达式为：,发送机,接收机,自整角机的输出电压为: Ubs =Ubsmsinsin (t-+90o) 式中 -失调角，=1-2。 这样，当失调角为零时，输出电压也为0，正好符合实际需要。同时可以看出，输出电压Ubs的幅值与发送机或接收机本身的绝对位置无关，只与其相对的失调角的正弦成正比。,4.2.2

15、旋转变压器（BR）,旋转变压器是一种特制的两相旋转电动机，由定子和转子两部分组成。 在定子和转子上各有两套在空间正交的绕组。当转子旋转时，定、转子绕组间的相对位置随之变化，使输出电压与转子转角呈一定的函数关系。 在不同的自动控制系统中，旋转变压器有多种类型和用途，在随动系统中主要用作角度传感器。,旋转变压器的输出电压为 ubr(t) =mu1(t)cos+u2(t)sin =mUmsin(0t+),为了保证旋转变压器的测角精度，要求两相励磁电流严格平衡，即大小相等，相位差90o，在气隙中产生圆形旋转磁场。转子绕组R1中产生的感应电压为： ubr(t) =mu1(t)cos+u2(t)sin =mUmsin(0t+) (4.2.2),图4.2.5 用旋转变压器构成的角差测量装置 Ubr = kUf cos(-90o) = kUf sin,透光区,不透光区,零位标志,增量式,绝对式,增量式、绝对式有何区别？,光电编码器,4.3.1 转角跟随式位置随动系统,图4.3.1就是这种