第5章 直流传动控制系统

1、第5章直流传动控制系统 机电传动控制系统主要有直流传动控制系统和交流传动控制系统。 直流传动控制系统是以直流电动机为动力，交流传动控制系统则以交流电动机为动力。 由本教材第2.5章节我们已经知道，直流电动机虽不如交流电动机结构简单、制造方便、维修容易、价格便宜等，但由于直流电动机具有良好的调速性能，可在很宽的范围平滑调速，所以截至目前为止，直流电动机仍被广泛地应用于自动控制要求较高的各种生产部门。5.1直流电动机调速系统的分类与技术性能5.1.1 直流电动机调速系统的分类 直流电动机转速数学模型在恒转矩负载与电枢、励磁绕组正常接线的条件下，直流电动机的转速与电枢电压成比例关系，因此，调速的问题

2、就成为了调电枢电压的问题。根据调电枢电压方法的不同，常用典型的直流调速系统可分为：旋转变流机组型直流调速系统（G-M系统）；静止变流机组型直流调速系统（V-M系统）；直流斩波器与脉冲宽度调制器型直流调速系统（直流PWM-M系统） 02ddaeeeemURURnITnnKKKK K5.1.2直流电动机调速系统的技术指标直流电动机调速系统的技术指标1.静态技术指标静态技术指标1)静差度静差度定义：电动机在某一机械特性曲线所示状态下运行时，额定负载下所产生的转速降落 与理想空载转速 之比，称为静差率 ，用 表示 。 图5.1机械特性的静差率Nn0nS0/nnSN5.1.2直流电动机调速系统的技术指标

3、直流电动机调速系统的技术指标2)调速范围调速范围定义：电动机在额定负载下调速时，允许的定义：电动机在额定负载下调速时，允许的最高转速最低转速之比，称为调速范围，最高转速最低转速之比，称为调速范围，通常用通常用 来表示来表示 )1 ()1 ()1 (22max22max0202max02maxminmaxSnSnSSnnnnnnnnnnnDNNNN调速范围反映了生产机械对调速的要求，不同的生产机械对电动机的调速范围有不同的要求。minmaxnnD minmaxnnD 5.1.2直流电动机调速系统的技术指直流电动机调速系统的技术指标标2动态技术指标动态技术指标N3)振荡次数振荡次数T2)过渡过程时

4、间过渡过程时间p1)最大超调量最大超调量超调量太大，达不到生产上艺上的要求，如果太小，则会使过渡过程过于缓慢，不利于生产率的提高等，一般超调量为1035。从输入控制(或扰动)作用于系统开始直到被调量转速进入n)02. 005. 0(稳定值区间时为止(并且以后不再超出这个范围)的段时间，称为过渡过程时间。在过渡过程时间内，被调整转速在其稳定值上下摆动的次数。不同的生产机械对动态指标的要求不尽相同，如龙门刨床、轧钢机等可允许有一次振荡，而造纸机则不允许有振荡的过渡过程。5.2 旋转变流机组型直流调速系统(G-M系统)521 旋转变流机组型直流调速系统的结构旋转变流机组是用交流电动机和直流发电机组成

5、机组，以获得可调的直流电压。G-M系统工作原理是：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 给需要调速的直流电动机 M 供电，调节G 的励磁电流 ig 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。与机组同轴安装的直流励磁发电机GE是为直流发电机G和直流电动机M提供励磁电源。 522 旋转变流机组型直流调速系统的机械特性旋转变流机组型直流调速系统的机械特性当对系统的调速性能要求不高时，通常采用开环控制的方法，此时，由于从给定电位器取出的直流发电机G的励磁给定电流ig比较大，因此，可直接由

6、励磁电源供电，而不需要励磁电流调节放大器，系统结构比较简单。改变ig的极性，可以改变电动机的旋转方向，改变ig的大小，可以电动机的旋转速度。同时，无论正、反转的减速，系统都经历-个回馈制动过程，因此，G-M系统可以很容易的实现四象限运行。G-M系统的机械特性见图5.3。5.2.3 交磁电机扩大机交磁电机扩大机-直流发电机直流发电机-直流电直流电动机系统动机系统(GA-M系统系统)交磁电机扩大机是一种具有较高放大倍数、多控制绕交磁电机扩大机是一种具有较高放大倍数、多控制绕组的高性能特殊构造的直流发电机，可作为直流电动组的高性能特殊构造的直流发电机，可作为直流电动机的供电电源或直流发电机的励磁机，

7、并可以组成各机的供电电源或直流发电机的励磁机，并可以组成各种反馈调速系统，以提高系统的静态和动态特性。通种反馈调速系统，以提高系统的静态和动态特性。通常采用下面几种反馈方式。常采用下面几种反馈方式。 1)电压负反馈电压负反馈 2）电压微分负反）电压微分负反馈馈523交磁电机扩大机交磁电机扩大机-直流发电直流发电机机-直流电动机系统直流电动机系统(GA-M系统系统)3)电流正反馈电流正反馈 4）电流截止负反馈）电流截止负反馈523交磁电机扩大机交磁电机扩大机-直流发电直流发电机机-直流电动机系统直流电动机系统(GA-M系统系统)带电流截止负反馈的GA-M系统机械特性 5.3 静止变流机组型直流调

8、速系统(V-M系统)直流调速系统中，目前，用得较多的是晶闸管-直流电动机调速系统。由于采用晶闸管作为变流器件，系统没有旋转机组，因此也称静止变流机组型直流调速系统，简称V-M系统。531变流器件变流器件1晶闸管的结构和符号晶闸管的结构和符号(a)内部结构(b)示意图(c)表示符号1-钢底座2-钔片3-铝片4-金锑合金片5-金硼钯片6-硅片图5.9晶闸管内部结构及图示方法531变流器件变流器件2晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理(1)起始时若控制极不加电压，则不论阳极加正向电压还是反向电压，晶闸管均不导通，这说明晶闸管具有正、反向阻断能力。(2)晶闸管的阳极和控制极同时加正向电压时晶闸管才能导通，

9、这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件。(3)在晶闸管导通之后，其控制极就失去控制作用。欲使晶闸管恢复阻断状态，必须把阳极正向电压降低到一定值(或断开，或反向)。所以说晶闸管是控制导通而不控制关断的半控器件。3晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性当晶闸管控制极流过正向电流当晶闸管控制极流过正向电流Ig时，时，晶闸管的正向转折电压降低，晶闸管的正向转折电压降低，Ig 越大，越大，转折电压越小，当转折电压越小，当Ig足够大时，晶闸足够大时，晶闸管正向转折电压很小，一加上正向阳管正向转折电压很小，一加上正向阳极电压，晶闸管就导通。极电压，晶闸管就导通。实际规定，实际规定，当晶闸管元件阳极与阴极之间加上当晶

10、闸管元件阳极与阴极之间加上6V直流电压时，能使元件导通的控制极直流电压时，能使元件导通的控制极最小电流最小电流(电压电压)称为触发电流称为触发电流(电压电压)。在晶闸管阳极与阴极间加上反向电压在晶闸管阳极与阴极间加上反向电压时，开始晶闸管处于反向阻断状态，时，开始晶闸管处于反向阻断状态，只有很小的反向漏电流流过。当反向只有很小的反向漏电流流过。当反向电压增大到某一数值时，反向漏电流电压增大到某一数值时，反向漏电流急剧增大，这时，所对应的电压称为急剧增大，这时，所对应的电压称为反向不重复峰值电压反向不重复峰值电压(URsM)，或称反，或称反向转折向转折(击穿击穿)电压电压(UBR)。可见，晶闸。

11、可见，晶闸管的反向伏安特性与二极管反向特性管的反向伏安特性与二极管反向特性类似。类似。 4晶闸管的应用晶闸管的应用1)零式整流电路零式整流电路零式整流电路特点零式整流电路特点在零式整流电路中，由于电源变压器副边绕组只能通以直流电流，磁滞损耗大，材料利用率低，变压器发热严重。仅适用作小功率的整流电源。2)桥式整流电路桥式整流电路三相桥式全控变流电路电流波形以及触发脉冲顺序图(=0时) (a)交流电源电压(b)相电流(c)触发脉冲顺序(d)整流输出电压=3001500输出电压的波形 三相桥式全控变流电路整流与逆变工作状态 当=90 0时，平均输出电压Ud=0，当90 0)时，Ud=“+”。三相桥式

12、全控变流电路工作在整流状态。当90 0(或0，移到300处，如继续增大uk，ik也随之增大，如果没有设置i限制环节，则|ik|将有可能大于|i(峰值)|，造成丢失脉冲。(3)当uk0，移到1500处。由于加入U以后，D3导通，此时ib1=ik+i。上述线路中，由于设置u比u超前600，而u比u滞后600，故实际移相范围在=3001500区间，实际只有1200左右。（2）锯齿波移相触发器电路）锯齿波移相触发器电路触发电路所产生的触发脉冲波形 2）KC系列单片集成触发器系列单片集成触发器 为了提高触发器电路的工作可靠性，缩小调速控制系统的体积和降低成本，将分立器件触发器电路集成在单一的芯片上，从而

13、制造成单片集成触发器，已经广泛地应用在变流系统中。KC系列单片集成触发器有很多型号，一些型号可以单独应用在简单系统，一些型号经过组合可以应用在复杂系统中。（1）KC04移相触发器移相触发器 用于单相、三相全控桥式变流装置中作晶闸管双路脉冲移相触发。其两路相位差180o的移相脉冲可方便的构成全控桥式触发线路。该电路具有负载能力大，移相性能好，正负半周脉冲相位值均衡性好，移相范围宽，对同步电压要求不严，有脉冲列调制输入端等功能特点。 KC04集成触发器电路原理与分立元件的锯齿波移相电路相似，由同步、锯齿波形成、移相控制、脉冲形成，功率放大几部分组成。KC04移相触发器引脚功能简介移相触发器引脚功能

14、简介 同步检测电路：正弦同步电压uT经电阻R接至8端；锯齿波形成电路：外接电容Cl接于3、8端，与内部电路组成密勒积分器，形成线性增大的锯齿波；移相电路：经9端输入的移相控制电压uk，偏移电压uP和锯齿波电压uC，分别经外部电阻在内部叠加，以形成一定宽度的移相脉冲；功率放大电路：内部功放电路对该移相脉冲进行放大，得到正负半周相隔180的两组触发脉冲。分别经11和15端生产输出。高频脉冲列调制和脉冲封锁控制信号，分别经由13和14端控制。（2）KC42高频脉冲列调制发生器高频脉冲列调制发生器 在需要宽触发脉冲输出场合，为了减小输出脉冲变压器的在需要宽触发脉冲输出场合，为了减小输出脉冲变压器的体积

15、，可采用脉冲列触发方式。一般是在触发脉冲形成后加体积，可采用脉冲列触发方式。一般是在触发脉冲形成后加以频率较高的脉冲列调制。以频率较高的脉冲列调制。适用于作晶闸管三相全控桥式整适用于作晶闸管三相全控桥式整流电路的脉冲列调制电源。也可用于三相半控、单相全控、流电路的脉冲列调制电源。也可用于三相半控、单相全控、单相半控等电路中。电路具有脉冲占空比可调性好，频率调单相半控等电路中。电路具有脉冲占空比可调性好，频率调节范围宽，触发脉冲上升沿可与调制信号同步等优点。节范围宽，触发脉冲上升沿可与调制信号同步等优点。 KC42脉冲列调制发生器内部主要包括：逻辑组合及环形振荡器等脉冲列调制发生器内部主要包括：

16、逻辑组合及环形振荡器等电路。电路。KC42高频脉冲列调制发生器引脚功能简介高频脉冲列调制发生器引脚功能简介:KC04集成触发器的集成触发器的13端引出触发脉冲信号，分别送至端引出触发脉冲信号，分别送至KC42脉冲列凋制器的脉冲列凋制器的2，412端，由内部电路进行逻辑组合。形端，由内部电路进行逻辑组合。形成一个环形振荡器。当成一个环形振荡器。当KC04集成电路触发器的集成电路触发器的13端没有输入端没有输入脉冲时脉冲时,振荡器停振，反之振荡器停振，反之,振荡器起振。振荡频率由振荡器起振。振荡频率由6、10端端的外部电容和的外部电容和6、11端的外部电阻决定。端的外部电阻决定。内部输出六个经调制

17、的前沿同步间隔内部输出六个经调制的前沿同步间隔60的脉冲列，经由的脉冲列，经由8端端输出给三块输出给三块KC04触发器的触发器的14端，从而使端，从而使kc04触发器的触发器的1端和端和15端翰出与原脉冲相位一致，但已是经过了高频调制的触发端翰出与原脉冲相位一致，但已是经过了高频调制的触发脉冲。脉冲。（3）KC41C六路双脉冲形成器六路双脉冲形成器适用于晶闸管三相全控桥式触发电路中，具有双脉冲形成电路及电子适用于晶闸管三相全控桥式触发电路中，具有双脉冲形成电路及电子开关封锁电路，使用两块开关封锁电路，使用两块KC41C可组成逻辑控制适用于正反组可逆系可组成逻辑控制适用于正反组可逆系统。统。电路

18、原理：电路原理：由三块由三块KC04输出的脉冲接到输出的脉冲接到KC41C的的16端时，内部输入二极管完端时，内部输入二极管完成补脉冲的任务，在成补脉冲的任务，在1015端可得六路放大了的经高频调制的触发双端可得六路放大了的经高频调制的触发双脉冲。脉冲。C同步A211k0.47FKJ0420.01F+15VA3A5220VA4B1 B22CK4324V13200W78G2470F20k100FA21-15V2.2k10k200470F31W79L215k0.047F30kKJ00410k12kA192002.2k移相A/B控制端图2-2-610k地A223DK4或3DG276KJ0416800

19、FA122CWA14A16A6A8A10A1362A15A17A7A9A116.8k1F30kKJ004A1B同步2CZ826KJ004A2A同步图5.20KJZ6触发控制电路原理图532单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统常分为有静差调速系统和无静差调速系统两类：单纯由被调量负反馈组成的按比例控制的单闭环系统属有静差的自动调节系统，简称有静差调速系统；而按积分(或比例积分)控制的系统，则属无静差调速系统。 晶闸管供电的不可逆直流调速系统晶闸管供电的不可逆直流调速系统1转速负反馈调速系统转速负反馈调速系统1)系统组成和原理系统组成和原理当负载增加，电动机转速下降，速度反馈电压

20、减小，从而使偏差增大，增大，触发角减小，使增大，电动机转速回升，于是速度基本稳定在原来调定的转速上。当负载减小时，系统也可调整转速，使速度基本维持不变。转速负反馈调速系统转速负反馈调速系统特点1）电压信号取自电枢两端，并近似认为是电动势信号，其对电枢电阻引起的压降不能进行调节，它实际上是一个自动调压系统。 2）系统较简单，但精度差，只适用于 D10 ，S15 的场合。 3）为防止电动机电枢电流过大，可加入电流截止负反馈。2) 系统静特性分析系统静特性分析(1)放大器(2)触发器、整流器(3)电动机电枢回路(4)测速发电机UKUAK放大器的输出电压可用下式表示 整流器输出电压与触发器输入电压之间

21、的关系，可近似看成线性关系 KVUKU 电动机电枢回路 电枢回路的电压平衡方程式为 EIRU测速发电机输出电压信号为nKUnF综合式(1)至(4)得到系统静态特性方程式为当负载为零时，绕组电流I=0，则理想空载转速与给定电压的关系式式(1)右边第二项转速降与负载的关系式为IRKKKKUKKKKKKnnVAEGnVAEVA1(1)GnVAEVAUKKKKKKnn0(2)当Kn为零时，统为开环系统，转速降为IRKnEK1IRKKKKnnVAE1(3)KEnVAnKKKKn/11与式(3)相比可得：结论：)/1/(1EnVAKKKKAKVKnK即闭环系统的转速降为开环系统的，增大、可以大大减小闭环系

22、统的转速降，使系统机械特性的硬度提高。减小了静差率，从而可增大系统调速范围。532单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统2电流截止负反馈电流截止负反馈2电流截止负反馈电流截止负反馈直流电动机全电压起动或过载时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电动机不利，对过载能力低的晶闸管来说。也是不能允许的。为了解决闭环调速系统的起动和堵转时电流过大问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理，要维持某个物理量基本不变，就应该引入该物理量的负反馈。但是这种作用只应在起动和堵转时存在，在正常运行时又得取消。像这样，当电流大到一定程度时才出现的电流负反馈叫做电流截止负反馈。 具有电流

23、截止负反馈的调速系统具有电流截止负反馈的调速系统 533双闭环控制直流调速系统双闭环控制直流调速系统1)系统结构和原理系统结构和原理在转速负反馈直流调速系统的基础上，再增加电流负反馈控制环路，就形成转速、电流双闭环控制直流调速系统。533双闭环控制直流调速系统双闭环控制直流调速系统2)系统动态特性分析系统动态特性分析(1)额定励磁下的直流电动机额定励磁下的直流电动机电动机电枢回路加上整流电压U，回路中产生电流I，主电路的电压平衡关系为dtdILIREU对上式两边取拉氏变换，得)1)()()(ssIRsEsUa经整理后得sRsEsUsIa1/1)()()(RLa/aRLa/为电枢回路电磁时间常数

24、， 533双闭环控制直流调速系统双闭环控制直流调速系统运行方程式是dtdnJdtdJTTL30设，代人上式得：IKICTTTdtdndtdnKJKTImTTL30/TmKJ30对上式取拉氏变换得sKsTsIsnmTL1/ )()()( （2）触发器、整流器）触发器、整流器无论哪一种整流电路，最大可能的失控时间为两个自然换相点的相隔时间，即mfs/1max目前有两种取法：一种方法是按最大值取；另一种方法是取其统计平均值。综上所述，晶闸管触发和整流装置的传递函数可表示为sSKSSeKsUsUsW)(/ )()(533双闭环控制直流调速系统双闭环控制直流调速系统为了简化，将式(5.16)按泰勒级数展

25、开为3322! 31! 211)(sssKsWSSSSS因为 很小，可以忽略高次项，上式可简化为SsKsWSsS1)(从简化后的传递函数看，晶闸管触发和整流装置的特性相当于一个惯性环节。533双闭环控制直流调速系统双闭环控制直流调速系统(3)比例、积分调节器比例、积分调节器(调节器调节器)由运算放大器原理可知dtUKUKdtURCURRdtICIRURiPRPRRC0101111111对上式进行拉氏变换得ssKsKKsUsUsWiiPiPPRCPI1)()()(当输入为阶跃信号时，输出波形如图5.27所示。最大值mU由限幅电位器RP调定。533双闭环控制直流调速系统双闭环控制直流调速系统(4)

26、转速、电流检测电路转速、电流检测电路转速、电流检测电路为纯比例环节，传递函数就是各转速、电流检测电路为纯比例环节，传递函数就是各自的反馈系数与。自的反馈系数与。 根据式根据式(5.13)、(5.16)、(5.18)、(5.20)可得到双闭环调速系统动态结构图可得到双闭环调速系统动态结构图 。图5.29双闭环调速系统动态响应波形双闭环控制直流调速系统小结：双闭环控制直流调速系统小结：系统达到稳定后，转速等于给定转速，电流等于负载电流，调节器的输入偏差均为零，但是由于积分作用，它们都有恒定的输出电压。速度调节器的输出值为式中：为电流反馈系数。 电流调节器的输出值为如果速度指令只在小范围内变化，则调

27、节过程只有、两个阶段，而且速度调节器也来不及饱和，整个系统表现为两个调节器的串级调节系统。如果干扰作用发生在电流环以内，如电网电压的波动，则电流环及时进行调节，以保证电流恒定。如果干扰作用发生在电流环以外，如负载波动，则靠速度环进行调节，这时电流环表现为电流随动系统。IKUIIGSEKKIRnKU5.4 晶体管-直流电动机调速系统(PWM系统) 采用门极可关断晶闸管GTO、全控电力晶体管GTR、MOSFEI、等全控式电力电子器件组成的直流脉冲宽度调制(PWM)型的调速系统近年来已发展成熟，用途越来越广。 与前面的晶闸管相控整流直流调速系统相比，在很多方面具有较大的优越性：主电路线路简单，需用的

28、功率元件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小。低速性能好，稳速精度高。因而调速范围宽；系统频带宽，快速响应性能好，动态抗扰能力强；主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率较高；直流电源采用不控三相整流时，电网功率因数高。脉宽调速系统和前面讨论的晶闸管相控整流装置供电的直流调速系统之间的区别主要在主电路和PWM控制电路，至于闭环控制系统以及静、动态特性分析基本上都一样。 1脉宽调制变换器脉宽调制变换器 (1)双极式可逆双极式可逆PWM变换器变换器电枢平均端电压用公式表示为 SonSonSondUTtUTtTUTtU) 12(SdUU /ont 以来定义PWM电压的占空

29、比。则与的关系为 12Tton双极式PWM变换器的特点双极式PWM变换器的优点是：电流一定连续；可使电动机在四象限中运行；电动机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；低速时，每个晶体管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证晶体管可靠导通；低速平稳性好，调速范围可达20 000左右。 双极式PWM变换器的缺点是：在工作过程中，4个电力晶体管都处于开关状态，开关损耗大；而且容易发生上、下两管直通(即同时导通，也称“共态直通”)的事故，降低了装置的可靠性。为了防止上、下两管直通，在一管关断和另一管导通的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。 （2）单极式可逆）单极式可逆PWM变换器变换器 为了克服双极式变换器的上述缺点，对于静、动态性能要求低一些的系统。可采用单极式PWM变换器。其电路图仍和双极式的一样(图5.32)，不同之处仅在于驱动脉冲信号。在单极式变换器中，左边两个管子的驱动脉冲，具有和双极式一样的正负交替的脉冲波形，使VTl和VT2交替导通。右边两管VT3和VT4的驱动信号就不同了，改成因电动机的转向而施加不同的直流控制信号。当希望电动机正转时，使恒为负，恒为正，则VT3截止而VT4常通。希望电动机反转时，使恒为正而恒为负，则VT3常通而VT4截止。 输出平均电压为SSond