《交直流电机的伺服控制-直流伺服系统设计.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《交直流电机的伺服控制-直流伺服系统设计.（78页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、交直流电机的伺服控制 精密驱动技术精密驱动技术 第 2 章 2.1 2.1 直流伺服驱动技术直流伺服驱动技术 内容提要 n直流调速方法 n直流调速电源 n直流调速控制 q 引 言 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大 范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的 伺服领域中得到了广泛的应用。 由于直流伺服控制系统在理论上和实践上都比较 成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流伺服控 制系统的基础。因此，为了保持由浅入深的教学顺 序，应该首先很好地掌握直流伺服控制系统。 根据直流电机转速方程 2.1.1 2.1.1 直流调速方法直流调速方法 n U I R Ke 式中 转速（r/min）；
2、电枢电压（V）； 电枢电流（A）； 电枢回路总电阻（ ）； 励磁磁通（Wb）； 由电机结构决定的电动势常数。 （1-1） 由式（1-1）可以看出，有三种方法调节电动 机的转速： （1）调节电枢供电电压 U； （2）减弱励磁磁通 ； （3）改变电枢回路电阻 R。 （1）调压调速 工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电阻 R = Ra 调节过程： 改变电压 UN U U n ， n0 调速特性： 转速下降，机械特性 曲线平行下移。 n n0 OIIL UN U 1 U 2 U 3 nN n1 n2 n3 调压调速特性曲线 （2）调阻调速 工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电压 U =UN ；
3、 调节过程： 增加电阻 Ra R R n ，n0不变； 调速特性： 转速下降，机械特性 曲线变软。 n n0 OIIL R a R 1 R 2 R 3 nN n1 n2 n3 调阻调速特性曲线 （3）调磁调速 工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R a ； 调节过程： 减小励磁 N n ， n0 调速特性： 转速上升，机械特性 曲线变软。 n n0 O TeTL N 1 2 3 nN n1 n2 n3 调磁调速特性曲线 三种调速方法的性能与比较 对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说， 以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能 有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但
4、调速范 围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机 额定转速）以上作小范围的弱磁升速。 因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为 主。 闭环控制的直流调速系统 本节着重讨论基本的闭环控制系 统及其分析与设计方法。 本节提要 1.1 直流调速系统用的可控直流电源 1.2 晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题 1.3 直流脉宽调速系统的主要问题 1.4 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计 1.5 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计 1.6 比例积分控制规律和无静差调速系统 1.1 1.1 直流调速系统用的可控直流电源直流调速系统用的可控直流电源 根据前面分析，调压调速是直流
5、调速系 统的主要方法，而调节电枢电压需要有专 门向电动机供电的可控直流电源。 本节介绍几种主要的可控直流电源。 常用的可控直流电源有以下三种 旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组 成机组，以获得可调的直流电压。 静止式可控整流器用静止式的可控整流器， 以获得可调的直流电压。 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，以产生可变的平均电压。 1.1.1 旋转变流机组 图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统） G-M系统工作原理 由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直 流发电机 G 实现变流，由 G 给需要调速的直
6、流电动机 M 供电，调节G 的励磁电流 if 即可改变其输出电压 U ，从而调节电动机的转速 n 。 这样的调速系统简称G-M系统，国际上通称Ward- Leonard系统。 G-M系统特性 1.1.2 静止式可控整流器 图1-3 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统） 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），图中VT是晶闸管可控 整流器，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系统的特点与G-M系统相比较： 晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性
7、上都有很大提 高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。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，不再像直流发电机那样 需要较大功率的放大器。 在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管 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dV/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。 由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及 附近的用电设备，造成“电力公害”。 1.1.3 直流斩波器或脉宽调制变换器
8、 在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市有轨 和无轨电车和地铁电机车等电力牵引设备上，常采 用直流串励或复励电动机，由恒压直流电网供电， 过去用切换电枢回路电阻来控制电机的起动、制动 和调速，在电阻中耗电很大。 a）原理图b）电压波形图 t O u Us Ud T ton 控制电路 M 1. 直流斩波器的基本结构 图1-5 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形 斩波器的基本控制原理 在原理图中，VT 表示电力电子开关器件，VD 表示 续流二极管。当VT 导通时，直流电源电压 Us 加到电 动机上；当VT 关断时，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。如此反复，
9、电枢端电压波形如图1-5b ，好像是电源电压Us在ton 时 间内被接上，又在 T ton 时间内被斩断，故称“斩波 ”。 电动机得到的平均电压平均电压为 输出电压计算 (1-2) 式中 T 晶闸管的开关周期； ton 开通时间； 占空比， = ton / T = ton f ； 其中 f 为开关频率。 为了节能，并实行无触点控制，现在多用电力 电子开关器件，如快速晶闸管、GTO、IGBT等。 采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后 来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路， 脉宽调制变换器（PWM-Pulse Width Modulation）。 斩波电路三种控制方式 根据对输出电压平均
10、值进行调制的方式不同而划分 ，有三种控制方式： T 不变，变 ton 脉冲宽度调制（PWM）； ton不变，变 T 脉冲频率调制（PFM）； ton和 T 都可调，改变占空比混合型。 PWM系统的优点 （1）主电路线路简单，需用的功率器件少； （2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损 耗及发热都较小； （3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达 1:10000左右； （4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动 态响应快，动态抗扰能力强； PWM系统的优点（续） （5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗 小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因 而装置效率较高； （6）直流电源采
11、用不控整流时，电网功率因数 比相控整流器高。 小 结 三种可控直流电源，V-M系统在上世纪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。 返回目录 1.2 晶闸管-电动机系统（V-M系统） 的主要问题 本节讨论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。 在如图可 控整流电路 中，调节触 发装置 G
12、T 输出脉冲的 相位，即可 很方便地改 变可控整流 器 VT 输出 瞬时电压 ud 的波形，以 及输出平均 电压 Ud 的数 值。 1.2.1 触发脉冲相位控制 O O O O O Ud0 Id E 等效电路分析 如果把整流装置 内阻移到装置外边 ，看成是其负载电 路电阻的一部分， 那么，整流电压便 可以用其理想空载 瞬时值 ud0 和平均 值 Ud0 来表示，相 当于用图示的等效 电路代替实际的整 流电路。 图1-7 V-M系统主电路的等效电路图 式中 电动机反电动势； 整流电流瞬时值； 主电路总电感； 主电路等效电阻； 且有 R = Rrec + Ra + RL； E id L R 瞬时电
13、压平衡方程 (1-3) 对ud0进行积分，即得理想空载整流电压平均值 Ud0 。 用触发脉冲的相位角 控制整流电压的平均值 Ud0是晶闸管整流器的特点。 Ud0与触发脉冲相位角 的关系因整流电路的 形式而异，对于一般的全控整流电路，当电流波 形连续时，Ud0 = f () 可用下式表示 1.3 直流脉宽调速系统的主要问题 自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采 用脉冲宽度调制（PWM）的高频开关控制方式形成 的脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流 脉宽调速系统，即直流PWM调速系统。 本段提要 （1）PWM变换器的工作状态和波形； （2）直流PWM调速系统的机械特性； （3）PWM
14、控制与变换器的数学模型； （4）电能回馈与泵升电压的限制。 1.3.1 PWM变换器的工作状态和电压、 电流波形 PWM变换器的作用是：用PWM调制的方法，把恒 定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲 电压系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调 节电机转速。 PWM变换器电路有多种形式，主要分为不可逆与 可逆两大类，下面分别阐述其工作原理。 主电路结构 2 1 图中：Us为直流电源电压，C为滤波 电容器，VT为功率开关器件，VD为 续流二极管，M 为直流电动机，VT 的栅极由脉宽可调的脉冲电压系列 Ug驱动 1. 不可逆PWM变换器 （1）简单的不可逆PWM变换器 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统 主电路原理图如图1-16所示，功率开关器件可 以是任意一种全控型开关器件，这样的电路又 称直流降压斩波器。 工作状态与波形 在一个开关周期内， 当0 t ton时，Ug为 正，VT导通，电源 电压通过VT加到电 动机电枢两端； 当ton t T 时， Ug 为负，VT关断，电 枢失去电源，经VD 续流。 U, i Ud E id Us t tonT 0 图1-16b 电压和电流波形 O 电机两端得到的平均电压为 (1-17) 式中 = ton / T 为 PWM 波形的占空比，
