机电驱动技术第一章直流驱动技术.ppt

,机电驱动技术,任课教师:杨平,机械电子工程学院,参考书目,1.电力拖动自动控制系统（第2版）陈伯时，机械工业出版社，20062.电力拖动自动控制系统习题例题集童福尧，机械工业出版社，20003.机电传动控制学习辅导与题解邓星钟，华中科技大学出版社，20014.现代电力传动与控制邱阿瑞，电子工业出版社，20075.液压与气压传动刘延俊，高等教育出版社，20076.液压与气压传动（第2版）姜继海，高等教育出版社，20097.液压与气压传动学习指导与习题集陈尧明，机械工业出版社，2004,成绩构成,平时10%（考勤5%、作业5%)、实验10%半期考试20%期末考试60%（一页纸开卷）,辅导答疑,答疑时间：周三14:30-15:30答疑地点：C1-209,电磁驱动概论,一、涉及学科电机及电力拖动技术、控制工程基础、传感与测量技术、计算机控制技术等。,二、核心知识电机（电磁结构、模型、工作原理），调速与控制技术。,三、电机的定义、分类定义：根据电信号的指令，将电网的电能转换成旋转或直线运动等方式的机械能的装置或元件。直流电机（DirectCurrentMotor）交流电机（AlternatingCurrentMotor）步进电机（StepMotor）直接驱动电机（DirectDriveMotor）直线电机（LinearMotor）特种电机（SpecialMotor）,分类：,四、电磁驱动基本原理1.直流电机建立工作磁场（磁钢、励磁线圈）电机馈电（转子线圈有直流电流）左手定则（产生电磁力）F=BLi2.交流电机建立交变磁场（定子线圈通交流电）右手定则（转子线圈内产生感应电势E=Ken,继而有感应电流）左手定则（产生电磁力）F=BLi,第一章直流驱动技术,直流电机,直流调速技术,模型特性公式动/静态特性调速方式,单闭环（有静差/无静差)双闭环PWM技术,本章两大主要内容：,一.应用场合：直流伺服系统（ServoSystem）,Servo输出应连续、平稳地跟随输入的变化规律。,二.核心知识：直流伺服电机及驱动方式,三.直流伺服电机的基本要求区别于一般的直流电机：,调速范围（）广而平滑适应于输入量的变化；,机械特性硬输出/输入的静态特性好Tn；调节特性好控制效果佳Uan；,快速响应特性暂态（过渡）过程短，时间常数T,空载始动电压小对驱动电路要求降低；,转动惯量小,J，能快速启/停。,四.直流伺服电机的特点,体积小，起动转矩大；,易控制（电枢控制），调速范围宽，机械特性和线性较好；,有电刷和换向器，难维护（娇气、火花危险）。,1.1直流伺服电机,1.1.1结构与原理,四大件结构：定子（磁极）转子（电枢）电刷换向器,直流电机的电磁工作原理：,永磁材料永磁式DC电机,电磁绕组电磁式DC电机,定子励磁,转子（硅钢片+绕组）通过电刷和换向器与外接电源形成回路(电枢回路)磁场中有线圈电流通过,则电磁感应力使转子转动,控制电枢绕组中电流大小和方向，可调速和换向,1.1.2静态特性,定义：稳态条件下，电机的转速n、转矩T、电枢电压三者的关系。,导出关系：,电枢回路的电路分析+（与时间t无关）,反电势(切割磁力线),电磁转矩,电机模型（4-1）（4-2）（4-3）,特性公式(电机调速模型)：,电势常数,转矩常数,可见电机转速n、Ia有关。,通常采用电枢控制（即为常值，n,）机械特性公式(转矩-转速特性）:,随着负载,则n，呈下降特性。（为常量，控制电压恒定即不外加控制，仅看直流电机本身的固有特性),(i)空载（=0）时的转速称为理想空载转速,(ii)起动或堵转状态(n=0)下的电机输出转矩称为起动转矩或堵转转矩,（注意：起动转矩=堵转转矩）,其中:,相同电枢电压下，电机转速n转矩,电枢作为控制变量调节特性公式转速-电压特性（转速n与电枢电压关系）了解电机调速能力,为常量(负载恒定),负载恒定时，恒定则n呈线性关系；负载波动时，为了恒定转速，需调节电枢电压，此时呈非线性关系。,1.1.3静态特性分析,1.功率放大电路使机械特性变软原因：功放电路有内阻，使电枢电压控制电压,曲线变陡,使机械特性曲线变陡，则负载变化时，转速变化较大，机械特性变软功放内阻尽量小。,2.电机内部摩擦起动时存在死区（克服摩擦转矩）,3.负载波动n呈非线性关系,1.1.4动态特性,定义：当给电机电枢绕组加上阶跃电压时，转速随时间变化的规律。,导出关系：,.电枢回路的电路分析（与时间t有关,时域方程）与静态特性公式中不同是：瞬时值,.考虑过渡过程,.传递函数分析方法,动态关系式,在负载恒定（假设不存在异常波动）和空载（即，只看电机这个单元）下进行拉氏变换，求得电机的传递函数。,通常则,当控制电压为阶跃输入信号时，转速响应为：,因此：电机的机电时间常数决定了电机起动的过渡过程且，称为力矩惯性比，电机设计时应尽量加大力矩惯性比，使，既缩短过渡过程又避免振荡,1.1.5直流伺服电机的控制调速和换向,1.调速,(1)电枢电压控制（转子控制）恒转矩适用额定转速以下调速,控制电压电枢电压转速n变化,由机械特性可知定子磁场不变时，当负载不波动时（电枢电流Ia可达到额定值输出转矩即达到额定值）恒转矩调速方式,只适用于电磁式直流伺服电机,通过改变激磁电流改变定子磁场,通常在额定条件下减弱磁场，则n,T，输出功率不变恒功率调速方式,2.换向,电枢电压换向电枢绕组接线端对调转子改变磁场方向激磁绕组接线端的对调定子,(2)激磁磁场控制(定子控制,弱磁调速)恒功率适用于额定转速以上调速,1.1.6技术指标,掌握常见8大指标的概念。,1.2直流调速系统,直流调速系统启/停良好、宽调速，是现代交流调速系统的基础。,1.2.1单闭环（有静差）调速系统,1.开环调速原理,直流伺服电机的调速特性方程,可见:,调速的控制变量,晶闸管整流的馈电方式（常见）,小功率直流电机功率晶体管驱动,较大功率直流电机,晶闸管驱动,PWM驱动,2.单闭环调速系统方案,单闭环直流调速系统只有速度环,速度指令（直流电压信号）：斜坡输入,比较和放大环节（运放原理，诸如输入阻抗大M级，输入端共地等）将速度偏差信号放大。,整流和晶闸管触发环节：实现一定的功率放大，该环节是非线性环节，应取触发整流环节输入/输出特性的近似线性范围作为工作区域。,检测反馈环节：TG测速发电机,3.（单闭环调速系统）系统静态分析,稳态指标,a.调速范围（额定负载下）,b.静差率S负载变化时转速的稳定程度转速降落:负载从理想空载增加至满载时的速度变化（负载变化最大时的转速变化）,通常用百分比表示，且机械特性硬则静差率小。,c.D与S关系：，当S则D,二者是一对矛盾,稳定性分析,由单闭环框图:负载波动,取决于,速度反馈环节的精度和响应时间,前向通道的实时性和误差影响,稳速，反之亦然,静态特性分析,闭环为开环下的,因此静态特性更佳,特性更硬,b.静差率：单闭环为开环的,c.调速范围：单闭环为开环的（1+K）倍,a.比较开环与单闭环的转速降落,单,比纯电机调速更优,4.(单闭环调速系统)限流保护电流截止负反馈,原因:起动或堵转时电枢电流可能过大允许值,若采用过流继电器或熔断器保护,则跳闸无法正常工作。,电流过大原因：突然加上给定电压时，瞬时几乎是稳态下的(1+K)倍,使晶闸管整流电压达到最大值很大,冲击电流过大,而晶闸管过载能力较低。,限流措施仅在起动或堵转时作用,正常运行时取消(使负载变化),因此限制大到一定值截流反馈作用,引入点:电枢回路接一小电阻，则在电枢回路中为该电阻压降。,同时外加比较电压截止电流,当就引入电流截止负反馈,当不引入电流截止负反馈,引入电流截止负反馈的两种方式：,截流负反馈特性非线性特性,带截流负反馈的单闭环调速系统(P18图13),“转速负反馈实质上是采用电枢(电压)控制调速,是直流调速的最基本、最直接的有效方式,能实现较高精度的宽调速。”,5.两种简易的单闭环调速方案,电压负反馈,电流正反馈,6.单闭环调速动态分析过渡过程的评价，传递函数分析手段。,思路方法:建立各环节运动微分方程得出相应的传递函数单闭环调速系统的数学模型,直流电机数学模型(额定励磁),电枢电压转速模型二阶振荡环节,晶闸管(触发+整流)环节数学模型,(触发电路)控制电压理想空载整流电压模型惯性环节,比例放大器数学模型,测速发电机模型,理想空载()时的闭环传递函数高阶振荡环节（3阶）,单闭环调速系统的动态结构图,稳定性分析,可见，若静差率（是开环的倍），则K；若稳定性，则K因此，单闭环无法兼顾调速精度和稳定性。,1.2.2单闭环(无静差)调速系统,单闭环有静差调速系统比例调节器,单闭环无静差调速系统比例积分调节器,1.积分控制的规律,实现偏差积累效应,注重全部时间历程产生足够控制电压,但存在滞后,动态响应差。,比例控制:只注重偏差瞬时值,但响应快。,2.比例-积分(PI)控制方式,输入变化剧烈时,电容短路P调节方式,匹配于动态响应场合；,输入变化为渐进时,电容充电,电阻不起作用I调节方式,匹配于时间历程的偏差积累情况,最终达到稳态且消除静差。,3.单闭环（无静差）调速系统的体系结构,电路结构图,I截止电流,即无电流截止措施时动态结构图,1.2.3转速/电流双闭环直流调速系统,起因:单闭环的局限性,单闭环:有静态误差(静差),调速范围D静差率S是一对矛盾,启动/堵转冲击电流过大；,单闭环+电流截止负反馈:只能限制启动这个过渡过程的电流最大值(设置门槛),即在超过这个指标时才起作用,实际上可能使电枢电流难以较大值运行（原因:,反电势电机转矩(),导致难以较大转矩平衡负载而达到工作转速,使过渡过程延长。,单闭环(无静差):单闭环+电流截止负反馈+PI调节器。虽然能清除静差，但属于在同一调节器的输入端进入两个反馈，属于非独立调节，不能兼顾过渡过程（稳定无振荡）和稳态（静差）特性。,1.双闭环的体系结构改善过渡过程指标(动态特性),转速环：测速发电机转速调节器ASR（具有限幅特性规定了后面的电流调节器给定电压最大值）,电流环：交流互感器TA形成检测电流电流调节器ACR（亦具有限幅特性，规定了晶闸管的输出电压最大值）,ASR和ACR调节器的限幅作用运放限幅电路,本质：是将转速负反馈和电流截止负反馈分别引入两个不同的调节器，即独立调节作用，又形成串接关系（内、外环关系）,2.双闭环调速系统的静态特性分析,分析要点内环（电流环ACR）永远不会饱和（设计保证）,限幅特性的PI调节器,饱和时输出达到限幅值(即恒值)与输入变化无关,相当于隔离,不饱和时PI调节器的作用直至,静特性图,a.转速调节器ASR不饱和转速PI调节作用即,或转速无静差,b.转速调节器ASR饱和转速PI调节器不产生作用，相当于转速环呈开环状态单闭环（电流截止负反馈）AB段急下降特性:电流无静差,c.上述a、b都在内环（电流环）PI调节器不饱和状态下（即电流环永远都起作用）,3.稳态工作点和稳态参数,稳态工作时,通常两个调节器都不饱和（双闭环）,则:转速给定电压转速环PI调节,使ASR输出电流环PI调节,使,形成电枢回路控制电压,ACR输出,4.双闭环调速系统的动态特性分析,主要分析启动过渡过程:,第一阶段（初启动）:转速ASR由不饱和饱和,该过程转速环闭环,电流环闭环,强迫电流迅速上升，但由于系统惯性作用,升速不快,但该过程时间很短;,第二阶段（主启动）:转速ASR饱和转速环开环恒流升速的单环过程(电流环闭环),转速呈线性增长,是起动过渡过程的主要阶段;,第三阶段（启动过程的结尾）:转速ASR退饱和n达到时,由于积分作用(滞后),仍在加速转速超调使ASR退饱和（相当于施加反向输入）转速调节至。该阶段是转速超调和转速调节特性,但不是启动的主要阶段。,1.2.4脉宽调速系统,（前面内容）相控触发整流（晶闸管）调压调速PAM方式（大功率）,全波不可控整流PWM斩波调压调频调速PWM方式（中小功率）,全波不可控整流,BJT（双极型晶体管）,IGBT(绝缘栅双极型晶体管),GTO（可关断晶体管）,1.四种PWM控制方式,等脉宽PWM,改变脉冲周期变频,改变脉冲占空比调压,缺点:含有大量谐波,SPWM,调制波正弦波,载波三角波,相交成SPWM波,优点:低次谐波大为减少,磁链追踪型PWM,三相对称的正弦波逆变器产生PWM,电流跟踪型PWM,电压源逆变器+输出电流控制,PWM控制技术：,直流电压,半导体开关,通断,控制脉冲宽度变压,控制脉冲周期变频,方波脉冲,电枢控制原理：