步进电动机的控制.ppt

1、6 常用驱动器及其控制,6.1 步进电机开环位置控制系统 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，也称脉冲电动机。步进电动机是一种受脉冲信号控制的无刷式直流电动机，也可看作在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的同步电动机。 6.1.1 步进电机的工作原理 步进电机是按电磁吸引的原理工作，现以反应式步 进电机为例说明其工作原理。,6.1.1.1 三相三拍或单三拍方式,图61 三相反应式步进电机单三拍工作原理,6.1.1.2 三相六拍工作方式,图62 三相反应式 步进电机三相六拍工作原理,6.1.1.3 双三拍工作方式,由于前述的单三拍通电方式每次定子绕组只有一相通电，且在切换

2、瞬间失去自锁转矩，容易产生失步，而且，只有一相绕组产生力矩吸引转子，在平衡位置易产生振荡，故在实际工作过程中多采用双三拍工作方式，即定子绕组的通电顺序为ABBCCAAB或ACBCCA，前一种通电顺序按逆时针旋转，后一种通电顺序按顺时针旋转，此时有两对磁极同时对转子的两对齿进行吸引，每步仍然旋转30。由于在步进电机工作过程中始终保持有一相定子绕组通电，所以工作比较平稳。,实际上步进电机的转子的齿数很多，因为齿数越多步距角越小。为了改善运行性能，定子磁极上也有齿，这些齿的齿距与转子的齿距相同，但各极的齿依次与转子的齿错开齿距的1/m（m为电机相数）。这样，每次定子绕组通电状态改变时，转子只转过齿距

3、的1/m（如三相三拍）或1/2m（如三相六拍）即达到新的平衡位置。如图63所示。,6.1.2步进电机的主要特性,6.1.2.1 步距角及其精度 步距角可按下式计算 ： (度) 式中： m定子相数； z转子齿数； k通电系数，若连续两次通电相数相同为1，若不 同则为2。,6.1.2.2 矩角特性和最大静转矩,如果在电机轴上施加一个负载转矩，转子会在载荷方向上转过一个角度，转子因而受到一个电磁转矩T的作用与负载平衡，该电磁转矩T 称为静态转矩，该角度称为失调角。步进电动机单相通电的静态转矩T随失调角的变化曲线称为矩角特性，如图 6-4所示。,图64步进电动机的矩角特性,6.1.2.3 启动转矩Tq

4、和启动频率 fq,图 6-5是三相步进电动机的各相矩角特性。图中相邻两条曲线的交点所对应的静态转矩是电机运行状态的最大启动转距Mq，当负载力矩小于Mq时，步进电动机才能正常启动运行，否则将会造成失步。,空载时，步进电动机由静止突然启动、并进入不丢步的正常运行状态所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。空载启动时，步进电动机定子绕组通电状态变化的频率不能高于启动频率。原因是频率越高，电机绕组的感抗（ ）越大，使绕组中的电流脉冲变尖，幅值下降，从而使电机输出力矩下降。 一般说来，步进电动机的启动频率远低于其最高运行频率，很难满足对其直接进行启动和停止的要求，因此要利用软件进行加减速控制，又称分段

5、加减速启动或停止，即在启动时使其运行频率分段逐渐升高，停止时使其运行频率分段逐渐降低。,6.1.2.4 运行矩频特性,运行矩频特性是描述步进电动机在连续运行时，输出转矩与连续运行频率之间的关系。它是衡量步进电动机运转时承载能力的动态指标，如图66所示。,6.1.3 步进电机的结构类型,步进电机有许多的结构类型，主要是根据相数、结构和工作原理进行分类。 6.1.3.1 根据相数分类 我国数控机床中采用的步进电机有三、四、五、六相等几种，因为相数越多，步距角越小，而且还可采用多相通电，提高步进电机的输出转矩。 根据前面分析，步进电机的通电方式一般采用m相和2m相通电方式，在m相和2m相通电方式中，

6、除采用一、二相通电转换外，还可采用二三相转换通电，如五相步进电机，各相用A、B、C、D、E表示，其五相十拍的二三相转换方式为： ABABCBCBCDCDCDEDEDEAEAEAB。,6.1.3.2. 根据工作原理分类,步进电机是采用定子与转子间电磁吸合原理工作。根据磁场建立方式，主要可分为反应式和永磁感应式两类。 反应式步进电机的转子有多相磁极，而转子用软磁材料制成。永磁感应式的定子结构与反应式相似，但转子用永磁材料制成，这样可提高电机的输出转矩，减少定子绕组的电流。 6.1.3.3 根据结构分类 步进电机可制成轴向 单段式和多段式。,6.1.4步进电机的环行分配器,步进电机的驱动控制由环行分

7、配器和功率放大器组成。环行分配器的主要功能是是将数控装置的插补脉冲，按步进电机所要求的规律分配给步进电机的驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的通断、运行及换向。当步进电机在一个方向上连续运行时，其各相通断或脉冲分配是一个循环，因此称为环行分配器。 环行分配器的功能可用硬件或软件的方法来实现，分别称为硬件环行分配器和软件环行分配器。,6.1.4.1 硬件环行分配器,硬件环行分配器的种类很多，它可由D触发器或JK触发器构成，亦可采用专用集成芯片或通用可编程逻辑器件。 对于采用D触发器或JK触发器构成的硬件环行分配器，如三相六拍正反相环行分配器。其设计过程可分为以下几个步骤： (1)列出环行分配器

8、的输出状态表 (2)写出各相控制逻辑方程 在环行分配器的运行过程中，总是用上一拍的状态去控制下一拍的输出，因此观察表61，同时用X，表示正反向控制信号，则可得到下列逻辑表达式：,6.1.4.1 硬件环行分配器,在环行分配器的运行过程中，总是用上一拍的状态去控制下一拍的输出，因此观察表61，同时用X，表示正反向控制信号，则可得到下列逻辑表达式：,表61 三相六拍,6.1.4.1 硬件环行分配器,若采用图68中的JK触发器（相当于反D逻辑），同时考虑硬件清零，令C相通电作为初始状态，则将C相接在触发器的端，上面的逻辑表达式可改写为：,图68步进电机的三相六拍硬件环形分配器原理图,6.1.4.2 软

9、件环行分配器,软件环行分配器的设计方法有多种，如查表法、比较法、移位寄存器法等，最常用的是查表法。下面以三相反应式步进电机的环行分配器为例，说明查表法软件环行分配器的工作原理。 首先结合驱动电源线路，按步进电机励磁状态转换表求出所需的环行分配器输出状态表（输出状态表与状态转换表相对应），将其存入内存EPROM中。,如图6-9为两坐标步进电机伺服进给系统框图。X相和Z相的三相定子绕组分别为A、B、C相和a、b、c相，分别经各自的放大器、光电耦合器与计算机的PIO（并行输入/输出接口）的PA0PA5相连。 环行分配器的输出状态如表6-2所示，表中的内容即步进电机的励磁状态，与接口的接线紧密相关。然

10、后编写程序，根据步进电机的运转方向按表地址的正向或反向，顺序依次取出地址的内容并输出，即依次输出表示步进电机各个励磁状态的二进制数，则电机就正转或反转运行。每次步进电机运行时，都要调用该数据并输入电机运行的方向。,图69两坐标步进电机伺服进给系统框图,6.1.5 功率放大器,功率驱动器最早采用单电压驱动电路，后来出现了双电压（高电压）驱动电路、斩波电路、调频调压和细分电路等 6.1.5.1 单电压驱动电路 单电压驱动电路的工作原理如图6-10所示。L为步进电机励磁绕组的电感，Ra为绕组电阻串接一电阻Rc，以减小回路的时间常数L/（Ra+Rc），电阻 Rc并联一电容C（可提高负载瞬间电 流的上升

11、率），从而提高电机的 快速响应能力和启动性能。续流二 极管VD和阻容吸收回路RC，是功率 管VT的保护线路。,6.1.5.2 高低电压驱动电路,高低电压驱动电路的特点是给步进电机绕组的供电有高低两种电压，高压由电机参数和晶体管的特性决定，一般为80V或更高；低压即步进电机的额定电压，一般为几伏，不超过20V。 图611为高低压 供电切换线路的工作原 理图。该电路由功率放 大级、前置放大器和单 稳延时电路组成。二级 管 起高低压隔离的作 用， 和 构成高压放 大电回路。,6.1.5.3 斩波恒流功率放大电路,斩波恒流功率放大电路是利用直流斩波器将步进电机的电流设定在给定值上，图612为斩波恒流放

12、大电路原理。,图612 斩波恒流驱动功放原理,6.1.5.3 斩波恒流功率放大电路,图613是一个使用SLA7026M模块构成的四相步进电机功率驱动电路。,图613 SLA7026M斩波恒功率动电路,6.1.6 步进电机的单片机控制,在步电机的单片机控制系统中，以软件代替环形脉冲分配器。各相脉冲输出可以由并行口直接控制。图614为由8031的P1口构成的四相步进电机控制系统。为了加强系统抗干扰性能，驱动电路与单片机的接口部分使用了光电隔离。,R1R4=100/10W，R5R8=25/40W，R9R12=120/0.5W， R13R16=1K/0.25W，T1T4=2SD798，D1D4=IN4

13、004,图614 步进电机控制电路,6.1.6 步进电机的单片机控制,通常控制程序设计通常可选择的方法有三种，即寄存器移位法、立即数法和查表法，其中查表法比较通用。如上的四相步进电机采用四相八拍工作方式，则正向旋转各相绕组的通电顺序和P1口对应的输出状态为： 通电绕组：A ABBBCCCDDDAA P1口状态：01H03H02H06H04H0CH08H09H01H 反向旋转时： 通电绕组：A ADDDCCCBBBAA P1口状态：01H 09H08H0CH04H06H02H03H01H,6.1.6 步进电机的单片机控制,若以定时器T0方式1中断作为运行频率控制，8031的石英晶体振荡频率为12

14、M，则步进电机工作频率为100Hz时，即10ms中断一次，则计数器初值X计算如下： 因而，X=55536=D8F0H。若以R0作为通电的节拍计数，以00H位作為方向，则控制程序如下：,6.2 直流电动机的调速,直流电动机调速控制分为单相传动、三相传动、直流斩波传动和脉宽调制。 6.2.1 直流电机的机械特性和调速指标 按照激磁方式的不同，直流电动机有电磁式和永磁式两类。其中，电磁式有他激式、并激式和串激式三种。 6.2.1.1 直流电动机的机械特性,6.2.1.1 直流电动机的机械特性,直流电动机电枢回路的电压平衡方程式为： (6-2) 式中： 电动机电枢回路的总电阻，； 电动机电枢回路的端电

15、压，V； 电动机电枢绕组的感应电动势，V； 电动机电枢回路的电流，A。 当磁通恒定时，电枢绕组的感应电动势与转速成正，则： (63) 式中： 电势常数； 电动机转速，r/min。 单位转速时所产生的电势， V/(r/min)； 电动机的电磁转矩为： (64) 式中： 转矩常数； 单位电流所产生的转距， N.m/A； 电动机的电磁转矩，N.m。,6.2.1.1 直流电动机的机械特性,将式（62）、(63)、(64)联立求解，即可得出直流伺服电动机的转速公式。 (65) 在式（65）中，当 时的转速 称为理想空载转速。 直流电机的机械特性方程式（65）即是它的调速公式，由该式可知，改变电枢电路电阻

16、 ，外加电压 和磁通 三者之一中的任一个参数就可改变其机械特性，从而改变电动机的稳定速度。因此，直流电动机的基本调速方式有三种，即调节电阻 、调节电枢电压 和调节磁通 的值。 在式（65）中，若将电枢回路的电阻串联一个可变电阻，则得该调速方式的机械特性方程式为 (6-6),6.2.1.1 直流电动机的机械特性,若改变电枢电压，则得到调节电枢电压的调速方程式为 (6-7) 同样可以得到调磁方式的直流电机调速方程式为 (6-8) 由式（65）（67）可以得到直流电动机的机械特性曲线和各种调速方式的调速曲线如图616所示。 (a) (b) (c) (d) 图 416 直流电动机的调速特性 (a)他激

17、电动机的机械特性；(b) 改变电枢电阻时的机械特性； (c)改变电枢电压时的机械特性；（d） 改变磁通时的机械特性,6.2.1.2 直流电动机的过渡过程,当电动机的转矩或外负载发生变化时，电动机就要由一个稳定状态变化到另一个稳定运行状态，这个变化过程称为电动机的过渡过程。 在图615中，若设激磁线圈的磁通为常量，则其电枢回路的暂态方程式为 (6-9) 电动力学方程式为 (6-10) 式中:J 转子轴系的转动惯量， 电动机外负载； B 电动机的阻尼系数； 电动机的瞬时电磁转矩。,6.2.1.2 直流电动机的过渡过程,将式(69)、(610)进行拉普拉氏变换，得 若忽略外负载 ，则可求得直流电动机

18、不同作用和不同输出之间的传递函数为 上式中由于电动机转子电感 较小，所以忽略与电感有关的各项，则 (6-11) 其中： 同理可求得： (6-12) 式中： 电动机的机械时间常数， 电动机的刚度系数，,6.2.1.2 直流电动机的过渡过程,电流对电压的传递函数为： (6-13) 其中： 则可以求出式（611）和（612）对阶跃U的响应为 (6-14) (6-15) 式中： 理想空载转速； 起动电流。,6.2.1.3 调速系统的技术指标,调速系统的方案选择和设计主要是根据生产机械对调速系统提出 的调速系统技术指标决定的。技术指标包括静态指标和动态指标。 调速范围 在额定负载时，电动机的最高转速与最

19、低转速之比称为调速范围，即 (6-16) 式中： 电动机的最低转速，r/min； 电动机的最高转速，在调速设计时，通常将最高转速 视为电动机的额定转速 , r/min 。 静差率 电动机由理想空载增加到额定负载时，对应的转速下降与理想空载转速之比称为静差率，即 (6-17) 或用百分比表示为 (6-18),6.2.1.3 调速系统的技术指标,生产过程对调速系统静差率的要求是相对最低转速而言，因为当调速系统的机械特性硬度一定时，即额定负载下的转速降一定时，由式（617）可知，静差率随理想空载转速的降低而降低，而转速降的相对值增大。因此，调速系统的调速范围D越大，最低理想空载转速降得越低，系统的静

20、差率就越大。可见调速范围D、静差率S和额定转速降三者之间相互关联，相互影响。它们之间的关系为 (6-19),6.2.1.3 调速系统的技术指标,(2) 动态技术指标 由现代控制理论可知，调速系统的动态技术指标主要有系统阶跃响应的过渡过程时间、最大超调量和振荡次数等，是衡量系统过渡过程品质好坏的技术指标。图617是二阶系统的阶跃响应过渡过程。 过渡过程时间 从输入（或扰动）作用于系统开始，到超调量进入(0.050.02)n稳定值区间为止，并且以后不再超出这个范围的一段时间，称为过渡过程时间，用符号T表示。,6.2.1.3 调速系统的技术指标, 最大超调量 最大超调量定义为 (6-20) 超调量太

21、大，达不到生产工艺上的要求；超调量过小，则会使过渡过程时间增大。因此，在调速系统设计时要综合考虑，一般在1030。 振荡次数 振荡次数是指在过渡过程时间内，超调量在其稳定值上下摆动的次数。图617所示的曲线振荡次数为2。,6.2.2 相控变流的直流电动机调速系统,相控变流器一般分为单相变流器和三相变流器。对于特定用途的变流器，要按以下几个指标来选择：可供使用的电源，传递的额定功率和可容许的电压脉动量，是可逆还是不可逆的，以及是否需要再生等。 按变流器的变流过程的控制形式，可分为半控变流器和全控变流器。由二极管和晶闸管组成的变流器为半控变流器，而仅由晶闸管组成的变流器为全控变流器。 半控变流器是

22、一象限变流器，即在其直流端上只有一种电压和电流极性。全控变流器是二象限变流器，其极性是可逆的，但由于晶闸管的单向导电性，故其电流方向仍然是单一极性的。双重变流器能实现四象限工作。在直流端头用反向开关的情况下，半控变流器可以实现二象限运行，而全控变流器则可以在四象限运行。,6.2.2.1单相相控直流电动机调速控制,这里我们研究用于他激和串激直流电动机单相传动的工作特性。 (1)工作特性参数 转矩转速特性曲线 这一特性表明了电动机转速随转矩的变化关系，用传动系统不同的转差率表示。 电动机电流特性 电动机电流可能是连续的，也可能是断续的。这会影响传动的静差率和动态响应。 电动机电枢电流平均值 电动机

23、的平均电流 定义如下 (6-21) 电动机电枢电流中所产生的热量正比于该电流的平方，故 称为电动机电流的发热分量。 电动机电枢电流的峰值 直流电动机的换向能力取决于电枢电流的峰值 ，故 称之为电动机的换向分量。,6.2.2.1单相相控直流电动机调速控制, 功率因数PF （623） 若电源电压为无畸变的正弦波，即只有输入电流的基波分量影响平均输入功率，则 （624） 式中：V电源相电压的有效值； I电源相电流的有效值； 电源电流基波分量的有效值； 电源电压与电源电流基波分量的夹角。 位移因数DF 位移因数也称为基波率因数，其定义为 （625） 其中： 称为位移角,6.2.2.1单相相控直流电动机

24、调速控制, 谐波因数HF 非正弦波输入电流包含有谐波频率的电流。谐波因数的定义为 （626） 式中， 次谐波的有效值； 主谐波的有效值。 （2）他激直流电动机的单向传动 在他激电动机单相传动时，电枢电压由一台半控变流器或全控变流器控制，而激磁电路由交流电源通过二极管桥路供电。晶闸管相控变流器的各种电路见表61所示。因变流器中使用了晶闸管，故电动机电流不可逆。若采用半控变流器，则直流输出电压平均值 始终为正。因此从交流电源到直流负载的功率流量（ ）总是正。对于采用半控变流器的直流传动系统，电力再生是不可能的。当半控变流器中的晶闸管阻断时，续流二极管起作用。,6.2.2.1单相相控直流电动机调速控

25、制,表61 单相晶闸管变流器的各种电路,（2）他激直流电动机的单向传动, 连续电枢电流 若假设在整个运行范围内电枢电流都是连续的，单相传动的半控变流器和全控变流器系统典型电压和电流波形分别如图618和619所示，其中晶闸管是对称触发的。 在图618的半控变流系统中，相对于电源电压 ，晶闸管 在 角处触发，晶闸管 在 处触发。而对于图619所示的全控变流器，晶闸管 和 在角 处同时触发，晶闸管 和 在 处同时触发。,（2）他激直流电动机的单向传动,在图618中，当 时，通过 和 ，电动机与输入电源接通，此时，电 动机两端电压 与电源电压v的相等。当 时，电源电压v的极性反向，二极 管 截止，续流

26、二极管 由于受到正偏 置电压而导通。曾经从电源通过晶闸管 流通的电动机电流 这时被移至 ， 随着截止换相，即在 期 间， 。因此，当晶闸管导通时，电 能由电源传递给电枢电路。 这个电能一 部分存储在电感之中， 一部分以运动系 统动能的形式存储， 一部分用来供给外 负载。在 续流期间，电感 中的电能释放出来，并转换成机械能， 供机械系统负载消耗。续电流的作用是 使电枢电流在电动机中继续产生电磁转 矩。在此期间，没有电能回馈给电源。 (a) 主电路 (b) 电动机电流连续情况下的电压和电流波形 图 6-18 单相半控变流器电路的他激直流电动机的转速控制 (a) 主电路 (b) 电动机电流连续情况下

27、的电压和电流波形 图 6-18 单相半控变流器电路的他激直流电动机的转速控制,（2）他激直流电动机的单向传动,在图619中，电动机通过晶闸管始终与输 入电源接通。在 期间，晶闸 管和 导通，并把电动机和电源接通。 在 时，晶闸管 和 被触发。 此时从电源通过晶闸管 和 流过的电流 转移至 和 ， 和 因电压反向而 立即关断。这就称之为自然换向或电网换向 。在 期间， 和 为同向，表明 是正向功率流量，电能从输入电源流至电动 机。而在 期间， 和 为反向 ，表明是反向功率流量，有部分电动机系统 的电能回馈给电源。 对于具有续流作用的半控变流器，其电枢电 路的方程式为,（2）他激直流电动机的单向传

28、动,全控变流器的电枢电压方程式是 (6-29) 设 ,则对于半控变流器电动机的平均电压为： (6-30) 对于全控变流器，电动机的平均电压为 (6-31) 对于半控和全控这两种变流器，其电动机端电压 随开通角 的变化如图620所示。在电动机电枢电流连续的情况下，全控 变流器的逆变运行出现 在时。由式（64）可得出 如下的电动机平均转速,（2）他激直流电动机的单向传动,半控变流器 (6-32) 全控变流器 (6-33) 方程式(632)和(633)的第一项为理想空截转速，第二项为电磁转距产生的转速降。由这两个方程式可得半控和全控变流器控制的直流电动机调速时的机械特性曲线如图621所示。 图620

29、 变流器输出电压与触发角的关系 图621 变流器控制直流电动机转矩转速关系,（2）他激直流电动机的单向传动, 断续电枢电流 在此我们研究电动机断续运行的情况。图622和623分别为电动机在半控和全控变流器供电时的电压和电流的波形图。 在图422中，在 之后，电动机两端就通过续流二极管 而被短路。在晶闸管 于 处导通之前，电枢电流衰减到0。在 时，电动机电压 与电源电压 相同。而在 期间，电动机通过 进行续流， 。在 期间，电动机依靠惯性运行，其端电压 与反电动势 相同。 在图423中，当 时，电动机与电源接通，当电动机电流衰减到0时，晶闸管 和 自动截止；而 在期间，电动机依靠惯性运转。只要电

30、动机与电源接通，其端电压就是电源电压。,（2）他激直流电动机的单向传动,(a) 主电路 (b) 电压和电流波形 图622 半控变流器驱动直流电动机进行速度控制时的电流断续现象,(a) 主电路 (b) 电压和电流波形 图423 全控变流器驱动直流电动机进行速度控制时的电流断续现象,（2）他激直流电动机的单向传动,由图622和623可见，半控变流器驱动的直流电动机调速系统有三种工作状态：即晶闸管导通，通过续流二极管续流和电动机依靠惯性运行；而全控变流器驱动的直流电动机调速控制有两种工作状态：即晶闸管导通和电动机依靠惯性运行。但在电动机运行电流为断续电流情况下，晶闸管在触发角 被触发时，如果开通瞬间

31、电源电压低于电动机的电动势，即 ，那么晶闸管就不会在 处立即导通，而需要等到 才开始导通。为通用起见，令 为晶闸管的导通角 由于电流和交流电压波形是对 轴反对称的，在对此我们仅分析半个正弦周期，即 。 状态1 晶闸管导通 对于半控变流器，晶闸管的导通期间为 ；对于全控变流器，晶闸管的导通期间为 晶闸管导通期间的电动机电枢电压方程式为 (6-34),（2）他激直流电动机的单向传动,电动力学方程式为： (6-35) 状态2 在半控变流器二极管起续流作用，期间为 电压方程式为: (6-36) 电动力学方程式如式(6-35)。 对于全控变流器，不存在状态2。 状态3 电动机依靠惯性动行，对应的区间为

32、, 电动力学方程式为 (6-37),6.2.2.2 三相相控直流电动机调速特性,大功率直流电动机采用三相交流电源供电。表62给出了各种三相变流器的电路。,6.2.2.2 三相相控直流电动机调速特性,（1）半控变流器运行 三相半控变流器的电路及其电压和电流波形如图624所示。二极管 D1,D2,D3分别在t4至t6,t6至t8,t2至t4期间导通。而晶闸管的触发角对应的时间分别为t1，t3，t5。即在三相电压相交的位置上。 当 时， 和 导通，电动机两端的电压是 。当 时， 为负， 受到反向偏置电压，所以续流二极管 因受正偏置电压而导通，一直到 触发。当 触发导通以后， ，各元件和导通情况和电动

33、机两端的电压及对应的电流波形详见图中所示。 三相半控变流器供电时，在电流连续的条件下，电动机电压的平均值为： (6-38),6.2.2.2 三相相控直流电动机调速特性,由式（65）可得电动机的平均 转速为 (6-39),(a) 主电路 (b) 电压和电流波形 图624 三相半控变流器驱动的直流电动机控制系统,6.2.2.2 三相相控直流电动机调速特性,(2）全控变流器 全控变流器驱动的直流电动机控制系统的电压与电流波如图625所示。图中所标志的晶闸管开通角 为60。晶闸管以60的间隔按次序开通，电动机每周6个脉冲。由于晶闸管以较快的速率被触发，所以电动机电流几乎是连续的。因此，全控变流器对滤波

34、要求没有半控变流器那么高。 当 时，s1开通，而在此之前s6已被开通了。因此，当A相电压波形在 区间时，晶闸管s1和s6导通，电动机端子与A相和B相接通，故 。当 时，晶闸管s2开通，电流流经s2，而由于受反向偏置而关断（自然或电网换向）。这时s1和s2导通，电动机两端电压 。就这样，每隔60当又有一只晶闸管被开通之后，重复上述过程，见图625所示。,6.2.2.2 三相相控直流电动机调速特性,对于全控变流器，当晶闸管的 触发角为 时，电枢电压的平 均值为： (6-40) 平均转速为 (6-41),(a) 主电路 (b) 电压和电流波形 图625 全相半控变流器驱动的直流电动机控制系统,6.2

35、.2.2 三相相控直流电动机调速特性,(3) 双重变流器 如果将两台全控变流器背对背连接，则其直流端电压和电流均是可逆的，即系统能在四个象限工作，这种系统称为双重变流器，其对应的电路如图626所示。,（a）3脉冲双重变流器,(b) 6脉冲（桥式）双重变器,图626 双重变流器,6.2.2.2 三相相控直流电动机调速特性, 理想的双重变流器 假设变流器为理想的，即产生纯粹的直流输出电压，在直流输出端没有脉动电流。则由前面的讨论可知，直流输出电压是晶闸管触发角的余弦函数。在这种情况下，双重变流器可以分为两个由全控变流器和二极管组成的单元，如图627所示,图627 理想的双重变流器的等效电路,6.2

36、.2.2 三相相控直流电动机调速特性,两台变流器的开通角用一个控制电压Uc加以调节，使两台变流器所产生的直流电压始终保持完全相等且极性相同。 由方程(640)可得 (6-42) (6-43) 对于理想的双重变流器有 则由方程（442）和（443）可得 于是有 (6-44),6.2.2.2 三相相控直流电动机调速特性, 实际的双重变流器 若控制开通脉冲使 ，保持两变流器同时运行，它们就会产生相同的平均端电压。一台变流器处于整流状态运行，而另一台处于逆变状态运行。然而，实际上两台变流器都会产生脉动电压，且脉动电压几乎是相异的。如果将两台变流器连接成整体，其端子上相异的脉动电压会产生不经过负载的环流

37、。为此必须采取相应的错施对环流加以控制。通常采用两种方法。 a. 无环流运行 自动控制开通脉冲完全制止环流的产生，即每次只让一台变流器工作承担负载电流，而另一台变流器暂停工作，处于完全阻断状态。 b. 有环流运行 允许数值上可控的环流出现，如图626所示，在两台变流器端子之间接上环流电抗器来限制环流。,6.2.3 直流斩波传动,固定电压的直流电源得到可变的直流电压有以下四种方法。 （1） 电阻控制 这种方法是在固定电压的直流电源和负载之间接上可变电阻。此法仍被用于牵引电动机的控制，但因电阻的损耗，故效率太差。 （2）电动机发电机组 用控制直流发电机激磁电流的方法得到可变的直流输出电压。这种方法

38、仍在工业传动中应用。但该系统要用三台同样额定功率的电机，因此，体积庞大、造价高、响应慢而且效率低。 （3）逆变器整流器 在这种方案中，首先将直流电压逆变成交流电，然后用变压器将其升压或降压，再经过整流成为直流电。这种方法要经过直流交流和交流直流两步变换。因此，造价高、体积大而且效率低。但变压器和负载之间有电流电源隔离的作用。 （4）直流斩波器 直流斩波器直接把直流电变换成直流电，是一种较新的技术。直流斩波器传动的控制特点是平滑、效率高、响应速度快，并能再生。,6.2.3 直流斩波传动,6.2.3.1 斩波器的工作原理 斩波器就是将负载与电源接通继而又断开的一种晶闸管通断开关，它的作用是把固定的

39、电源电压转换满足负载变化要求的可变电压，其结构如图628所示，斩波器用虚线框内的一晶闸管代表。,图628 直流斩波器的工作原理,6.2.3 直流斩波传动,在 时间内，晶闸管导通，负载与电源接通。在 时间内，斩波器断开，负载依靠续流二极管 续流，以保持负载电流的连续性。就这样依靠电动机电枢自身的滤波作用，在负载两端得到经过斩波的直流电压。其平均电压可由下式表示： (645) 式中， 导通时间； 关断时间； 斩波周期， 工作率,6.2.3 直流斩波传动,由上式可见负载电压受斩波工作率的控制。工作率的变更可有如下几种方式。 (1)恒频系统 保持斩波周期不变，即保持斩波周期不变，只改变晶闸管的导通时间

40、 。这种方法称为脉冲宽度调制(PWM)。 (2) 变频系统 改变斩波周期T，同时保持导通时间 和关断时间 两者之一不变。这种系统叫作频率调制。 图629说明了脉宽调制和频率调制的基本原理。但频率调制有以下缺点。 a. 频率调制必须在宽范围内改变，以满足输出电压范围的要求，变频调制滤波器设计比较难，对信号传输和通讯干扰的可能性比较大。 b. 在输出电压很低的情况下，较长的关断时间会使直流电动机的负载电流断续。,6.2.3 直流斩波传动,6.2.3 直流斩波传动, 升压斩波器 图628中直流斩波器的电路结构所产生的输出电压低于所用电源的电压。然而若将电路设计为如图630的结构，则可以得到较高的负载

41、电压。 当斩波器导通时电感器与电源接 通，来自电源的电能被储存在电 感中。当斩波器关断时，就强制 电流通过二极管和负载流通。电 感器两端的电压 为负。这个电 压加在电源上，强制电感器的电 流进入负载。这样储存在电感器 中的电流释放给负载。,6.2.3 直流斩波传动,如果忽略电源电流脉动，那么在斩波器导通期间由电源输入给电感器的电能为 (6-46) 当斩波器关断时，电感释放给电动机的电能是 (6-47) 假设系统无损耗，则在稳态时这两项电能相等，即 因此可得 (6-48),4.2.3.2 斩波器供电的直流电动机,斩波器供电的串激直流电动机的基本电路和有关波形如图631所示。假设电动机电流 是连续

42、的，并且转速是固定不变的情况，则在 时，晶闸管导通，电压方程为 (649) 式中： 串激电动机激磁绕组系数； 串激电动机机械刚度系数。 而当晶闸管关断时，即有 (650) 在稳态时，晶闸管导通时刻电流最小，晶闸管关断时刻电流最大，设电动机电枢电流的最大值和最小值分别为 和 ，则可得求得上述方程的解为：当 时 (651),4.2.3.2 斩波器供电的直流电动机,当 时 (6-52) 其中： 将边界条件代入,4.2.3.2 斩波器供电的直流电动机,在电动机电流断续时，电动机的最小电流为0，则(6-51)和(6-52)可求得电流断续的时间为 (6-55) 最大电流 (6-56) 由方程式(6-55)

43、可以确定电流的连续性条件为 现在导出电动机电压和电流平均值其公式如下： 电动机电流的平均值为： (6-57),4.2.3.2 斩波器供电的直流电动机,其中： 电动机电流的有效值为 (6-58) 电动机的平均电磁转矩可用下式表示： (6-59) 对于他激式电动机，上述公式作以下修改仍然是在效的： a. 令 b. c.,6.2.4 晶体管脉宽调速控制系统,与晶闸管相比，晶体管控制电路简单，不需要附加关断电路，开关特性好。而且目前功率晶体管的耐压等性能都已大大得到提高。因此，在中、小功率直流伺服系统中，晶体管脉宽调制（Pulse Width Modulation，简称PWM）方式驱动系统已得到了广泛

44、应用。 所谓脉宽调制，就是使功率晶体管工作于开关状态，开关频率恒定，用改变开关导通时间的方法来调整晶体管的输出。使电机两端得到宽度随时间变化的电压脉冲。当开关在单周期内的导通时间随时间发生连续地变化时，电机电枢得到的电压平均值也随时间连续地发生变化，而由于内部的续流电路和电枢电感的滤波作用，电枢上的电流则连续地改变，从而达到调节电机转速的目的。,6.2.4.1晶体管脉宽调制系统的组成原理,图632为脉宽调制系统组成原理图。该系统由控制部分、功能晶体管放大器和全波整流器三部分组成。控制部分包括速度调节器、电流调节器、固定频率振荡器及三角波发生器、脉宽调器和基极驱动电路，其中控制部分的速度调节器和

45、电流调节器与晶闸管调速系统相同，控制方法仍然是采用双环控制。不同部分是脉宽调制和功率放大。,图632 脉宽调制系统原理,6.2.4.1晶体管脉宽调制系统的组成原理,与可控硅调速系统相比，晶体管脉宽调制系统有以下特点： 频带宽 晶体管的结电容小，截止频高，比可控硅高一个数量级，因此PWM系统的开关工作频率一般为2KHz，有的高达5KHz，使电流的脉动频率远远超过机械系统的固有频率，避免机械系统由于机电耦合产生共振。 电流脉动小 电机为感性负载，电路的电感值与频率成正比，因而电流的脉动幅值随开关频率的升高而降低。PWM系统的电流脉动系数接近于1，电机内部发热小，输出转矩平稳，有利于电机低速运行。

46、电源功率因数高 在可控硅调速系统中，随开关导通角的变化，电源电流发生畸变，在工作过程中，电流为非正弦波，从而降低了功率因数，且给电网造成污染。这种情况，导通角越小越严重。而PWM系统的直流电源，相当于可控制硅导通角最大时的工作状态，功率因数可达90%。 动态硬度好 PWM系统的频带宽，校正伺服系统负载瞬时扰动的能力强，提高了系统的动态硬度，且具有良好的线性，尤其是接近零点处的线性好。,6.2.4.2 脉宽调制器,脉宽调制器种类很多，但从结构上看，都是由调制信号发生器和比较放大器两部分组成。 调制信号发生器有三角波和锯齿波两种。下面以三角波发生器为例，介绍脉宽调制的原理，结构如图633所示，其中

47、(a)为三角波发生器，(b)、(c)比较放大电路。这种结构适合于双极性可逆式开关功率放大器。 图633 (b)、(c)为比较放大电路，这部分电路实现了如图所示的 u1,u2,u3,u4的电压波形。,图633 脉冲调制器 (a)三角波发生器； (b)、(c)比较放大器,6.2.4.3开关功率放大器,开关功率放大器是脉宽调制速度单元的主回路，其结构形式有两种形式，一种是H型（也称桥式），另一种是T型。每种电路又有单极性工作方式和双极性工作方式之分，而各种不同的工作方式又可组成可逆开关放大电路和不可逆开关放大电路，如图634所示。下面以广泛使用的H型开关电路为例，介绍其工作原理，其电路如图634(c

48、)、(d)所示。 它是由四个二极管和四个功率管组成的桥式回路。直流供电电源 由三组全波整流电源供电。它的工作过程为：将脉宽调制器输出的脉冲波u1,u2,u3,u4经光电隔离器，转换成与各脉冲相位和极性相同的脉冲信号U1,U2,U3,U4，并将其分别加到开关功率放大器的基极。,(a) T型单极性； (b) T型双极性； (c)H型单极性； (d) H型双极性 图634 开关功率放大器,6.2.4.3开关功率放大器,主回中得到的电压波形 和电枢的电流波形 如图633所示。 是在 和0之间变化的脉冲电压。而由于电源切断时二极管的续流和电机电枢电感的滤波作用，电枢电压 则连续在波动。 从上述的电路工作

49、过程的分析中可以发现，开关电路输出的电压频率比每个晶体管开关频率高一倍，从而弥补了大功率晶体管开关频率不能做得很高的缺馅，改善了电枢电流的连续性，这也是这种电路被广泛采用的原因之一。,6.2.5 直流电动机闭环控制系统,由直流电动机的机械特性曲线可知，对前面所述的变流器或直流斩波调速系统，当电动机的外负载发生改变时，电动机的转速仍然会发生改变。在要求精度较高的场合，这种转速控制系统是很难满足系统控制要求的。但是如果传动系统要求稳速运行，随着外负载的改变，必须改变开通角（对于变流器传动系统）或脉冲宽度（对于晶体管脉宽调制系统），才能保证系统的稳速运行。这在电动机速度的闭环控制系统中是能够实现的。

50、图635为电动机转速闭环控制系统的方框图。当由于电动机外负载的变化使转速发生改变时，则转速误差 增大，速度调节器的输出 将据误差信号的变化情况进行增减，以改变变流器的触发角，从而调节电动机的供电电压，使电动机的转速作相应的调节，恢复其指令性转速 。因此，在发出电磁转矩与外负载转矩平衡之前，系统要经历一个过渡过程。,6.2.5 直流电动机闭环控制系统,对于直流电动机闭环控制系统，系统所经历的过渡过程的时间长短，即系统的响应速度，是一项重要的指标。直流电动机转速闭环控制系统的设计目标即是提高系统的响应速度同时，保证系统在一定的转速精度内实现按恒转矩或恒功率状态运行。 由现代控制理论可知，闭环系统的

51、响应速度可以用传递函数来研究。在图635中，电动机、电源的传递函数是固定不变的，系统设计的任务则是如何配置速度调节器的参数，使系统的性能达到最优或接近最优的状态运行。本节以他激式直流电动机的闭环控制系统为例研究速度控制系统的设计方法,图635 直流电动机闭环控制系统框图,6.2.5.1 他激式直流电动机的传递函数,他激式直流电动机的独立激磁，使转速控制变得非常方便。在绝大多数的应用中，闭环控制系统用来调节电动机的电枢输入电压。其它的一些系统保护功能，如电流限制，也加到系统中。这里我们将通过研究系统的传递函数来研究闭环系统的各项性能指标。,6.2.5.2 闭环速度控制,在6.2.1中，我们已经求

52、得直流电动机的传递函数。若在电动机的轴端联接一台直流测速发电机，并将与转速成比的测速发电机输出电压信号反馈转速设定端，作为转速实际值与设定值的比较，则可得到如图636的转速控制闭环系统。图中外加电枢电压用一个三相全控变流器供电。变流器触发采用余弦开通方案，可以得到与控制电压uc成正比的输出电压ua。,图636 转速控制闭环系统,6.2.5.2 闭环速度控制,若忽略变流器的滞后时间，则有 (6-60) 速度调节器的类型比较多，常用的有比例（P）和比例积分（PI）型。我们在此讨论P调节器。 在图636中，前向通道的传递函数为 反馈通道的传递函数为： 可求得转速 和对指令转速设置电压信号 的传递函数

53、为 (6-61) 其中，,6.2.5.2 闭环速度控制,由式（613）得 (6-62) 于是可得电流对转速设定电压信号 的阶跃响应为 (6-63) 则由式(6-63)可知，在时间域内，电流 为 (6-64) 对于电动机而言，式(6-64)中 ,忽略式中分子项的 ，则动态电流相对稳态电流 的比为 (6-65),6.2.5.3 电流控制,由上述分析可知，在直流电动机转速闭环控制系统中，应当将电动机电流限制到一个允许最大值范围内。而图637中的速度闭环控制系统是不能满足这个要求的，因为使用的是转速误差直接调节。为达到此目的，需要在系统中增加一个内环，即电流控制环。图中速度调节器输出的是电动机的指令性电流。当指令性电流超出电动机和变流器规定的最大值时，电流调节器的输出为这个最大值。,图637 具电流控制内环的转速控制系统,由图637可得内环电流环的传递函数为 (6-66) 其中：,于是 (6-67) 其中：,而 (668) 式(667)和（668）仅在系统工作过程中，电动机电流小于最大值时才适用。当电动机达到