直流伺服电动机及其速度控制.ppt

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1、第第5 5章章 直流伺服电动机直流伺服电动机 及其速度控制及其速度控制5.1 5.1 直流（直流（DCDC）伺服电动机概述）伺服电动机概述5.2 5.2 直流电力拖动控制系统的基本知识直流电力拖动控制系统的基本知识5.3 5.3 直流电动机晶闸管供电的速度控制系统直流电动机晶闸管供电的速度控制系统5.4 5.4 晶体管直流脉宽（晶体管直流脉宽（PWMPWM）调速系统）调速系统5.5 5.5 脉宽调速系统实例脉宽调速系统实例本章结构本章结构5.1 5.1 直流（直流（DCDC）伺服电动机概述）伺服电动机概述5.1.1 5.1.1 直流伺服电动机的基本工作原理直流伺服电动机的基本工作原理1.1.直

2、流伺服电动机的基本工作原理直流伺服电动机的基本工作原理动画动画 它的基本工作原它的基本工作原理与普通直流他励电理与普通直流他励电动机相同，动机相同，不同点不同点在在于结构作了改进，以于结构作了改进，以提高其控制性能。提高其控制性能。2.2.直流伺服电动机的特点直流伺服电动机的特点（1）直流电动机将输入电功率转换成机械功率输出；直流电动机将输入电功率转换成机械功率输出；（2）电磁转矩起驱动作用；）电磁转矩起驱动作用；（3）利用换向器和电刷，直流电动机将输入的直流电）利用换向器和电刷，直流电动机将输入的直流电流逆变成导体中的交变电流。流逆变成导体中的交变电流。（4）直流电动机导体中的电流与运动电势

3、方向相反。）直流电动机导体中的电流与运动电势方向相反。5.1.2 5.1.2 直流伺服电动机的基本结构直流伺服电动机的基本结构换向磁极换向磁极主磁极主磁极电刷装置电刷装置机座机座端盖端盖电枢铁心电枢铁心电枢绕组电枢绕组换向器换向器转轴转轴磁极铁心磁极铁心励磁绕组励磁绕组电刷电刷刷握刷握绝缘支架绝缘支架压紧力调整装置压紧力调整装置产生励磁磁场产生励磁磁场产生励磁磁场产生励磁磁场固定于机座上固定于机座上固定于机座上固定于机座上用于改善换向，数目等于主用于改善换向，数目等于主用于改善换向，数目等于主用于改善换向，数目等于主磁极磁极磁极磁极由换向片构成，关键部分由换向片构成，关键部分由换向片构成，关键

4、部分由换向片构成，关键部分产生电动势；产生电动势；产生电动势；产生电动势；流过电流，产生电磁转矩流过电流，产生电磁转矩流过电流，产生电磁转矩流过电流，产生电磁转矩磁路的一部分磁路的一部分磁路的一部分磁路的一部分定子定子转子转子直直流流电电机机气隙气隙5.1.3 5.1.3 直流伺服电动机的分类直流伺服电动机的分类1.根据电机励磁方式分类根据电机励磁方式分类1 1）他励）他励：直流电机的励磁电流直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给。由其它直流电源单独供给。他励直流发电机的电枢电流他励直流发电机的电枢电流和负载电流相同，即：和负载电流相同，即：2 2）并励）并励：电动机的励磁绕组与电电动机的励

5、磁绕组与电枢绕组并联。且满足枢绕组并联。且满足3 3）串励）串励：励磁绕组与电枢绕组串联。励磁绕组与电枢绕组串联。满足满足I=Ia a+If f-+UI=Ia=If4 4）复励：）复励：并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。2.根据转速的高低分类根据转速的高低分类 1）高速直流伺服电动机；）高速直流伺服电动机；（1）小惯量无槽电枢直流伺服电动机；）小惯量无槽电枢直流伺服电动机；（2）空心杯电枢直流伺服电动机。）空心杯电枢直流伺服电动机。2）低速大扭矩宽调

6、速电动机。）低速大扭矩宽调速电动机。5.1.4 5.1.4 永磁直流伺服电动机永磁直流伺服电动机1.永磁直流伺服电动机基本结构永磁直流伺服电动机基本结构2.永磁直流伺服电动机特点永磁直流伺服电动机特点3.永磁直流伺服电动机基本方程永磁直流伺服电动机基本方程 1）电动机转矩平衡方程式）电动机转矩平衡方程式；T=CMI TI Ts s=T=To o+T+TL L T=T T=Ts s 在稳态运行时，电动机的电磁转矩和电动机上的总在稳态运行时，电动机的电磁转矩和电动机上的总阻转矩相互平衡。阻转矩相互平衡。2 2）电动机的电压平衡方程式；）电动机的电压平衡方程式；E=C E=Ce enn U=E+IR

7、 U=E+IRa a外加电压与反电势及电枢内阻压降平衡。外加电压与反电势及电枢内阻压降平衡。3 3）电动机转速与转矩的关系。）电动机转速与转矩的关系。U-C U-Ce enn I=I=R Ra a U R U Ra a n=-T n=-T C Ce e C Ce eC CM M2 2 电动机的机械特性，描述了电动电动机的机械特性，描述了电动机的转速与转矩之间的关系。机的转速与转矩之间的关系。5.1.5 5.1.5 对直流伺服电动机的要求及选用对直流伺服电动机的要求及选用1.直流电动机的额定值直流电动机的额定值额定条件下电机额定条件下电机所能提供的功率所能提供的功率指电刷间输出的指电刷间输出的额

8、定电功率额定电功率发电机发电机指轴上输出指轴上输出的机械功率的机械功率电动机电动机发电机：是指输出额定电压；发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。电动机：是指输入额定电压。在额定工况下，电机在额定工况下，电机出线端的平均电压出线端的平均电压在额定电压下，运行于在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流额定功率时对应的电流在额定电压、额定电流下，运在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速行于额定功率时对应的转速.对应于额定电压、额定电流、额对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流定转速及额定功率时的励磁电流2.2.对直流伺服电动机的要求对直流伺服电动机的要求

9、3.3.直流伺服电动机的选用直流伺服电动机的选用1 1）负载转矩）负载转矩2 2）负载功率）负载功率M ML L=M=MR R+M+MMCMC+M+Ma a5.2 5.2 直流电力拖动控制系统的基本知识直流电力拖动控制系统的基本知识5.2.1 5.2.1 电力拖动系统的组成电力拖动系统的组成 电源电源 自动控制装置自动控制装置 电动机电动机 执行机构执行机构 负载负载5.2.2 5.2.2 他励直流电动机的启动他励直流电动机的启动 降低电源电压降低电源电压和和电枢回路串电阻电枢回路串电阻1.1.他励直流电动机的启动方法他励直流电动机的启动方法T=CT=CM MIIstst U UN N E E

10、a a U UN N I Istst=R Ra a R Ra a2.2.降压启动降压启动nT0n0TNnN自然特性自然特性3.3.电枢电压串电阻启动电枢电压串电阻启动5.2.3 5.2.3 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性5.2.4 他励直流电动机的人为特性他励直流电动机的人为特性2-2-21211.电枢回路串电阻时的人为机械特性电枢回路串电阻时的人为机械特性特点：特点：特点：特点：1 1）n n0 0不变；不变；不变；不变；2 2）斜率）斜率）斜率）斜率 随电阻增大成正比增大，形成一组过随电阻增大成正比增大，形成一组过随电阻增大成正比增大，形成一组过随电阻增大成正比增大，形成

11、一组过n n0 0的放射直的放射直的放射直的放射直线。线。线。线。2-2-22222.改变电枢电源电压时的人为机械特性改变电枢电源电压时的人为机械特性特点：特点：特点：特点：1 1）斜率）斜率）斜率）斜率 不变，各特性互相平行；不变，各特性互相平行；不变，各特性互相平行；不变，各特性互相平行；2 2）n n0 0与与与与U U成正比。成正比。成正比。成正比。2-2-23233.减少气隙磁通量的人为机械特性减少气隙磁通量的人为机械特性特点：特点：特点：特点：1 1）减少时，减少时，减少时，减少时，n n0 0增大；增大；增大；增大；3 3）机械特性是一组直线，）机械特性是一组直线，）机械特性是一

12、组直线，）机械特性是一组直线，减少时，特性上移且变软。减少时，特性上移且变软。减少时，特性上移且变软。减少时，特性上移且变软。2 2）减少时，减少时，减少时，减少时，增大；增大；增大；增大；5.2.7 电力拖动控制系统的主要技术指标电力拖动控制系统的主要技术指标性能指标三个方面：（性能指标三个方面：（1）调速；（）调速；（2）稳速；（）稳速；（3）加减速。）加减速。1.稳态性能指标稳态性能指标 1）调速范围）调速范围 2）静差率）静差率 3）调速范围与静差率的关系）调速范围与静差率的关系2.动态性能指标动态性能指标5.3.1 直流电机晶闸管调速系统直流电机晶闸管调速系统5.3 直流电动机晶闸管

13、供电的速度控制系统直流电动机晶闸管供电的速度控制系统 由上式可以看出：改变由上式可以看出：改变控制电压控制电压和改变和改变磁通磁通都可以控都可以控制伺服电机的转速和转向。前者是制伺服电机的转速和转向。前者是电枢控制电枢控制（常用），后（常用），后者是磁场控制。者是磁场控制。(1)晶闸管调压原理晶闸管调压原理 图图4.10 晶闸管晶闸管图图4.11 单相半波晶闸管调压电路单相半波晶闸管调压电路晶闸管导通的两个条件：一是阳极晶闸管导通的两个条件：一是阳极A与阴极与阴极K间施加正向电压；间施加正向电压；二是控制级二是控制级G和阴极和阴极K直接施加正向电压。直接施加正向电压。(2)双闭环直流调速系统双

14、闭环直流调速系统1）采用带转速负反馈的闭环控制方式）采用带转速负反馈的闭环控制方式 测速发电机：输出电势测速发电机：输出电势EBR与电动机的转速与电动机的转速n成正比。成正比。U=Ug-EBR当当电电动动机机负负载载转转矩矩变变化化时时，EBR随随之之变变化化而而Ug不不变变，则则U随随即即变变化化，再再经经过过放放大大器器将将U放放大大去去控控制制执执行行环环节节，使使电动机转速保持恒定。电动机转速保持恒定。2）采用带电流负反馈的闭环控制方式）采用带电流负反馈的闭环控制方式 电流随着速度变化而自动调节。电流随着速度变化而自动调节。(3)可逆直流调速系统可逆直流调速系统 改变电动机旋转方向改变

15、电动机旋转方向即即改变电动机转矩方向。改变电动机转矩方向。直流电动机的转矩公式：直流电动机的转矩公式：T=KtId1)采用接触器进行切换的可逆线路采用接触器进行切换的可逆线路特点：特点：简单经济，但如果接触器频繁切换，噪声较大，寿命较简单经济，但如果接触器频繁切换，噪声较大，寿命较低，每次切换需要时间，适用于不经常正反转的系统。低，每次切换需要时间，适用于不经常正反转的系统。AB2)利用晶闸管切换的可逆线路利用晶闸管切换的可逆线路特点：特点：比较简单，可靠性较高，但方案中除了原有的晶闸管装比较简单，可靠性较高，但方案中除了原有的晶闸管装置需要供电外，还需要四个晶闸管当作开关使用，对其耐压和置需

16、要供电外，还需要四个晶闸管当作开关使用，对其耐压和电流容量的要求较高，没有明显的经济优势，只适用于几十千电流容量的要求较高，没有明显的经济优势，只适用于几十千瓦以下的可逆调速系统。瓦以下的可逆调速系统。特点：特点：采用两套晶闸管采用两套晶闸管变流器分别提供正反两方向的变流器分别提供正反两方向的电枢电流，可以应用于频繁正反转的生产机械上。电枢电流，可以应用于频繁正反转的生产机械上。3)采用两组晶闸管变流器的可逆线路采用两组晶闸管变流器的可逆线路MVRVFId-Id+-+-采用两组晶闸管反并联的可逆采用两组晶闸管反并联的可逆V-M系统，如果两组装置的系统，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生整

17、流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流晶闸管之间流通的短路电流，称作，称作环流环流。MVR VFUd0fId+-+Ud0rIcRrecRrecRa-Ic 环流环流Id 负载电流负载电流 危害：危害：环流对负载无益，徒然加重晶闸管和变压器的负环流对负载无益，徒然加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，环流太大时会导致晶闸管损坏，因此担，消耗功率，环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。应该予以抑制或消除。利用：利用：合理地控制环流，保证晶闸管安全工作，即可利合理地控制环流，保证晶闸管安全工作，即可利用环流作为流过晶闸管的基本负载电流，

18、使电动机在用环流作为流过晶闸管的基本负载电流，使电动机在空载或轻载时也能工作在晶闸管装置的电流连续区，空载或轻载时也能工作在晶闸管装置的电流连续区，以避免电流断续引起的非线性对系统性能的影响。以避免电流断续引起的非线性对系统性能的影响。5.4 晶体管直流脉宽调速系统晶体管直流脉宽调速系统脉宽调制：脉宽调制：开关器件通断周期保持不变，只改变器件每次导通的开关器件通断周期保持不变，只改变器件每次导通的时间，也就是脉冲周期不变，只改变脉冲的宽度，即定频调宽。时间，也就是脉冲周期不变，只改变脉冲的宽度，即定频调宽。PWM调制是利用电力半导体器件的开关作用，把恒定的直流电调制是利用电力半导体器件的开关作

19、用，把恒定的直流电源电压，转换成频率一定、宽度可变的方波电压加到直流电动机源电压，转换成频率一定、宽度可变的方波电压加到直流电动机的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制，从而可以改变平均输出的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。电压的大小，以调节电机转速。(1)晶体管脉宽调速系统的基本工作原理晶体管脉宽调速系统的基本工作原理优越性：优越性：调速范围宽、快速性好、电流波形系数好、功率因数好。调速范围宽、快速性好、电流波形系数好、功率因数好。图图4.16 直流脉宽调速系统直流脉宽调速系统图图4.17 电动机电枢电压波形电动机电枢电压波形频带宽。频带宽。电流脉动小。电流脉动小。电源功率因数高。电源功率因数高。动态硬度好。动态硬度好。图图4.18 脉宽调制系统原理脉宽调制系统原理(2)晶体管脉宽调速系统的组成晶体管脉宽调速系统的组成