直流电动机的典型控制系统

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1、1项目6 数控机床的伺服驱动系统项目项目6 6 数控机床的伺服驱动系统数控机床的伺服驱动系统任务任务6.36.3直流电动机的典型控制系统直流电动机的典型控制系统单闭环直流调速系统 双闭环直流调速系统 可逆直流调速系统 6.3.2 晶体管 直流脉宽调速控制 系统l 不可逆PWM和桥式可逆 PWM变换器主电路l PWM控制电路l 转速、电流双闭环直流 脉宽调速系统6.3.1 晶闸管 直流调速控制系统2项目6 数控机床的伺服驱动系统6.3.1 6.3.1 晶闸管直流调速控制系统一、晶闸管 二、晶闸管可控整流电路 三、介绍单闭环直流调速系统 四、介绍双闭环直流调速系统 五、可逆直流调速系统3项目6 数

2、控机床的伺服驱动系统 晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，也称 可控硅（Silicon Controlled Rectifier SCR） 1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了 晶闸管 1957年美国通用电气（GE）公司开发出第一 只晶闸管产品 1958年商业化，开辟了电力电子技术迅速发 展和广泛应用的崭新时代 在电力电子器件中承受的电压和电流容量最 高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地 位。 外形有螺栓型和平板型两种封装螺旋式平板式一、晶闸管一、晶闸管4项目6 数控机床的伺服驱动系统GG 控制极控制极K K 阴极阴极G阳极阳极 A AP1P2N1N2四四 层层 半半 导

3、导 体体晶闸管是具有三个晶闸管是具有三个PNPN 结的四层结构结的四层结构, , 其外形、其外形、 结构及符号如图。结构及符号如图。(b) (b) 结构结构K K GGA A(a) (a) 符号符号三三 个个 PNPN结结晶闸管的结构与符号晶闸管的结构与符号5项目6 数控机床的伺服驱动系统可把晶闸管等效地看成由一个NPN型三极管V1和一个PNP型三 极管V2组合而成。阳极A是V2的发射极，阴极K是V1的发射极 ，V1的基极与V2的集电极相连成为控制极G，而V2的基极与V1 的集电极也连在一起。6项目6 数控机床的伺服驱动系统（1）控制极不加电压时 IG=0，尽管这时晶闸管的阳 极和阴极之间加有

4、正向电 压，由于V1没有基极电流输 入，因此V1和V2中只有很小 的漏电流，晶闸管处于阻 断状态。（2）控制极加正向电压UG，而阳极通过电阻RA也加上正向电压UA，使两个三 极管的发射结均为正向偏置，集电结均为反向偏置，均处于放大状态。此时 IG就是V1的基极电流IB1，经V1放大后，得到V1的集电极电流IC1 ，而IC1又是V2 的基极电流IB2，再经V1放大，得到V2的集电极电流IC2 。IC2又流入V1基极， 再次放大，这样循环下去，反复放大，形成强烈的正反馈，使两个三极管迅 速进入饱和状态，即晶闸管导通。导通后，其压降很小，电压UA几乎全部加 到负载电阻RA上，所以晶闸管导通后的电流大

5、小取决于外电路参数。7项目6 数控机床的伺服驱动系统(3)若控制极不加正向电压，而提高阳极电压，则V1和V2中的正向漏电流增 大，当阳极电压达到某一限度时，正向漏电流增大到能产生正反馈的程度 ，也会导致晶闸管的导通。(4)晶闸管导通后，再把开关S打开，使控制电流IG消失，但由于管子本 身的正反馈自保持作用，晶闸管仍然处于导通状态。因此，控制极的作 用仅是触发晶闸管导通，导通后，控制极就失去了控制作用。若要晶闸 管回到阻断状态，必须使阳极电流减小到不能维持其正反馈的数值，晶 闸管自行关断，此时对应的阳极电流称为维持电流，用IH表示。根据这 个道理，使晶闸管由导通状态回到阻断状态，也可以将阳极与电

6、源断开 或给阳极与阴极之间加一反向电压。8项目6 数控机床的伺服驱动系统晶闸管导通的条件：晶闸管导通的条件：1. 1. 晶闸管阳极电路晶闸管阳极电路( (阳极与阴极之间阳极与阴极之间) )施加正向电压。施加正向电压。2. 2. 晶闸管控制电路晶闸管控制电路( (控制极与阴极之间控制极与阴极之间) )加正向电压或正向加正向电压或正向 脉冲脉冲( (正向触发电压正向触发电压) )。晶闸管导通后，控制极便失去作用。晶闸管导通后，控制极便失去作用。 依靠正反馈，依靠正反馈，晶晶 闸管仍可维持导通状态。闸管仍可维持导通状态。晶闸管关断的条件：晶闸管关断的条件： 1. 1. 必须使可控硅阳极电流减小,直到

7、正反馈效应不能维持。 2. 2. 将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间加反相电压阳极和阴极间加反相电压 。晶闸管的特性小结晶闸管的特性小结9项目6 数控机床的伺服驱动系统 将交流电转换成直流电的变换称为整流。所谓可 控整流是指整流输出的直流电压是可控制的。 将直流电转换成交流电，这种对应于整流的逆向 过程称为逆变。 由此产生整流器、逆变器以及既能实现整流又能 实现逆变的变换器。二、晶闸管可控整流电路晶闸管可控整流电路10项目6 数控机床的伺服驱动系统（1）单相半波可控整流电路（阻性负载 ）u2为变压器二次侧电压。 ug为触发脉冲。 ud为输出给负载的电压，由于是阻 性负载，电流与电压波形一

8、致。 uVT为晶闸管两端电压。从晶闸管承受正压起到触发导通之间 的电角度称为触发角a 而晶闸管在一个周期内导通的电角度 称为导通角。 改变a的大小，即改变触发脉冲到来 时刻称为移相。11项目6 数控机床的伺服驱动系统u经过零值变负之后，由于电感反电动势由于电感反电动势eL的存在，的存在，只要eL u， 晶闸管继续承受正向电压，电流仍将继续流通；从eL等于u2开 始，晶闸管才开始关断，晶闸管关断后电压电流变为0。（2）单相半波可控整流电路（感性负载和续流二极管续流二极管）思考：电流能突变吗？由于电感元件上产生阻碍电流变化的由于电感元件上产生阻碍电流变化的 感应电动势感应电动势( (极性如图极性如

9、图) )，电流不能跃，电流不能跃 变，将由零逐渐上升。变，将由零逐渐上升。12项目6 数控机床的伺服驱动系统可见，在单相可控半波整流电路接电感性负载时，晶闸管的导通角将增大 。负载电感愈大，导通角愈大，在一个周期中负载上负电压所占比重就愈 大，整流输出电压平均值就愈小。为了使晶闸管在电源电压降到零值时能 及时关断，使负载上不出现负电压，必须采取相应措施。解决的方法是在电感性负载两端并联一个 二极管。当交流电压u过零值变负后，二 极管因承受正向电压而导通，于是负载上 由感应电动势eL产生的电流经过这个二极 管形成回路。因此这个二极管称为续流二 极管。这时负载两端电压近似为零，晶闸 管因承受反向电

10、压而关断。负载电阻上消 耗的能量是电感元件释放的能量。思考提问：带续流二极管的 输出电压、电流波形？13项目6 数控机床的伺服驱动系统当电感足够大时， 电流始终连续，甚 至接近直线。14项目6 数控机床的伺服驱动系统（3）单相桥式全控整流电路（阻性负载 ） 单相桥式整流电路与单相半波整流电路相比，桥式整流 把电源电压的负半波也利用起来了，使输出电压在一个 电源周期中由原来的只有一个脉波变成了有二个脉波， 改善了波形，提高了输出。思考提问：单相桥式整流电路的输出电压、电流波形？15项目6 数控机床的伺服驱动系统16项目6 数控机床的伺服驱动系统（4）单相桥式全控整流电路（感性负载和续流二极管续流

11、二极管 ） 当电感足够大时， 电流接近直线。17项目6 数控机床的伺服驱动系统18项目6 数控机床的伺服驱动系统（5）三相半波可控整流电路（阻性负载） 三个晶闸管的导通顺序:19项目6 数控机床的伺服驱动系统a=00（换相点为自然换相点 ） 20项目6 数控机床的伺服驱动系统a=300 a=600 电流波形io与电压波形一致。 21项目6 数控机床的伺服驱动系统（6）三相半波可控整流电路（感性负载 ） a=600 感性负载的三相半波可控整流电 路:0300时输出出现负电压a=900时正负电压面积相等900900时出现什么情况?只要电感比较大，电流波形为直 线，波动非常小。a=300 25项目6

12、 数控机床的伺服驱动系统l值得注意的是，为了使整流输出电压不出现负值 情况，可以反并接续流二极管。为了使输出电流 比较平直，可以串接大电感，改善机械特性。26项目6 数控机床的伺服驱动系统1、 转速负反馈单闭环有静差调速系统+-放 大 器MTG+-+-+-UtgUdIdn+- +UUg+-MTGUfUku整 流 器触 发 器测速发电机电动机负反馈 电压给定电压偏差 电压控 制 角控 制 电 压输出 电压转速三、 单闭环直流调速系统系统中采用比例调节器。（1）系统组成27项目6 数控机床的伺服驱动系统与电动机同轴安装一台测速发电机 TG ，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Uf ，与给定电压

13、 Ug 相比较后，得到转速偏差电压 U ，经过放大器 ，产生控制电压Uk，通过触发器，改变控制角，使整流器的输出电压Ud改变，则输给直流电动机的电枢电压改变从而控制电动机的转速n。（2）调节原理28项目6 数控机床的伺服驱动系统单闭环无静差调速系统中采用比例积分（PI）调节器，比例部分迅速反映调节作用，动态响应快，积分部分最终消除静态偏差。因此较好地解决了系统静态与动态的矛盾，获得广泛应用。对于反馈检测元件和给定电源误差的消除，闭环系统是无能为力的，故高精度的自动调速系统必须有高精度的检测元件和给定电源作保证。单闭环调速系统解决不了系统工作时冲击电流大的问题，所以，还要加电流截止负反馈环节来限

14、制过大的电流。 2、单闭环无静差调速系统 29项目6 数控机床的伺服驱动系统四、双闭环直流调速系统 是一个具有电流调节器为内环和转速调节器为外环的串级调速系统。两个调节器都采用比例积分调节器，它具有良好的静态、动态特性。30项目6 数控机床的伺服驱动系统五、可逆直流调速系统逆变是指将直流电变为交流电,是整流的逆过程。 有源逆变指交流侧连电网，实现能量回馈。 无源逆变指交流侧连负载，能量在负载上消耗，相当于能耗制动 。 晶闸管电路在一定条件下，既可作整流又可做逆变，这时的晶闸 管电路称变流器。两个电源间能量的传送 (a) 发极性连接E1E2; (b) 反极性连接E2E1； (c) 顺极性连接 3

15、1项目6 数控机床的伺服驱动系统图(a、b)表示直流电源E1和E2反极性相连。回路中的电流为 电源E1、E2之间有能量传递，有部分电能消耗在R上。图(c)表示直流电源E1和E2顺极性相连。回路中的电流为 顺极性相连时，输出的电能全部消耗在电阻R上。 如果电阻值很小，则电路中的电流必然很大；若R=0，则 形成两个电源短路的情况，一般不允许顺极性相连！ 32项目6 数控机床的伺服驱动系统l 实现电动机正反转时，正、反组变流器交替工作，但不能同时工作（否则相当于两电源顺极性连接），这种控制称为逻辑无环流控制。 两组变流器的反并联可逆线路33项目6 数控机床的伺服驱动系统电动机不转：正反组变流器都封锁

16、即正=反=900，; 电动机正转：将正组变流器的触发角移相使正900反 组变流器处于逆变状态，电动机正转惯性能量回馈电网； 停止到反转：正组变流器仍封锁，反组变流器的触发角移相使反 0，电机正转；Uc=0，电机停止；Uc0，电机反转；调节Uc大小，则调节了脉冲的占空比，也就调 节了输出电压，进而调节了输出转速。47项目6 数控机床的伺服驱动系统-+-脉宽 调制速度 调节器电流 调节器PWM基极转速负反馈三角波发生器电流负反馈IfUfUC四、转速、电流双闭环直流脉宽调速系统MTAT GUnIn+UI48项目6 数控机床的伺服驱动系统1、抗负载扰动负载增大时，电动机转速降低，速度反馈电压Uf减小，则U一定 增大，经速度调节器输出，电流指令In也增大，在负载增加的瞬间，电 流检测反馈，来不及改变，则I增大，经电流调节器输出的调制电压 Uc增大，占空比增大，输出电枢电压的平均值增大，电枢电流也增大， 电动