第四章 运动控制课件

1、可逆控制和弱磁控制的直流调速可逆控制和弱磁控制的直流调速系统系统第 4 章内容提要内容提要 直流PWM可逆调速系统 V-M可逆直流调速系统 弱磁控制的直流调速系统+nOTe-Te-n正转电动状态正转制动状态反转电动状态反转制动状态电动机除电动转矩（T T、n n同向）外，还须产生制动转矩（T T、n n反向），实现生产机械的快速减速、停车与正反向运行等功能；在转速和电磁转矩坐标系统上，就是四象限运行的功能；这样的调速系统需要正反转，故称可逆调速系统。4直流直流PWM变换器变换器-电动机系统电动机系统-简单的不可逆系统简单的不可逆系统VTM+_EMidVDUs+C_21UdUgUgTonTt简单

2、的不可逆PWM变换器-直流电动系统 2.1 2.1 直流调速系统用的可控直流电源不可控的二极管整流不可控的二极管整流器产生器产生，并采用大电，并采用大电容容C进行滤波，以获得进行滤波，以获得恒定的直流电压恒定的直流电压5UTonTt2T3TUsidudUdid 当0 0 t t t tonon时，U Ug g为正，VTVT导通，电源电压通过VTVT加到电动机电枢两端； 当t ton on t t T T 时， U Ug g为负，VTVT关断，电枢失去电源，经VDVD续流，电枢电压近似为0 0。 直流直流PWM变换器变换器-电动机系统电动机系统-简单的不可逆系统简单的不可逆系统-工作状态、工作状

3、态、电压和电流波形电压和电流波形电压和电流波形2.1 2.1 直流调速系统用的可控直流电源6电机两端得到的平均电压为ssondUUTtU 改变改变 （ 0 1 ）即可调节电机的转速，若令）即可调节电机的转速，若令 = Ud / Us为为PWM电压系数，则在不可逆电压系数，则在不可逆PWM 变换器中变换器中 = (2-16)(2-15)式中式中 = ton / T 为为 PWM 波形的占空比波形的占空比 直流直流PWM变换器变换器-电动机系统电动机系统-简单的不可逆系统简单的不可逆系统-电压方程电压方程2.1 2.1 直流调速系统用的可控直流电源4.14.1直流PWMPWM可逆调速系统 1. 桥

4、式桥式PWM可逆调速系统可逆调速系统 可逆可逆PWM变换器主电路变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式有多种形式，最常用的是桥式（亦称（亦称H形）电路，如图所示。形）电路，如图所示。 电动机电动机M两端电压的极性两端电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式双极式、单极式、受限单极式等多种，等多种，这里只着重分析最常这里只着重分析最常用的双极式控制的可逆用的双极式控制的可逆PWM变换器。变换器。H型桥式可逆PWM变换器MVT1VT2Ug1Ug2VD1VD21234-+UsUdEVT3VT4Ug3U

5、g4VD3VD4AB4.14.1直流PWMPWM可逆调速系统MVT1VT2Ug1Ug2VD1VD212-+UsUdEVT3VT4Ug3Ug4VD3VD4ABUg2tUg3Ug1tonTtVTVT1Ug44VDVD23OUABtonTt+UsO-UsUdEid121212正向电动运行波形 第1阶段，在 0 t ton 期间， Ug1 、 Ug4为正， VT1 、VT4导通， Ug2 、 Ug3为负，VT2 、 VT3截止，电流 id 沿回路1流通，电动机M两端电压UAB = +Us ； 第2阶段，在ton t T期间， Ug1 、 Ug4为负， VT1 、 VT4截止， VD2 、 VD3续流，

6、 并钳位使VT2 、 VT3保持截止，电流 id 沿回路2流通，电动机M两端电压UAB = Us ； 1.桥式桥式PWM可逆调速系统可逆调速系统-正向运行正向运行4.14.1直流PWMPWM可逆调速系统MVT1VT2Ug1Ug2VD1VD234-+UsUdEVT3VT4Ug3Ug4VD3VD4ABUABtonTt+UsO-UsUdEid343434第3阶段，在 0 t ton 期间， Ug2 、 Ug3 为正， VT2 、VT3导通， Ug1 、 Ug4为负，使VT1 、 VT4保持截止，电流 id 沿回路3流通，电动机M两端电压UAB = Us；第4阶段，在ton t T 期间， Ug2 、

7、 Ug3为负VT2 、 VT3截止， VD1 、 VD4 续流，并钳位使 VT1 、VT4截止，电流 id 沿回路4流通，电动机M两端电压UAB = +Us ； 1.桥式桥式PWM可逆调速系统可逆调速系统-反向运行反向运行4.14.1直流PWMPWM可逆调速系统双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为（4-14-1） = 2 1 （4-2）注意：这里 电压系数 的计算公式与不可逆变换器中的公式就不一样sonsonsond)12(UTtUTtTUTtU 调速时，调速时， 的可调范围为的可调范围为01，则则 1 0.5时，时， 为正，电机正转为正，电机正转; 当当 0.5时，时， 为负，电机反转

8、为负，电机反转; 当当 = 0.5时，时， = 0 ，电机停止，电机停止. 当电机停止时电枢电压并不为零，当电机停止时电枢电压并不为零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，产生而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，产生交变电流。交变电流的平均值为零，不产交变电流。交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，但增大电机的损耗，这是双生平均转矩，但增大电机的损耗，这是双极式控制的极式控制的缺点缺点。但它也有好处，在电机。但它也有好处，在电机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润动力润滑滑”的作用。的作用。 1.桥

9、式桥式PWM可逆调速系统可逆调速系统-输出电压输出电压Tton4.14.1直流PWMPWM可逆调速系统 双极式控制的桥式可逆PWMPWM变换器有下列优点： 1 1）电流一定连续。 2 2）可使电机在四象限运行。 3 3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区。 4 4）低速平稳性好，系统的调速范围可达1:20000 1:20000 左右。 5 5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。 双极式控制方式的不足之处：双极式控制方式的不足之处：在工作过程中，在工作过程中，4 4个开关器件可能都处于个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的

10、事故，开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时逻辑延时。 1.桥式桥式PWM可逆调速系统可逆调速系统-性能评价性能评价4.14.1直流PWMPWM可逆调速系统 2.直流直流PWM可逆调速系统转速反向的过渡过程可逆调速系统转速反向的过渡过程+n-nId(Te)Id(Te)-IdLIdL-Idm-Oabcdefa a点过渡到b b点，I Id d从正向I IdLdL降到零；b b点过渡到c c点，I Id d反向上升到I Idmdm；c c点过渡到d d点，转速减小到0

11、0；d d点过渡到e e点，转速超调，转速环退饱和；在f f点稳定工作，电流为-I-IdLdL 。4.14.1直流PWMPWM可逆调速系统M+-R0KUsCRbVTbVT1VT2VT3VT4VD1VD2VD3VD4+-UcPWM控制器 3.直流直流PWM功率变换器的能量回馈功率变换器的能量回馈（具体说明见课本（具体说明见课本P99）桥式可逆直流脉宽调速系统主电路原理图滤波电容，限值泵升电压限值泵升电压，同VTb一同能耗制动K延时闭合，限值C的充电电流，保护二极管整流器 H型桥式PWM变换器 14当可逆系统进入制动状态时，直流PWM功率变换器把机械能变为电能回馈到直流侧，由于二极管整流器导电的单

12、向性，电能不可能通过整流器送回交流电网，只能向滤波电容充电，使电容两端电压升高，称作泵升电压。在大容量或负载有较大惯量的系统中，不可能只靠电容器来限制泵升电压，当PWM控制器检测到泵升电压高于规定值时，开关器件VTb导通，使制动过程中多余的动能以铜耗的形式消耗在放电电阻中。15如果在大容量的调速系统中希望实现电能回馈到交流电网，以取得更好的制动效果并且节能，可以在二极管整流器输出端并接逆变器，把多余的电能逆变后回馈电网。在突加交流电源时，大电容量滤波电容C相当于短路，会产生很大的充电电流，容易损坏整流二极管。为了限制充电电流，在整流器和滤波电容之间串入限流电阻。合上电源后，经过延时或当直流电压

13、达到一定值时，闭合接触器触点K把电阻短路，以免在运行中造成附加损耗。164 单片微机控制的PWM可逆直流调速系统三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流 电 源 ， 再 经 过 直 流PWM变换器得到可调的直流电压，给直流电动机供电。检测回路包括电压、电流、温度和转速检测，转速检测用数字测速。微机控制具备故障检测功能，对电压、电流、温度等信号进行实时监测和报警。一般选用专为电机控制设计的单片微机，配以显示、键盘等外围电路，通过通信接口与上位机或其他外设交换数据。 图4-6 微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图17图4-6 微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图控制软件一

14、般采用转速、电流双闭环控制，电流环为内环，转速环为外环，内环的采样周期小于外环的采样周期。无论是电流采样值还是转速采样值都含有扰动，常采用阻容电路滤波，但滤波时间常数太大时会延缓动态响应，为此可采用硬件滤波与软件滤波相结合的办法。转速调节器ASR和电流调节器ACR大多采用PI调节，当系统对动态性能要求较高时，还可以采用各种非线性和智能化的控制算法，使调节器能够更好地适应控制对象。4.2 4.2 V-MV-M可逆直流调速系统 单组晶闸管装置供电的单组晶闸管装置供电的V-M系统在拖动起重机类型的负载时也可能出现系统在拖动起重机类型的负载时也可能出现整流和整流和有源逆变状态有源逆变状态。 90，Ud

15、0 E，n 0由电网向电动机提供能量。由电网向电动机提供能量。-+Ud0RM+-nEV-PId（2）逆变状态逆变状态 放下重物放下重物 90，|Ud0| | E|，n 0 由电动机向电网回馈能量由电动机向电网回馈能量。 +-+-Ud0RMnEV-P（1）整流状态整流状态 提升重物提升重物 1.V-M可逆直流调速系统的主回路及环流单组晶闸管位能性负载可逆直流调速系统的主回路及环流单组晶闸管位能性负载将直流电逆变成电网频率的恒频交流并输送给电网的称有源逆变 将直流逆变成频率可变的交流电并直接供给用电负载称无源逆变4.2 V-M4.2 V-M可逆直流调速系统 整流状态 电动机工作于第一象限 逆变状态

16、 电动机工作于第四象限- nnIdTe提升提升放下放下TLO 1.V-M可逆直流调速系统的主回路及环流单组晶闸管位能性负载可逆直流调速系统的主回路及环流单组晶闸管位能性负载4.2 V-M4.2 V-M可逆直流调速系统 1.V-M可逆直流调速系统的主回路及环流两组晶闸管反并联可逆直流调速系统的主回路及环流两组晶闸管反并联M+-Id-IdVFVR两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路coscossinmax0domdUmUmU)-180( cos0max0dodUU对于需要对于需要电电流反向流反向的直的直流电动机可流电动机可逆调速系统，逆调速系统，必须使用必须使用两两组组晶闸管整晶闸管整流装置反并流

17、装置反并联线路来实联线路来实现可逆调速。现可逆调速。4.2 V-M4.2 V-M可逆直流调速系统 1.V-M可逆直流调速系统的主回路及环流两组晶闸管反并联可逆直流调速系统的主回路及环流两组晶闸管反并联R-+Ud0 fM+-nEVF-PId+-+-Ud0rRMnEVR-PIda)正组整流电动b)反组逆变回馈制动Id-Idn反组逆变反组逆变回馈制动回馈制动正组整流正组整流电动运动电动运动Oc)机械特性允许范围E、I同向，电机相当于负载E、I反向，电机相当于电源22两组晶闸管整流装置同时工作时，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作。一般地说，环流对系统无益，徒然加重晶闸管和变

18、压器的负担，消耗功率，环流太大时会导致晶闸管损坏，因此必须予以抑制或消除。目前广泛应用的是逻辑无环流可逆控制系统 4.2 V-M4.2 V-M可逆直流调速系统 1.V-M可逆直流调速系统的主回路及环流环流问题可逆直流调速系统的主回路及环流环流问题4.2 V-M4.2 V-M可逆直流调速系统 1.V-M可逆直流调速系统的主回路及环流环流问题可逆直流调速系统的主回路及环流环流问题MVR VFUd0f+-+Ud0rRrecRrecRa-IdIc反并联可逆系统中的环流电枢电阻整流装置内阻环流负载电流adRIreccRI4.2 V-M4.2 V-M可逆直流调速系统 1.V-M可逆直流调速系统的主回路及环

19、流环流问题可逆直流调速系统的主回路及环流环流问题环流的分类： 静态环流：两组可逆线路在一定控制角下稳定工作时出现的环流； 直流平均环流：由晶闸管输出的直流平均电压所产生的环流称为直流平直流平均环流：由晶闸管输出的直流平均电压所产生的环流称为直流平均环流；均环流； 瞬时脉动环流：两组晶闸管输出的直流平均电压差为零，但因电压波形瞬时脉动环流：两组晶闸管输出的直流平均电压差为零，但因电压波形不同，瞬时电压差仍会产生脉动的环流，称为瞬时脉动环流。不同，瞬时电压差仍会产生脉动的环流，称为瞬时脉动环流。 动态环流：仅在V-M系统处于过渡过程中出现的环流，本书不讨论。4.2 V-M4.2 V-M可逆直流调速

20、系统MVRVFRrecRrec-1ARGTRGTFUcRaM 1.V-M可逆直流调速系统的主回路及环流环流问题可逆直流调速系统的主回路及环流环流问题配合控制电路GTF-正组触发装置GTR-反组触发装置AR-反号器为触发延迟角为逆变角在理想的情况下，晶闸管整流器的输出电压Ud和控制电压Uc存在如下关系：Ud=Ks*Uc其中：Ks晶闸管整流器放大系数。Uc触发角Ud4.2 V-M4.2 V-M可逆直流调速系统 1.V-M可逆直流调速系统的主回路及环流环流问题可逆直流调速系统的主回路及环流环流问题180o 0o - UcmUc90o rminUcm90o0o 180o fmin fmin rmin r fGTRGTFUc1r f配合控制特性随着Uc的变化，始终。最小逆变角rmin保护：防止逆变颠覆。4.2 V-M4.2 V-M可逆直流调速系统 ASRDLC-1TAVRVFGTR2ACRMTGGTF1ACR+U*nUn-UiU*iUcfUblfUblrUcrU*i+UiU*iUi0LdAR-+ZC 2.V-M可逆直流调速系统的控制可逆直流调速系统的控制-无环流可逆无环流可逆V-M系统系统逻辑控制的无环流可逆调速系统原理框图无环流逻辑控制环节4.3