第4章直流电动机调速控制系统ppt课件.ppt

直流电动机调速控制系统,伺 服 系 统,第 4 章,内容提要,第一节 直流电动机概述第二节 直流电动机的单闭环调速系统第三节 双闭环直流电动机调速系统第四节 直流脉宽调速控制系统 第五节 转速、电流双闭环调速系统的工 程设计法 第六节 伺服控制系统的计算机辅助设计,第 4 章,第一节 直流电动机概述,第一节直流电动机概述,一、直流伺服电动机的基本结构直流伺服电动机具有良好的启动、制动和调速特性，可很方便地在宽范围内实现平滑无级调速，故多采用在对伺服电动机的调速性能要求较高的生产设备中。如图4-1所示，直流伺服电动机的结构主要包括三大部分：,第一节直流电动机概述,(一)定子 定子磁极磁场由定子的磁极产生。根据产生磁场的方式，可分为永磁式和他激式。永磁式磁极由永磁材料制成，他激式磁极由冲压硅钢片叠压而成，外绕线圈，通以直流电流便产生恒定磁场。(二)转子 又叫电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，通以直流电时，在定子磁场作用下产生带动负载旋转的电磁转矩。,第一节直流电动机概述,(三)电刷与换向片 为使所产生的电磁转矩保持方向不变，转子能沿固定方向均匀地连续旋转，电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接。,直流电动机,电励磁直流伺服电机,直流电机电枢绕组基本形式单叠绕组,第一节直流电动机概述,二、永磁直流伺服电动机及工作原理 在伺服系统中使用的直流伺服电动机，按转速的高低可分为两类：高速直流伺服电动机和低速大扭矩宽调速电动机。目前在数控机床进给驱动中采用的直流电动机主要是70年代研制成功的大惯量宽调速直流伺服电动机。这种电动机分为电励磁和永久磁铁励磁两种，但占主导地位的是永久磁铁励磁式(永磁式)电动机。图4-2是其基本原理的示意图（请同学们朗读原理）。,第一节直流电动机概述,图4-2 直流伺服电动机工作原理示意图,第一节直流电动机概述,(一)电动机转矩平衡方程式一般，电磁转矩Te按下式计算：Te=KmIa(4-1)对于永磁直流伺服电动机，Km和都是常数，所以上式又可写成：Te=CmIa(4-2)当电动机带着负载匀速旋转时，它的输出转矩必与负载转矩相等。但是，电动机本身具有机械摩擦(例如轴承的摩擦，电刷和换向器的摩擦等)和电枢铁芯中的涡流、磁滞损耗都要引起阻转矩，此阻转矩用T0表示。,第一节直流电动机概述,这样，电动机的输出转矩Tr就等于电磁转矩Te减去电动机本身的阻转矩T0，所以当电动机克服负载转矩T匀速旋转时，即有：Tr=Te-T0=TL(4-3)上式就是电磁转矩平衡方程式。一般情况下，TLT0，认为Te=TL（匀速时）,第一节直流电动机概述,在实际中，有些电动机经常运行在转速变化的情况下，例如起动、停转或反转，因此也必须考虑转速改变时的转矩平衡关系。电动机带动工作机械的机电伺服系统如图4-3所示，构成了机电伺服系统。根据动力学得电动机轴上的运动(转矩)平衡方程式为:Te-TL=J(4-4),第一节直流电动机概述,在实际工程计算中，经常用转速n代替角速度，n=60/2；用一个假想飞轮力矩(也称飞轮转矩)GD2代替转动惯量J（系统等效转动惯量）。GD2和J两者的关系为：J=将这些变换都代入式(4-1-6)中，可得:Te-TL=,Te-TL为动转矩。等于零时？大于零时？小于零时？,第一节直流电动机概述,(二)电动机的电压平衡方程式根据直流电动机的负载情况和转矩平衡方程式，可以确定电动机的电磁转矩的大小，但这时还不能确定电动机的转速。还需要进一步从电动机内部的电磁规律以及电动机与外部的联系去寻找。电流通过电枢绕组产生电磁力及电磁转矩，这仅仅是电磁现象的一个方面；另一方面，当电枢在电磁转矩的作用下一旦转动后，电枢导体还要切割磁力线，产生感应电动势。根据法拉第电磁感应定律可知：感应电动势的方向与电流方向相反，它有阻止电流流入电枢绕组的作用，因此电动机的感应电动势是一种反电动势。,第一节直流电动机概述,反电动势E的计算公式是：E=K n 对于永磁式直流电动机，Ke和都是常数，上式可写成：E=Cen 电动机各个电量的方向，如图4-4所示。,第一节直流电动机概述,图4-4 直流电动机各个电量的方向,第一节直流电动机概述,外加电压为U时有：U=E+IRa 式中，Ra电枢电阻。上式就是直流电动机的电压平衡方程式。它表明了外加电压与反电动势及电枢内阻压降平衡。或者说，外加电压一部分用来抵消反电动势，一部分消耗在电枢电阻上。,第一节直流电动机概述,(三)电动机转速与转矩的关系如果把 E=Cen代入式(4-8)，便可得出电枢电流Ia的表达式：Ia=由上式可见，直流电动机和一般的直流电路不一样，它的电流不仅取决于外加电压和自身电阻，并且还取决于与转速成正比的反电动势(当 为常数)。将式(4-1)代入(4-9)式，可得：n=-Te(4-10),第一节直流电动机概述,式(4-10)称为电动机的固有机械特性，它描述了电动机的转速与转矩之间的关系。图4-5是机械特性曲线族。在这一曲线族中，不同的电枢电压对应于不同的曲线，各曲线是彼此平行的。n0(即)称为“理想空载转速”而 n(即 Te 称为转速降落。,第一节直流电动机概述,直流电动机机械特性曲线簇,第 4 章,第二节 直流电动机的单闭环调速系统,第二节直流电动机的单闭环调速系统,一、调速的定义直流伺服电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广范围内平滑调速，由晶闸管-直流电动机（V-M）组成的直流伺服调速系统是较早普遍应用的一种自动控制系统。它在理论和实践上都比较成熟，而且从闭环控制理论的角度，它又是交流调速系统的基础。所谓调速，是指在某一具体负载情况下，通过改变电动机或电源参数的方法，使机械特性曲线得以改变，从而使电动机转速发生变化或保持不变。即调速包含两方面：其一、在一定范围内“变速”。如图4-6所示。,第二节直流电动机的单闭环调速系统,图4-6 调速与n=f(T)的关系,第二节直流电动机的单闭环调速系统,当电动机负载不变时，转速可由na变到nb或nc。其二保持“稳速”，在某一速度下运行的生产机械受到外界干扰（如负载增加），为了保证电动机工作速度不受干扰的影响而下降，需要进行调速，使速度接近或等于原来的转速，如图4-6中nd即为负载由T1增加至T2后的速度，与na基本一致。,第二节直流电动机的单闭环调速系统,二、直流伺服电动机的调速方法直流电动机转速表达式如式4-10所示，由式可知，直流伺服电动机有二种调速方法：调节电枢电压Ud 及改变电枢附加电阻R。两种调速方法的机械特性如图4-7所示。,图4-7 直流伺服电动机人为机械特性曲线,Rad为串接的电阻,第二节直流电动机的单闭环调速系统,改变电枢电压Ud所得的机械特性是一组平行变化的曲线图4-7a，采用此种方法，一般在额定转速以下调速，最低转速取决于电机低速时的稳定性。具有调速范围宽，机械特性硬，动态性能好的特点。在连续改变电枢电压时，能实现无级平滑调速，是目前主要调速方法之一。改变电枢电阻即在电枢回路串接不同附加电阻，以调节转速。观察图4-7b发现，外接电阻越大，电阻功耗越大，特性越软，稳定性越差，是有级调速。此法在实际中已很少应用。,第二节直流电动机的单闭环调速系统,三、调速指标不同的生产机械，其工艺要求电气控制系统具有不同的调速性能指标，概括为静态和动态调速指标。(一)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nmax与最低转速nmin之比称为调速范围，用D表示，即,第二节直流电动机的单闭环调速系统,（4-11）注意：对非弱磁的调速系统，电动机的最高转速nmax即为额定负载时的转速nnom。注：转速过低，电机运动不平稳。,第二节直流电动机的单闭环调速系统,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，对应的额定转差 与理想空载转速n0之比，用百分数表示为：（4-12）静差率反映了电动机转速受负载变化的影响程度，它与机械特性有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定性越好。但并非机械特性一致，静差率相同，还与理想空载转速有关。图4-8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。,第二节直流电动机的单闭环调速系统,图4-8 不同转速下的静差率,第二节直流电动机的单闭环调速系统,3调速范围与静差率的关系在调压调速系统中，以额定转速为最高转速，转差率为最低转速时的转差率，则最低转速：则调速范围与静差率满足下列关系式：,第二节直流电动机的单闭环调速系统,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。(二)动态调速指标动态调速性能指标包括跟随性能指标和抗干扰性能指标两类。1跟随性能指标在给定信号（或称参考输入信号）的作用下，系统输出量 的变化情况可用跟随性能指标来描述。当给定信号变化方式不同时，输出响应也不一样。通常以输出量的初始值为零、给定信号阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过程，这时的动态响应又称阶跃响应。,第二节直流电动机的单闭环调速系统,一般希望在阶跃响应中输出量 与其稳态值 的偏差越小越好，达到 的时间越快越好。具体的跟随性能指标有下列各项：(1)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，见图4-9。在调速系统中采用这个定义就可以了，在一般控制系统中还有更为严格的定义。,第二节直流电动机的单闭环调速系统,(2)超调量 在典型的阶跃响应跟随过程中，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：(4-14)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。,图4-9 典型阶跃响应曲线 和跟随性能指标,第二节直流电动机的单闭环调速系统,(3)调节时间ts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。原则上它应该是从给定量阶跃变化起到输出量完全稳定下来为止的时间。对于线性控制系统来说，理论上要到 才真正稳定，但是实际系统由于存在非线性等因素并不是这样。因此，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，见图4-9。,第二节直流电动机的单闭环调速系统,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F后的动态过程作为典型的抗扰过程，并由此定义抗扰性能指标，见图4-10。(1)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。,第二节直流电动机的单闭环调速系统,图4-10 突加负载时的动态过程 和抗扰性能指标,第二节直流电动机的单闭环调速系统,(2)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。(3)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。,第二节直流电动机的单闭环调速系统,四、单闭环直流调速系统直流伺服电动机由于调速性能好，起动、制动和过载转矩大，便于控制等特点，是许多大容量高性能要求的生产机械的理想的电动机。尽管近年来，交流电动机的控制系统不断普及，但直流电动机仍然在一定场合得到广泛应用。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4-11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，但这样的开环调速系统调速范围不大，系统动态、静态性能较差。,第二节直流电动机的单闭环调速系统,图4-11 开环调速系统,单相半波可控整流电路及波形,带电阻负载的工作情况,w,w,w,w,t,T,VT,R,0,a),u,1,u,2,u,VT,u,d,i,d,w,t,1,p,2,p,t,t,t,u,2,u,g,u,d,u,VT,a,q,0,b),c),d),e),0,0,单相半波可控整流电路,触发延迟角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度,用a表示,也称触发角或控制角。导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用表示。=-,直流输出电压平均值为：,VT的a 移相范围为180,单相桥式全控整流电路,带电阻负载的工作情况,a),u,(,i,),p,w,t,w,t,w,t,0,0,0,i,2,u,d,i,d,b),c),d),d,d,a,a,u,VT,1,4,单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形,工作原理及波形分析0：得到触发脉冲即导通，路径。讨论此时的管压降当u2过零时VT1和VT4关断。VT2和VT3开始承受正压VT2和VT3得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。,电路结构：两对桥臂,第二节直流电动机的单闭环调速系统,开环系统不满足静态指标，原因是静态速降太大，根据反馈控制原理，要稳定哪个参数，就对那个参数实行负反馈，构成闭环系统。目前为了稳定转速，引入转速负反馈，构成转速闭环系统。(一)单闭环有静差调速系统1.系统的组成及原理根据自动控制原理，为满足调速系统的性能指标，在开环系统的基础上，引入反馈构成单闭环有静差调速系统，采用不同物理量的反馈便形成不同的单闭环系统，在此我们以引入速度负反馈为例，构成转速负反馈直流调速系统。,第二节直流电动机的单闭环调速系统,在电动机轴上安装一台测速发电机，引出与转速成正比的电压信号，以此作为反馈信号与给定电压信号 比较，所得差值电压，经放大器产生控制电压，用以控制电动机转速，从而构成了转速负反馈调速系统，其控制原理图如图4-12所示。给定电位器RP1一般由稳压电源供电，以保证转速给定信号的精度。RP2为调速反馈系数而设置，测速发电机输出电压Utg与电动机M的转速成正比，即，Cn 为直流永磁式发电机的电势常数。，Kf为电位器的RP2分压系数，称为转速反馈系数。Ufn与Un极性相反，以满足负反馈关系。,第二节直流电动机的单闭环调速系统,图4-12 转速负反馈调速系统,第二节直流电动机的单闭环调速系统,2.转速负反馈调速系统的稳态方程式和稳态结构图（如图4-13）为分析系统的静特性，突出主要矛盾，作如下假定，(1)各典型环节输入输出呈线性关系；(2)系统在电流连续段工作；(3)忽略直流电源和电位器内阻。由此系统各环节输入输出量的静态关系如下：,第二节直流电动机的单闭环调速系统,电压比较环节：比例放大器：晶闸管整流与触发装置：转速检测环节：VM系统开环机械特性：,第二节直流电动机的单闭环调速系统,由图利用叠加原理，将给定电压Un和扰动作用-IdR分别单独作用时的响应进行叠加，可得系统的静特性方程。式中 称闭环系统的开环放大系数。,第二节直流电动机的单闭环调速系统,开环系统机械特性与闭环系统静特性比较断开测速反馈回路，可得上述系统开环机械特性方程：而闭环静特性：,第二节直流电动机的单闭环调速系统,3.系统的反馈控制规律转速单闭环调速系统是一种最基本的反馈控制系统，它具有反馈控制的基本规律，具体特征如下：(1)有静差系统就是使用比例调节器的闭环控制系统是有静差的控制系统。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：,第二节直流电动机的单闭环调速系统,当开环放大倍数K越大，越小，静特性越硬，但采用比例调节器闭环系统K总是有限值，则静态速降不可能为零。同时，具有比例调节器的闭环系统，主要依靠偏差电压 来调节输出电压。若=0，则控制电压，整流输出电压=0，电机也就停止转动，所以 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，它是和反馈电压 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。,第二节直流电动机的单闭环调速系统,(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。实际上除了负载（一种扰动）之外还有许多因素会引起转速的变化，包括交流电源电压波动，励磁电流变化，调节器放大倍数的漂移，周围环境温度变化引起电阻数值的变化等等。所有这些扰动对转速的影响，都会被测速装置检测出来，再通过反馈控制作用，减小它们对稳态转速的影响。图4-14标出了各种扰动因素对系统的作用。扰动输入的作用点不同，它对系统的影响程度也不同，而转速负反馈能抑制或减小被包围在反馈环内作用在控制系统主通道上的扰动，这是开环系统无法完成的，也是闭环系统最突出的特征。,第二节直流电动机的单闭环调速系统,图4-13 系统静态结构图 图4-14自动调速系统的给定和扰动作用,第二节直流电动机的单闭环调速系统,现以交流电源电压波动为例，定性说明闭环系统对扰动作用的抑制过程：当交流电源电压降低，整个调节过程转速回升接近原来值，但由于是有静差调速系统，转速不可能恢复原稳态转速。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。,第二节直流电动机的单闭环调速系统,由此可见，转速闭环系统，只能抑制被反馈环包围的加在系统前向通道上的扰动作用，而对诸如给定电源，检测元件或这些装置中的扰动无能为力。所以对测速电机选择及安装必须特别注意，确保反馈检测元件的精度是对闭环系统的稳速精度至关重要的，是决定性的作用。,第二节直流电动机的单闭环调速系统,4.单闭环调速系统的动态特性在单闭环有静态差调速系统中，引入转速负反馈且有了足够大放大系数K后，就可以满足系统的稳态性能要求。由自动控制理论可知，系统开环放大系数太大时，可能会引起闭环系统的不稳定，须采取校正措施才能使系统正常工作。另外，系统还必须满足各种动态性能指标。为此，必须进一步分析系统的动态特性。,第二节直流电动机的单闭环调速系统,(1)转速闭环调速系统的动态数学模型建立转速闭环调速系统的数学模型，跟据系统中各环节的物理规律，列写描述每环节动态过程的微分方程，求出各环节的传递函数，组成系统的动态结构图，进而可得系统的传递函数。1)直流电动机传递函数直流电动机回路的等效电路如图4-15所示，在额定磁通，且电枢电流连续的条件下，电动机电枢回路电压平衡方程式为：,第二节直流电动机的单闭环调速系统,图4-15 直流电动机回路的等效电路,第二节直流电动机的单闭环调速系统,将上式两边取拉氏变换，整理得到整流电压与电枢电流之间的传递函数：,第二节直流电动机的单闭环调速系统,忽略粘性摩擦，电动机转矩与转速之间的转矩平衡方程式：由上式可得感应电势与电流间的传递函数：直流伺服电动机在额定励磁下的动态结构图。如图（4-16）所示。,第二节直流电动机的单闭环调速系统,图4-16 直流伺服电动机动态结构图,第二节直流电动机的单闭环调速系统,2)晶闸管触发器和整流器的传递函数 全控型整流器在稳态下，触发器控制电压Uct与整流输出电压关系为：由上式可知，触发器与整流器输入输出关系是非线性余弦关系。由于一般控制角在范围内非线性偏差不大，在工程上常常用线性环节来近似处理，即触发与整流环节放大倍数。,第二节直流电动机的单闭环调速系统,触发与整流环节可看成是一个具有纯滞后的放大环节，其滞后作用是晶闸管装置的失控时间引起的。失控时间是指当某一相晶闸管触发导通后，至下一相晶闸管触发导通之前的一段时间，也称滞后时间，用Ts表示。在此期间，如果改变控制电压Uct，整流整流电压瞬时波形和角的对应关系不能立即跟随Uct变化，形成整流电压滞后于控制电压的状况。这种滞后引起的称作“失控”现象。晶闸管整流装置的传递函数为：,第二节直流电动机的单闭环调速系统,晶闸管触发和整流装置的传递函数可近似成一阶惯性环节:其动态结构图如图4-17。,第二节直流电动机的单闭环调速系统,3)放大器及转速反馈环节放大器为比例调节器，输入信号：输出信号：测速发电机反馈信号：则该环节传递函数为：其动态结构如图4-18。,第二节直流电动机的单闭环调速系统,(2)单闭环调速系统的动态结构图和传递函数知道了各环节的传递函数后，按它们在系统中输入，输出的相互关系，可画出图4-19所示的单闭环调速系统的动态结构图。图4-19 单闭环转速反馈系统动态结构图,第二节直流电动机的单闭环调速系统,把直流电动机等效成一个环节，其输入与输出关系：图4-19简化成图4-20可得到单闭环系统就是一个三阶线性系统，其开环传递函数为：则闭环系统输出量对给定量的闭环传递函数：,第二节直流电动机的单闭环调速系统,(4-27),第二节直流电动机的单闭环调速系统,(3)转速负反馈单闭环系统的稳定性分析由上式(4-27)得单闭环调速系统的特征方程:根据三阶系统的劳斯稳定判据，系统稳定的充分必要条件为：即：(4-29),第二节直流电动机的单闭环调速系统,由上式表明，当系统参数 已定的情况下，为保证系统稳定，其开环放大系数K值不能太大，必须满足式（4-29）的稳定条件。在前面的稳态分中知，为提高静特性硬度，希望系统的开环放大倍数K大些，但K大到一定值时会引起系统的不稳定。因此由系统稳态误差要求所计算的K值还比须按系统稳定性条件进行校核。必须兼顾静态和动态两种特性。,第二节直流电动机的单闭环调速系统,(二)单闭环无静差调速系统在单闭环有静差调速系统中，由于采用比例调节器，稳态时转速只能接近给定值，而不可能完全等于给定值。提高增益只能减小静差而不能消除静差。为了完全消除静差，实现转速无静差调节，根据自动控制理论，可以在调速系统中引入积分控制规律，用积分调节器或比例积分调节器代替比例调节器，利用积分控制不仅靠偏差本身，还能靠偏差的积累产生控制电压Uct，实现静态的无偏差。,第二节直流电动机的单闭环调速系统,1.积分、比例积分控制规律(1).积分调节器及积分控制规律积分调节器电路如图4-21所示。其输入输出关系如图4-22所示。其关系式如下：积分环节的阶跃响应是随时间线性增长的直线，但输出量受输出限幅电路限制。,第二节直流电动机的单闭环调速系统,图4-21 积分调节器原理图 图4-22积分调节器输入-输出关系,第二节直流电动机的单闭环调速系统,(2).比例积分调节器及控制规律比例积分电路原理图如图4-23所示，其输入输出关系如图4-24所示，比例积分调节器的传递函数为：,第二节直流电动机的单闭环调速系统,图4-23 比例积分调节器原理图 图4-24 比例积分调节器 输入输出关系,第二节直流电动机的单闭环调速系统,2.电流截止负反馈环节很多生产设备需要直接加阶跃给定信号，以实现快速起动目的。由于系统的机械惯性较大，电动机转速不能立即建立起来，尤其起动初期转速反馈信号 Ufn=0，加在比例调节器输入端的转速偏差信号 是稳态时的(1+K)倍，造成整流电压Ud0达满压起动，直流电动机的起动电流高达额定电流的几十倍，过电流保护继电器会使系统跳闸，电动机无法起动。此外，当电流和电流上升率过大，对直流电动机换向及晶闸管元件的安全是不允许的。因此引入电流自动控制，限制起动电流，使其不超出电动机过载能力的允许限度。,第二节直流电动机的单闭环调速系统,要限制电流，则在系统中引入电流负反馈。但由于电流负反馈在限流的同时，会使系统的特性变软。为解决限流保护与静特性变软之间出现矛盾，系统可采用电流负反馈截止环节，需增设两个环节：其一为反映电枢电流的检测环节（直流电流互感器），构成电流反馈闭环；其二反映电流允许值的门坎电平检测环节（稳压管），使电流反馈信号Ufi与Uw进行比较，构成电流反馈截止环节。,第二节直流电动机的单闭环调速系统,图4-26 带电流截止负反馈的无静差调速系统原理图,第二节直流电动机的单闭环调速系统,系统中的电流检测反馈信号，为检测环节的比例系数；允许电枢电流截止反馈的门坎值。当(即 时，电流反馈被截止，不起作用，此时系统仅存在转速负反馈。当负载电流增大使（即），稳压管被反向击穿，允许电流反馈信号通过，转速反馈信号与电流反馈同时起作用，使调节器输出 下降，迫使 迅速减小，限制了电枢电流随负载增大而增加的速度，有效抑制了电枢电流增加。,第 4 章,第三节 双闭环直流电动机调速系统,第三节双闭环直流电动机调速系统,为了使系统在起制动的动态过程中，在最大电流约束条件下，获得直流电动机最佳速度调节过程，根据自控原理的提示，对那些希望获得最佳控制的物理量也实行负反馈控制。本章节介绍双闭环调速系统及设计方法。由于工程实际许多问题要求直流电动机工作在可逆运行状态，本节简单介绍直流可逆调速系统。,第三节双闭环直流电动机调速系统,一、转速、电流双闭环调速系统的组成已知，采用PI调节器的单闭环直流调速系统，既保证了动态稳定性又实现了无静差，解决了动、静态之间的矛盾。然而仅靠电流截止环来限制起动和升速时的冲击电流，性能不令人满意，为充分利用电机的过载能力，加快起动过程，专门设置一个电流调节器，构成电流，转速双闭环调速系统，实现在最大电枢电流约束下的转速过渡过程最快的“最优”控制。在双闭环调速系统中，若将转速反馈和电流反馈信号同时引入一个调节器的输入端，则两种反馈量会互相牵制，不可能获得理想效果。,第三节双闭环直流电动机调速系统,因此在系统中设置了两个调节器，分别控制转速和电流，并且将两个调节器实行串级连接。转速负反馈的闭环在外面称外环，电流负反馈的闭环在里面，称内环。其原理图如图4-27所示。图中，ASR为速度调节器，ACR为电流调节器，两调节器作用互相配合，相辅相成。为了使转速，电流双闭环调速系统具有良好的静、动态性能。电流、转速两个调节器一般采用PI调节器，且均采用负反馈。考虑触发装置的控制电压为正电压，运算放大器又具有倒向作用。图中标出了相应信号的实际极性。,第三节双闭环直流电动机调速系统,图4-27 双闭环调速系统原理图,第三节双闭环直流电动机调速系统,二、转速、电流双闭环调速系统的工作原理(一)双闭环调速系统静态特性双闭环系统采用PI调节器，则其稳态时输入偏差信号一定为零，即给定信号与反馈信号的差值为零，属无静差调节。1电流调节环电流环的给定信号是速度调节器的输出信号 Ui，电流环的反馈信号采自交流电流互感器及整流电路或霍尔电流传感器，其值，为电流反馈系数，则：,第三节双闭环直流电动机调速系统,在 一定的条件下，在电流调节器的作用下，输出电流保持为 值，而由电网电压波动引起电流波动将被有效抑制。此外，由于限幅的作用，速度调节器的最大输出只能是限幅值，调整反馈环节的反馈系数，可使电动机的最大电流对应的反馈信号等于输入限幅值，即:,第三节双闭环直流电动机调速系统,取值应考虑电动机允许过载能力和系统允许最大加速度，一般为额定电流的（1.52）倍。2速度调节环速度环给定信号，反馈信号则稳态时，即：,第三节双闭环直流电动机调速系统,ASR调节器的给定输入由稳压电源提供，其幅值不可能太大，一般在十几伏以下，当给定为最大值时，电动机应达到最高转速，一般为电动机的额定转速。ACR调节器输出为触发装置的控制电压,第三节双闭环直流电动机调速系统,当 为定值时，由ASR调节器可使电动机转速恒定，克服负载扰动的影响，其调节过程如下：双闭环系统的正常工作段静特性如图4-28中的段。,第三节双闭环直流电动机调速系统,图4-28 双闭环系统工作静特性 图4-29 双闭环系统稳态结构图,第三节双闭环直流电动机调速系统,3.双闭环系统起动过程分析双闭环调速系统突加给定电压 后，其转速和电流在起动过程中的波形如图4-30如示，其中 I、II阶段速度调节器饱和，第III阶段速度调节器退出饱和发挥线性调节作用。,第三节双闭环直流电动机调速系统,图4-30 双闭环调速系统起动过程转速和电流波形,第三节双闭环直流电动机调速系统,综上所述，双闭环系统起动过程的特点：(1)转速环出现饱和开环和退饱和闭环两种状态。转速开环时，系统为恒值电流调节单环系统。转速闭环时，系统为无静差调速系统，电流内环为电流随动系统。(2)转速环从开环到闭环发挥调节作用，其转速一定出现超调，只有靠超调才能使ASR退饱和，才能进行线性调节。(3)恒电流转速上升阶段，取 为，充分发挥了电动机的过载能力，实现了电流受限制条件下的最短时间控制即“时间最优控制”。,第三节双闭环直流电动机调速系统,4.双闭环调速系统的动态抗扰动性能在前一章中，我们已经了解，单闭环调节系统对于被包在反馈环内的一切扰动量都有抑制作用。这些扰动量最终要反映到被调量，由测出被调量的偏差而进行调节，根据系统的静态特性，扰动才会被抑制。但从系统的动态特性上看，对于作用点离被调量较远的扰动量，还存在不能及时调节的问题。,第三节双闭环直流电动机调速系统,单闭环调速系统的动态抗扰图4-31，由于电网电压波动所引起的扰动作用，先要经受电磁惯性的阻挠才能影响电枢电流，再经过机电惯性的滞后才能反映到转速上来，等到转速反馈产生调节作用，时间已经比较晚。在双闭环调速系统中，由于电网电压扰动被包围在电流环之内（见图4-32），当电压波动时，可以通过电流反馈得到及时调节，不必等到影响到转速后才在系统中有所反应。因此，在双闭环调速系统中，由电网电压波动引起的动态速降会比单闭环系统中小得多。,第三节双闭环直流电动机调速系统,至于负载变化引起的扰动，从图（4-32）可见负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器来产生抗扰动作用。因此，在突加（减）负载时，必然会引起动态速降（升）。为了减小动态速降（升），必须在设计转速调节器ASR时，要求系统具有良好的抗扰动指标。双闭环系统突加负载时的动态过程如图4-33所示，调节过程为：,第三节双闭环直流电动机调速系统,图4-31 单闭环调速系统动态抗扰图 图4-32双闭环调速系统动态结构图,第三节双闭环直流电动机调速系统,图4-33 双闭环系统突加负载扰动时动态过程,第三节双闭环直流电动机调速系统,对于双闭环系统，扰动对系统的影响与扰动的作用点有关，扰动作用于内环的主通道中，将不会明显地影响转速。如电网电压扰动；扰动作用于外环主通道中，则必须通过转速调节器调节才能克服扰动引起的影响，如负载扰动；扰动如果作用于反馈通道中，如测速发电机励磁电流变化引起的扰动，调节系统（包括单闭环）是无法克服它引起的偏差的。,第三节双闭环直流电动机调速系统,5.双闭环调速系统中两个调节器的作用(1)转速调节器的作用1)使转速n跟随给定电压Un变化，实现转速无静差调节；2)对负载变化起抗扰作用；3)其饱和输出限幅值作为系统允许最大电流的给定，起饱和非线性控制作用，以实现系统在最大电流约束下起动过程。,第三节双闭环直流电动机调速系统,(2)电流调节器的作用1)起动时，实现最大允许电流条件下的恒流升 速调节-时间最优；2)在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压 Un变化；3)对电网电压波动及时起抗扰动作用4)当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的 最大值，从而起到快速的安全保护作用。如 果故障消失，系统能自动恢复正常。,第 4 章,第四节 直流脉宽调速控制系统,第四节直流脉宽调速控制系统,一、概 述晶闸管变流器构成的直流传动，由于其线路简单、控制灵活、体积小、效率高以及没有旋转噪声和摩损等优点，在一般工业应用中，特别是大功率系统中一直占据着主要的地位。当系统运行在较低速时，晶闸管的导电角很小，系统的功率因数相应也很小，并产生较大的谐波电流，使转矩脉动大，限制了调速范围。要克服上述问题必须加大平波电抗器的电感量，但电感大又限制了系统的快速性，此外，功率因数低、谐波电流大，还将引起电网电压波形畸变，变流器设备容量大，还将造成所谓的“电力公害”，在这种情况下必须增设无功补偿和谐波滤波装置。,第四节直流脉宽调速控制系统,随着电力电子技术的发展，出现了可控制关断的即自关断电力电子器件全控式器件。如电力晶体管（GTR）、可关断晶闸管（GTO）、电力电子场效应晶体管（power MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、MOS控制晶闸管（MCT）等。采用全控型开关器件很容易实现脉冲宽度调制，与半控型开关器件晶闸管变流器相比，体积可缩小30%以上，装置效率高，功率因数高。同时由于开关频率的提高，直流脉冲宽度调制伺服控制系统与V-M伺服控制系统相比，电流容易连续，谐波少，电动机损耗和发热都较小，低速性能好，稳速精度高，系统通频带宽，快速响应性能好，动态抗扰好。,第四节直流脉宽调速控制系统,各种全控型器件构成的直流脉宽伺服控制系统的原理是一样的，只是不同器件具有各自不同的驱动、保护及其他器件使用的问题。本章以IGBT为例介绍直流脉宽调制伺服系统的工作原理及特性，并介绍直流脉宽调制伺服控制系统的电路。,第四节直流脉宽调速控制系统,绝缘门极晶体管（Insulated Gate Bipolar Thyristor IGBT）又称绝缘栅极晶体管，电流容量为10400A，电压等级为5001400V，工作频率达1030KHz，在中频以上交流电源、各种直流开关电源，及其它要求高速度、低损耗的领域，IGBT又取代GTR和MOSFET的趋势。,第四节直流脉宽调速控制系统,IGBT的开通和关断是由门极来决定的。门极加正向电压时，使IGBT导通。在门极施加反向电压后，IGBT关断，其驱动原理与MOSFET相同。（IGBT的工作原理）,第四节直流脉宽调速控制系统,(一)脉宽调制的理论有许多工业传动系统都是公共直流电压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，它们都有调速的要求，因此，要把固定电压的直流电源变换为直流电动机电枢用的可变电压的直流电源。脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）简称PWM，由脉冲宽度调制变换器向直流电动机供电的系统称为脉冲宽度调制伺服控制系统，简称PWM伺服系统。图4-34是脉宽调制型伺服系统原理图及输出电压波形。,第三节双闭环直流电动机调速系统,(a)原理图(b)输出电压波形 图4-34 PWM伺服系统,第四节直流脉宽调速控制系统,电动机电枢端电压平均值Ua：Ua=Us=Us=Us(4-36)式中=。为一个周期T中，IGBT V1导通时间的比率，称为负载率或占空比。通过改变的值，从而达到调压的目的，实现电动机的平滑调速，改变的值有如下下面三种方法：,第四节直流脉宽调速控制系统,(1)定宽调频法：Ton保持一定，使Toff在0范围内变化；(2)调宽调频法：Toff保持一定，使Ton在0范围内变化；(3)定频调宽法：Ton+Toff=T保持一定，使Ton在0T范围内变化。用全控式器件组成的直流脉宽伺服控制系统与半控式晶闸管直流伺服控制系统基本类同，两类系统的差异突出表现为以全控式PWM变换器取代半控式晶闸管变流装置。因此下面将着重论述IGBT组成的不可逆和可逆的PWM变换器以及包含PWM脉冲产生等内容的控制电路。,第四节直流脉宽调速控制系统,(二)不可逆PWM变换器图4-35是简单的不可逆PWM变换器的主电路原理图，它实际上就是所谓的直流斩波器。电源Us一般由不可控整流电源提供，采用大电容滤波，脉宽调制器的负载为电动机电枢，它可被看成电阻电感反电动势负载。二极管在功率管IGBT关断时为电枢回路提供释放电感储能的续流回路。,第四节直流脉宽调速控制系统,(a)原理图(b)电压电流波形 图4-35 简单的不可逆PWM变换器,第四节直流脉宽调速控制系统,IGBT的栅极由频率不变而脉冲宽度可调的脉冲电压Ug驱动。在一个开关周期内，当0tton时，Ug为正，IGBT饱和导通，电源电压通过IGBT加到电动机电枢两端。当 tontT时，Ug为负，IGBT截止，电枢失去电源，经二极管VD续流，电动机可得到的平均端电压为式（4-36）。改变（01）即可改变电枢两端电压，从而实现调速。,第四节直流脉宽调速控制系统,图4-35(b)给出了稳态时的脉冲端电压ua，电枢平均电压Ua和电枢电流Ia的波形。由图可见，稳态电流是脉动的，其平均值等于负载电流IL=TL/Km。设连续的