伺服系统第4章-直流电动机调速控制系统课件

1、内容提要直流电动机概述直流电动机的单闭环调速系统双闭环直流电动机调速系统直流脉宽调速控制系统 转速、电流双闭环调速系统的工程设计法 伺服控制系统的计算机辅助设计直流电动机概述直流电动机的基本结构 直流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无级调速，故多采用在对电动机的调速性能要求较高的生产设备中。直流电动机的结构如图4-1所示，主要包括三大部分：(1) 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。(2) 转子 又叫电枢，由硅钢片叠压而成，表面

2、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。(3) 电刷与换向片 为使所产生的电磁转矩保持恒定方向，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。 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。电动机转矩平衡方程式 Te=KmIa (4-1) Te

3、=Cm Ia (4-2) Tr=Te-T0=TL (4-3) Te-TL=Jd/dt (4-4) 在实际工程计算中，经常用转速n代替角速度，用飞轮惯量(也称飞轮转矩) DG2代替转动惯量J。与n的关系，DG2与J的关系为 =2n /60 J =m2 = DG2/4g式中 m系统转动部分的质量(Kg)；G 系统转动部分的重力(N)；为系统转动部分的转动惯性半径(m)；D 为系统转动部分的转动惯性直径(m)；G为重力加速度。 将上面两式代入式(4-4) 中，可得 Te-TL= DG2/375 (4-5)式中 GD2转动部分的飞轮矩(Nm)；我们称（Te-TL）为动转矩，动转矩等于零时，系统处于恒转

4、速运行的稳态；动转矩大于零时，系统处于加速运行的过渡过程中；动转矩小于零时，系统处于减速运行的过渡过程中。电动机的电压平衡方程式 E =Ken (4-6) E =Cen (4-7)电动机各个电量的方向，如图4-4所示。 图4-4直流电动机中各电量的参考方向外加电压为U时有 U= E -Ia Ra (4-8)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的平衡关系。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。 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I的表达式 Ia=(U- Cen )/Ra （4-9）由上式可

5、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=U/Ce-R Te/ Ce Cm (4-10)其中Cm=Km，式（4-10）称为电动机的机械特性，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( U/Ce)称为“理想空载转速” ，而n(R Te/ Ce Cm) 称为转速降落。直流电动机的单闭环调速系统调速的定义 直流电动机的调速方法调速指标 单闭环直流调速系统 调速的定义 所谓调速，

6、是指在某一负载下，通过改变电动机或电源参数，来改变机械特性曲线，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，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。直流电动机转速表达式如式（4-10）所示，由该式可知，直流伺服电动机有两种调速方法：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。改变

7、电枢电压U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，最低转速取决于电动机低速时的稳定性。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。调速指标静态调速指标调速范围 静差率 调速范围与静差率的关系 动态调速指标 跟随性能指标 抗扰性能指标 单闭环直流调速系统 单闭环有静差调速系统 单闭环无静差调速系统 单闭环有静差调速系统系统的

8、组成及原理 系统的静特性及静态结构图 系统的反馈控制规律 单闭环调速系统的动态特性 由上可知，为满足调速系统的性能指标，在开环系统的基础上，引入转速负反馈构成单闭环有静差调速系统。在电动机轴上安装一台测速发电机TG，引出与转速成正比的电压信号Ufn，以此作为反馈信号与给定电压信号Un比较，所得差值电压Un，经放大器产生控制电压Uct，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。 反馈控制的闭环调速系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。速度降落正是由负载引起的转速偏差，因而，闭环调速系统能够大大减少转速降落。其调

9、节过程如下：TLnUfnUn(=Un-Ufn)UctUdn 系统的静特性及静态结构图 系统的反馈控制规律 应用比例调节器的闭环控制系统是有静差的控制系统 闭环系统对于给定输入绝对服从 转速闭环系统的抗扰动性能 图4-14标出了各种扰动因素对系统的作用。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：U2Ud0nUfnUnn闭环系统对检测和给定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Ufn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，闭环系统无抑制能力。所以对测速电动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

10、，是决定性的作用。 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开环放大系数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，K值过大时，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。转速闭环调速系统的动态数学模型 直流电动机传递函数 晶闸管触发器和整流器的传递函数 放大器及转速反馈环节，放大器为比例调节器 单闭环调速系统的动态结构图和传递函数转速负反馈单闭环系统的稳定性分析 单闭环无静差调速系统 积分、比例积分控制规律 积分调节器及积分控制规律 比例积分调节器及控制

11、规律 电流截止负反馈环节 带电流截止负反馈环节的单闭环无静差调速系统 双闭环直流电动机调速系统 带电流截止负反馈环节、采用PI调节器的单闭环调速系统，既保证了电动机的安全运行，又具有较好的动、静态性能。然而仅靠电流截止环节来限制起动和升速时的冲击电流，性能并不令人满意，为充分利用电动机的过载能力来加快起动过程，专门设置一个电流调节器，从而构成电流、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。本节介绍双闭环调速系统。转速、电流双闭环调速系统的组成 转速、电流双闭环调速系统的工作原理 转速、电流双闭环调速系统的组成转速、电流双闭环调速系统的工作原理 电流调节环 速

12、度调节环 双闭环系统起动过程分析 双闭环调速系统的动态抗扰动性能 双闭环调速系统中两个调节器的作用 直流脉宽调速控制系统 概述PWM调速系统的控制电路 概述 脉宽调制的理论 不可逆PWM变换器 可逆PWM变换器 PWM伺服系统的开环机械特性 脉宽调制的理论许多工业传动系统都是由公共直流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。由脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）变换器向直流电动机供电的系统

13、称为脉冲宽度调制调速控制系统，简称PWM调速系统。图4-34是脉宽调制型调速控制系统原理图及输出电压波形。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。 图4-35所示的简单不可逆变换器中，电流ia不能反向，因此不能产生制动作用，只能作单象限运行。需要制动时必须具有反向电流ia的通路，因此应该设置控制反向通路的第二个IGBT，如图4-36a)所示。这种电路组成的P

14、WM伺服系统可在一、二两个象限运行。 可逆PWM变换器 可逆PWM变换器电路的结构形式有H型和T型等类，这里主要讨论常用的H型变换器，它是由四个功率管和四个续流二极管组成的桥式电路。如图4-38a)所示，图中功率管选用IGBT。H型电路在控制方式上分双极式、单极式两种工作制。下面着重分析双极式工作制，然后再简述单极式工作制的特点。 双极性可逆PWM变换器 单极式可逆PWM变换器 PWM伺服系统的开环机械特性 PWM调速系统的控制电路 PWM开环传动系统的简单原理图如图4-41所示，其控制电路主要由脉宽调制器、功率开关器的驱动电路和保护电路组成，其中最关键的部件是脉宽调制器。脉宽调制器 集成PW

15、M控制器 脉宽调制器脉宽调制器是一个电压脉冲变换装置。由控制电压Uct进行控制，为PWM变换器提供所需的脉冲信号。脉宽调制器的基本原理是将直流信号和一个调制信号比较，调制信号可以是三角波，也可以是锯齿波。锯齿波脉宽调制器电路如图4-42所示，由锯齿波发生器和电压比较器组成。锯齿波发生器采用最简单的单结晶体管多谐振荡器4-42a)，为了控制锯齿波的线性度，使电容器充电电流恒定，由晶体管VT1和稳压管VST构成恒流源。 集成PWM控制器 系统框图 线路简介 现结合PWM控制电路(图4-44)及PWM主电路原理图(图4-45)，对线路作一简介。 IR2110高性能MOSFET和IGBT驱动集成电路

16、主要设计特点和性能 封装、引脚、功能及用法 工作原理简介 ( IR2110的原理框图见图4-47 ) 应用注意事项 TL494、TL495集成电路及其应用简单介绍 TL494和TL495是美国德克萨斯仪器公司的产品，原是为开关电源设计的脉冲宽度调节器作为双端输出类型的脉冲宽度调制器。国标规定为CW494，图4-49所示为TL494、TL495单片PWM集成电路的等效方框图和管脚排列图。 TL495（CW495）是TL494（CW494）的增强型，其方框电路示于图4-52。它比TL494增加了一个齐纳管VDZ和VZ电压输出端（15脚）。在触发器上设置一个VD输入端并引出作为掌舵控制端（13脚）。

17、其结构为双列直插式18引线。 转速、电流双闭环调速系统的工程设计法 工程设计方法的基本思路 典型系统及其参数与性能指标的关系 电流调节器设计 转速环设计 转速调节器饱和限幅时的超调量和计算 工程设计方法的基本思路一般直流调速系统动态参数的工程设计，包括确定预期典型系统，选择调节器形式，计算调节器参数。设计结果应满足生产机械工艺要求提出的静态与动态性能指标。双闭环直流调速系统是日前直流调速系统中最常用最典型的一种，也是构成各种可逆调速系统或高性能调速装置的核心。因此，双闭环系统的设计具有很重要的实际意义。具有转速反馈和电流反馈的双闭环系统，属于多环控制系统,双环系统的动态结构如图4-55。目前都

18、采用由内向外，一环包围一环的系统结构。每一闭环都设有本环的调节器，构成一个完整的闭环系统。这种结构为工程设计及调试工作带来了极大的方便。设计多环系统的一般方法是由内环向外环，一环一环的设计。对双闭环的调速系统而言，先从内环（电流环）开始，根据电流控制要求，确定把电流环校正往日那种典型系统为哪种典型系统，按照调节对象选择调节器及其参数。设计完电流环之后，就把电流环等效成一个小惯性环节，作为转速环的一个组成部分，然后用同样方法再完成转速环设计。典型系统及其参数与性能指标的关系典型I型系统及其参数与性能指标的关系典型型系统及其参数与性能指标的关系工程设计中的近似处理 典型I型系统及其参数与性能指标的

19、关系典型I型系统I型系统的稳态跟随性能I型系统的动态性能I型系统的典型参数I型系统的频率特性 典型型系统及其参数与性能指标的关系典型型系统 性能指标与参数关系 工程设计中的近似处理高频段小惯性环节的近似处理低频段大惯性环节的近似处理高阶系统的降价处理近似处理的条件 小惯性环节的近似条件 大惯性环节的近似条件 高阶系统的降阶处理条件 电流调节器设计 电流调节器ACR 电流环动态结构图 电流调节器参数和电流闭环传递函数 电流环校正为典型I型系统 电流环校正为典型型系统 电流调节器ACR电流环动态结构图电流调节器参数和电流闭环传递函数转速环设计 转速调节器ASR结构的选择 ASR及其参数选择 转速调

20、节器饱和限幅时的超调量和计算 伺服控制系统的计算机辅助设计伺服控制系统计算机辅助设计的基本原理 MATLAB/SIMULINK在伺服控制系统CAD中的应用 MATLAB的一些工具箱函数简介 运用MATLAB的SIMULINK仿真 练习和思考题 4-1什么叫调速范围？什么叫静差率？调速范围、静态速降和最小静差率有什么关系？4-2某调速系统的调速范围是（1501500）r/min，即D=10，要求静差率S=3%，此时系统允许的静态速降是多少？如果开环系统的静态速降是100r/min,闭环系统的开环放大系数 应有多大？4-3直流伺服电动机的调速方案有几种？各有什么特点？4-4直流伺服调速系统当改变其

21、给定电压时能否改变电动机的转速？为什么？若给定电压不变，改变反馈系数的大小，能否改变转速，为什么？4-5如果转速负反馈系统的反馈信号线断线（或者反馈信号的极性接反）在系统运行中或起动时会有什么结果？4-6给定电源和反馈检测元件的精度是否对闭环调速系统的稳态精度有影响？为什么？4-7有一晶闸管直流电动机伺服调速系统，已知： 求 1）系统开环工作时，试计算D=30时的S值； 2）当D=30、S=10%时，计算系统允许的静态速降；3）取转速负反馈有静差系统，仍要在时使电动机在额定点工作，并保持系统的开环放大系数不变，求D=30时系统的静差率。4-8为什么用积分控制的调速系统是无静差的？积分调节器输入偏差电压时， 输出电压是多少？4-9某调速系统已知数据如下：电动机：整流电路为三相桥式，调节器为比例调节器，输入电阻。当主电路电流为最大时，电流检测输出电压为8V，最大给定电压