直流电动机调速控制系统课件

直流電動機調速控制系統直流電動機概述

直流電動機的基本結構

直流電動機具有良好的啟動、制動和調速特性，可很方便地在寬範圍內實現無級調速，故多採用在對電動機的調速性能要求較高的生產設備中。直流電動機的結構如圖4-1所示，主要包括三大部分：(1)定子定子磁極磁場由定子的磁極產生。根據產生磁場的方式，可分為永磁式和他激式。永磁式磁極由永磁材料製成，他激式磁極由衝壓矽鋼片疊壓而成，外繞線圈，通以直流電流便產生恒定磁場。(2)轉子又叫電樞，由矽鋼片疊壓而成，表面嵌有線圈，通以直流電時，在定子磁場作用下產生帶動負載旋轉的電磁轉矩。(3)電刷與換向片為使所產生的電磁轉矩保持恒定方向，轉子能沿固定方向均勻地連續旋轉，電刷與外加直流電源相接，換向片與電樞導體相接。永磁直流伺服電動機及工作原理

在伺服系統中使用的直流伺服電動機，按轉速的高低可分為兩類：高速直流伺服電動機和低速大扭矩寬調速電動機。目前在數控機床進給驅動中採用的直流電動機主要是70年代研製成功的大慣量寬調速直流伺服電動機。這種電動機分為電勵磁和永久磁鐵勵磁兩種，但占主導地位的是永久磁鐵勵磁式(永磁式)電動機。圖4-2是其基本原理的示意圖。電動機轉矩平衡方程式

Te=KmIa(4-1)Te=CmIa(4-2)Tr=Te-T0=TL(4-3)

Te-TL=Jdω/dt

(4-4)在實際工程計算中，經常用轉速n代替角速度ω，用飛輪慣量(也稱飛輪轉矩)DG2代替轉動慣量J。ω與n的關係，DG2與J的關係為

ω=2πn/60

J=mρ2=

DG2/4g式中m－系統轉動部分的品質(Kg)；G

－系統轉動部分的重力(N)；ρ－為系統轉動部分的轉動慣性半徑(m)；D

－為系統轉動部分的轉動慣性直徑(m)；G－為重力加速度。將上面兩式代入式(4-4)中，可得

Te-TL=DG2/375(4-5)式中GD2－轉動部分的飛輪矩(N·m)；我們稱（Te-TL）為動轉矩，動轉矩等於零時，系統處於恒轉速運行的穩態；動轉矩大於零時，系統處於加速運行的過渡過程中；動轉矩小於零時，系統處於減速運行的過渡過程中。電動機的電壓平衡方程式

E=Keφn(4-6)

E=Cen(4-7)電動機各個電量的方向，如圖4-4所示。

圖4-4直流電動機中各電量的參考方向外加電壓為U時有

U=

E-Ia

Ra

(4-8)上式就是直流電動機的電壓平衡方程式。它表明了外加電壓與反電動勢及電樞內阻壓降的平衡關係。或者說，外加電壓一部分用來抵消反電動勢，一部分消耗在電樞電阻上。

電動機轉速與轉矩的關係如果把E=Cen代入式(4-8)，便可得出電樞電流I的運算式

Ia=(U-Cen)/Ra（4-9）由上式可見，直流電動機和一般的直流電路不一樣，它的電流不僅取決於外加電壓和自身電阻，並且還取決於與轉速成正比的反電動勢(當φ為常數)。將式(4-1)代入(4-9)式，可得

n=U/Ce-RTe/CeCm(4-10)其中Cm=Kmφ，式（4-10）稱為電動機的機械特性，它描述了電動機的轉速與轉矩之間的關係。圖4-5是機械特性曲線族。在這一曲線族中，不同的電樞電壓對應於不同的曲線，各曲線是彼此平行的。n0(U/Ce)稱為“理想空載轉速”，而⊿n(RTe/CeCm)稱為轉速降落。直流電動機的單閉環調速系統調速的定義

直流電動機的調速方法調速指標

單閉環直流調速系統

調速的定義

所謂調速，是指在某一負載下，通過改變電動機或電源參數，來改變機械特性曲線，從而使電動機轉速發生變化或保持不變。即調速包含兩方面，其一、在一定範圍內“變速”，如圖4-6所示，當電動機負載不變時，轉速可由na變到nb或nc。其二保持“穩速”，在某一速度下運行的生產機械受到外界干擾（如負載增加），為了保證電動機工作速度不受干擾的影響而下降，需要進行調速，使速度接近或等於原來的轉速，如圖4-6中nd即為負載由T1增加至T2後的速度，與na基本一致。直流電動機轉速運算式如式（4-10）所示，由該式可知，直流伺服電動機有兩種調速方法：調節電樞電壓Ud及改變電樞附加電阻R。

兩種調速方法的機械特性如圖4-7所示。改變電樞電壓U所得的機械特性是一組平行變化的曲線[圖4-7a)]，採用此種方法，一般在額定轉速以下調速，最低轉速取決於電動機低速時的穩定性。具有調速範圍寬，機械特性硬，動態性能好的特點。在連續改變電樞電壓時，能實現無級平滑調速，是目前主要調速方法之一。改變電樞電阻即在電樞回路串接不同附加電阻，以調節轉速。觀察圖4-7b）發現，外接電阻越大，電阻功耗越大，特性越軟，穩定性越差，是有級調速。此法在實際中已很少應用。調速指標靜態調速指標調速範圍靜差率調速範圍與靜差率的關係動態調速指標跟隨性能指標抗擾性能指標單閉環直流調速系統

單閉環有靜差調速系統單閉環無靜差調速系統單閉環有靜差調速系統系統的組成及原理系統的靜特性及靜態結構圖系統的回饋控制規律單閉環調速系統的動態特性由上可知，為滿足調速系統的性能指標，在開環系統的基礎上，引入轉速負回饋構成單閉環有靜差調速系統。在電動機軸上安裝一臺測速發電機TG，引出與轉速成正比的電壓信號Ufn，以此作為回饋信號與給定電壓信號Un比較，所得差值電壓⊿Un，經放大器產生控制電壓Uct，用以控制電動機轉速，從而構成了轉速負回饋調速系統，其控制原理圖如圖4-12所示。回饋控制的閉環調速系統是按被調量的偏差進行控制的系統，只要被調量出現偏差，它就會自動產生糾正偏差的作用。速度降落正是由負載引起的轉速偏差，因而，閉環調速系統能夠大大減少轉速降落。其調節過程如下：TL↑→n↓→Ufn↓→⊿Un(=Un-Ufn)↑→Uct↑→Ud↑→n↑

系統的靜特性及靜態結構圖系統的回饋控制規律

應用比例調節器的閉環控制系統是有靜差的控制系統閉環系統對於給定輸入絕對服從轉速閉環系統的抗擾動性能圖4-14標出了各種擾動因素對系統的作用。現以交流電源電壓波動為例，定性說明閉環系統對擾動作用的抑制過程：U2↓→Ud0↓→n↓→Ufn↓→⊿Un↑→n↑閉環系統對檢測和給定本身的擾動無抑制能力，若測速發電機磁場不穩定，引起回饋電壓Ufn變化，使轉速偏離原值，這種由測速發電機本身誤差引起的轉速變化，閉環系統無抑制能力。所以對測速電動機選擇及安裝必須特別注意，確保回饋檢測元件的精度是對閉環系統的穩速精度至關重要的，是決定性的作用。

單閉環調速系統的動態特性

在單閉環有靜態差調速系統中，引入轉速負回饋且有了足夠大開環放大係數K後，就可以滿足系統的穩態性能要求。由自動控制理論可知，K值過大時，會引起閉環系統的不穩定，須採取校正措施才能使系統正常工作。另外，系統還必須滿足各種動態性能指標。為此，必須進一步分析系統的動態特性。轉速閉環調速系統的動態數學模型直流電動機傳遞函數晶閘管觸發器和整流器的傳遞函數放大器及轉速回饋環節，放大器為比例調節器單閉環調速系統的動態結構圖和傳遞函數轉速負回饋單閉環系統的穩定性分析單閉環無靜差調速系統

積分、比例積分控制規律積分調節器及積分控制規律比例積分調節器及控制規律電流截止負回饋環節帶電流截止負回饋環節的單閉環無靜差調速系統雙閉環直流電動機調速系統

帶電流截止負回饋環節、採用PI調節器的單閉環調速系統，既保證了電動機的安全運行，又具有較好的動、靜態性能。然而僅靠電流截止環節來限制起動和升速時的衝擊電流，性能並不令人滿意，為充分利用電動機的超載能力來加快起動過程，專門設置一個電流調節器，從而構成電流、轉速雙閉環調速系統，實現在最大電樞電流約束下的轉速過渡過程最快的“最優”控制。本節介紹雙閉環調速系統。轉速、電流雙閉環調速系統的組成

轉速、電流雙閉環調速系統的工作原理

轉速、電流雙閉環調速系統的組成轉速、電流雙閉環調速系統的工作原理

電流調節環速度調節環雙閉環系統起動過程分析雙閉環調速系統的動態抗擾動性能雙閉環調速系統中兩個調節器的作用直流脈寬調速控制系統

概述PWM調速系統的控制電路

概述

脈寬調製的理論

不可逆PWM變換器可逆PWM變換器

PWM伺服系統的開環機械特性脈寬調製的理論許多工業傳動系統都是由公共直流電源或蓄電池供電的。在多數情況下，都要求把固定的直流電源電壓變換為不同的電壓等級，例如地鐵列車、無軌電車或由蓄電池供電的機動車輛等，它們都有調速的要求，因此，要把固定電壓的直流電源變換為直流電動機電樞用的可變電壓的直流電源。由脈衝寬度調製（PulseWidthModulation）變換器向直流電動機供電的系統稱為脈衝寬度調製調速控制系統，簡稱PWM調速系統。圖4-34是脈寬調製型調速控制系統原理圖及輸出電壓波形。不可逆PWM變換器

圖4-35是簡單的不可逆PWM變換器的主電路原理圖，它實際上就是所謂的直流斬波器。電源Us一般由不可控整流電源提供，採用大電容濾波，脈寬調製器的負載為電動機電樞，它可被看成電阻—電感—反電動勢負載。二極體在功率管IGBT關斷時為電樞回路提供釋放電感儲能的續流回路。

圖4-35所示的簡單不可逆變換器中，電流ia不能反向，因此不能產生制動作用，只能作單象限運行。需要制動時必須具有反向電流—ia的通路，因此應該設置控制反向通路的第二個IGBT，如圖

4-36a)所示。這種電路組成的PWM伺服系統可在一、二兩個象限運行。可逆PWM變換器

可逆PWM變換器電路的結構形式有H型和T型等類，這裏主要討論常用的H型變換器，它是由四個功率管和四個續流二極體組成的橋式電路。如圖4-38a)所示，圖中功率管選用IGBT。H型電路在控制方式上分雙極式、單極式兩種工作制。下麵著重分析雙極式工作制，然後再簡述單極式工作制的特點。

雙極性可逆PWM變換器單極式可逆PWM變換器PWM伺服系統的開環機械特性PWM調速系統的控制電路

PWM開環傳動系統的簡單原理圖如圖4-41所示，其控制電路主要由脈寬調製器、功率開關器的驅動電路和保護電路組成，其中最關鍵的部件是脈寬調製器。脈寬調製器集成PWM控制器脈寬調製器脈寬調製器是一個電壓—脈衝變換裝置。由控制電壓Uct進行控制，為PWM變換器提供所需的脈衝信號。脈寬調製器的基本原理是將直流信號和一個調製信號比較，調製信號可以是三角波，也可以是鋸齒波。鋸齒波脈寬調製器電路如圖4-42所示，由鋸齒波發生器和電壓比較器組成。鋸齒波發生器採用最簡單的單結晶體管多諧振蕩器4-42a)，為了控制鋸齒波的線性度，使電容器Ｃ充電電流恒定，由電晶體VT1和穩壓管VST構成恒流源。集成PWM控制器系統框圖線路簡介現結合PWM控制電路(圖4-44)及PWM主電路原理圖(圖4-45)，對線路作一簡介。IR2110高性能MOSFET和IGBT驅動積體電路主要設計特點和性能封裝、引腳、功能及用法工作原理簡介(IR2110的原理框圖見圖4-47)

應用注意事項TL494、TL495積體電路及其應用簡單介紹TL494和TL495是美國德克薩斯儀器公司的產品，原是為開關電源設計的脈衝寬度調節器作為雙端輸出類型的脈衝寬度調製器。國標規定為CW494，圖4-49所示為TL494、TL495單片PWM積體電路的等效方框圖和管腳排列圖。TL495（CW495）是TL494（CW494）的增強型，其方框電路示於圖4-52。它比TL494增加了一個齊納管VDZ和VZ電壓輸出端（15腳）。在觸發器上設置一個VD輸入端並引出作為掌舵控制端（13腳）。其結構為雙列直插式18引線。轉速、電流雙閉環調速系統的工程設計法

工程設計方法的基本思路

典型系統及其參數與性能指標的關係

電流調節器設計

轉速環設計

轉速調節器飽和限幅時的超調量和計算

工程設計方法的基本思路一般直流調速系統動態參數的工程設計，包括確定預期典型系統，選擇調節器形式，計算調節器參數。設計結果應滿足生產機械工藝要求提出的靜態與動態性能指標。雙閉環直流調速系統是日前直流調速系統中最常用最典型的一種，也是構成各種可逆調速系統或高性能調速裝置的核心。因此，雙閉環系統的設計具有很重要的實際意義。具有轉速回饋和電流回饋的雙閉環系統，屬於多環控制系統,雙環系統的動態結構如圖4-55。目前都採用由內向外，一環包圍一環的系統結構。每一閉環都設有本環的調節器，構成一個完整的閉環系統。這種結構為工程設計及調試工作帶來了極大的方便。設計多環系統的一般方法是由內環向外環，一環一環的設計。對雙閉環的調速系統而言，先從內環（電流環）開始，根據電流控制要求，確定把電流環校正往日那種典型系統為哪種典型系統，按照調節對象選擇調節器及其參數。設計完電流環之後，就把電流環等效成一個小慣性環節，作為轉速環的一個組成部分，然後用同樣方法再完成轉速環設計。典型系統及其參數與性能指標的關係典型I型系統及其參數與性能指標的關係典型Ⅱ型系統及其參數與性能指標的關係工程設計中的近似處理

典型I型系統及其參數與性能指標的關係典型I型系統I型系統的穩態跟隨性能I型系統的動態性能I型系統的典型參數I型系統的頻率特性

典型Ⅱ型系統及其參數與性能指標的關係典型Ⅱ型系統性能指標與參數關係工程設計中的近似處理高頻段小慣性環節的近似處理低頻段大慣性環節的近似處理高階系統的降價處理近似處理的條件小慣性環節的近似條件大慣性環節的近似條件高階系統的降階處理條件電流調節器設計

電流調節器ACR電流環動態結構圖電流調節器參數和電流閉環傳遞函數電流環校正為典型I型系統電流環校正為典型Ⅱ型系統電流調節器ACR電流環動態結構圖電流調節器參數和電流閉環傳遞函數轉速環設計

轉速調節器ASR結構的選擇ASR及其參數選擇轉速調節器飽和限幅時的超調量和計算

伺服控制系統的電腦輔助設計伺服控制系統電腦輔助設計的基本原理

MATLAB/SIMULINK在伺服控制系統CAD中的應用

MATLAB的一些工具箱函數簡介

運用MATLAB的SIMULINK仿真

練習和思考題

4-1．什麼叫調速範圍？什麼叫靜差率？調速範圍、靜態速降和最小靜差率有什麼關係？4-2．某調速系統的調速範圍是（150~1500）r/min，即D=10，要求靜差率S=3%，此時系統允許的靜態速降是多少？如果開環系統的靜態速降是100r/min,閉環系統的開環放大係數應有多大？4-3．直流伺服電動機的調速方案有幾種？各有什麼特點？4-4．直流伺服調速系統當改變其給定電壓時能否改變電動機的轉速？為什麼？若給定電壓不變，改變回饋係數的大小，能否改變轉速，為什麼？4-5．如果轉速負回饋系統的回饋信號線斷線（或者回饋信號的極性接反）在系統運行中或起動時會有什麼結果？4-6．給定電源和回饋檢測元件的精度是否對閉環調速系統的穩態精度有影響？為什麼？4-7．有一晶閘管直流電動機伺服調速系統，已知：求1）系統開環工作時，試計算D=30時的S值；

2）當D=30、S=10%時，計算系統允許的靜態速降；3）取轉速負回饋有靜差系統，仍要在時使電動機在額定點工作，並保持系統的開環放大係數不變，求D=30時系統的靜差率。4-8．為什麼用積分控制的調速系統是無靜差的？積分調節器輸入偏差電壓時，輸出電壓是多少？4-9．某調速系統已知數據如下：電動機：整流電路為三相橋式，調節器為比例調節器，輸入電阻。當主電路電流為最大時，電流檢測輸出電壓為8V，最大給定電壓=10V，調速系統的指標：D=40，S〈10%，電流截止環節：堵轉電流，截止電流。系統如圖4-86所示，試在圖中標明給定電壓和回饋電壓的極性，並計算轉速回饋係數；畫出系統的靜態結構圖；求出滿足調速指標要求的系統開環放大倍數；計算放大器的比例放大倍數值；確定值。4-10．在單閉環轉速負回饋調速係數中，若引入電流負回饋環節，對系統的靜特性有何影響？4-11．PI調節器與I調節器在電路中有何差異？它們輸出特性有何不同？為什麼用PI調節器或I調節器構成的系統是無靜差系統？4-12．若要改變雙閉環系統的轉速應調節什麼參數，若要改變系統起動電流應調節什麼參數？改變這些參數能否改變電動機的負載？4-13．雙閉環調速系統起動過程的恒流升速階段，兩個調節器各起什麼作用？如果認為電流調節器起電流恒值調節作用，而轉速調節器因不飽和不起作用？對嗎？為什麼？4-14．雙閉環調速系統中兩個調節器的輸出限幅值應如何整定？穩態運行時，兩個調節器的輸入、輸出電壓各為多少？4-15．試分析雙閉環系統在穩定運行時，如果電流回饋信號線突然斷線，系統是否仍然能正常工作。如果電動機突然失磁，最終是否會出現電動機飛車。4-16．某雙閉環調速系統，ASR，ACR均採用PI調節器，求1）調試中怎樣才能做到時；欲使時，應調什麼參數？2）試畫出整個調速系統關係曲線。當α增大曲線如何變化？3）系統的下垂特性呈什麼形狀？4）如下垂段特性不夠陡或工作段特性不夠硬，應調什麼參數？4-17．試從靜特性，動態限流特性，啟動快速性；抗負載擾動性能，抗電源電壓波動等方面比較雙閉環調速系統和帶電流截止回饋的單環系統。4-18．在直流調速系統中，閉環數是不是越多越好，環的個數受何限制？4-19．從系統組成、功用、工作