运动控制系统转速开环控制直流调速系统.pptx

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1、直流电动机的稳态转速 式中 n转速（r/min）;U电枢电压（V）；I电枢电流（A）；R电枢回路总电阻(）；励磁磁通（Wb）；Ke 由电机结构决定的电动势常数。第1页/共81页调节直流电动机转速的方法 （1）调节电枢供电电压；（2）减弱励磁磁通；（3）改变电枢回路电阻。自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。第2页/共81页直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，为了保持由浅入深的教学顺序，应该首先很好地掌握直

2、流拖动控制系统。第3页/共81页调压调速第4页/共81页调阻调速第5页/共81页调磁调速第6页/共81页三种调速方法的性能与比较对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主第7页/共81页第2章 转速开环控制的直流调速系统 电力拖动自动控制系统 运动控制系统第8页/共81页内 容 提 要直流调速系统用的可控直流电源 稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性 转速反馈控制的直流调速系统

3、直流调速系统的数字控制 转速反馈控制直流调速系统的限流保护 转速反馈控制直流调速系统的仿真第9页/共81页2.1 直流调速系统用的可控直流电源晶闸管整流器-电动机系统 直流PWM变换器-电动机系统 第10页/共81页晶闸管整流器-电动机系统图21 晶闸管整流器-电动机调速系统（V-M系统）原理图第11页/共81页在理想情况下，Ud和Uc之间呈线性关系：（2-1）式中，Ud平均整流电压，Uc 控制电压，Ks晶闸管整流器放大系数。第12页/共81页1触发脉冲相位控制调节控制电压Uc，移动触发装置GT输出脉冲的相位，改变可控整流器VT输出瞬时电压ud的波形，以及输出平均电压Ud的数值。第13页/共8

4、1页(2-2)式中 E电动机反电动势(V)；id整流电流瞬时值(A)；L主电路总电感(H)；R主电路总电阻(),；瞬时电压方程第14页/共81页图2-2 V-M系统主电路的等效电路图 第15页/共81页对于一般的全控整流电路，当电流波形连续时，可用下式表示(2-3)式中，从自然换相点算起的触发脉冲控制角；Um=0时的整流电压波形峰值；m交流电源一周内的整流电压脉波数。第16页/共81页整流电路 单相全波 三相半波三相桥式（全波）m236表2-1不同整流电路的整流电压波峰值、脉冲数及平均整流电压第17页/共81页2电流脉动及其波形的连续与断续在整流变压器二次侧额定相电压u2的瞬时值大于反电动势E

5、时，晶闸管才可能被触发导通。导通后如果u2降低到E以下，靠电感作用可以维持电流id继续流通。由于电压波形的脉动，造成了电流波形的脉动。第18页/共81页图2-3 带负载单相全控桥式整流电路的输出电压和电流波形第19页/共81页在Id上升阶段，电感储能；在Id下降阶段，电感中的能量将释放出来维持电流连续。图24 V-M系统的电流波形(a)电流连续第20页/共81页图24 V-M系统的电流波形 （b）电流断续当负载电流较小时，电感中的储能较少，等到Id下降到零时，造成电流波形断续。第21页/共81页抑制电流脉动的措施（1）增加整流电路相数，或采用多重化技术；（2）设置电感量足够大的平波电抗器。第2

6、2页/共81页3晶闸管整流器-电动机系统的机械特性当电流波形连续时，V-M系统的机械特性方程式为（2-7）式中，Ce电动机在额定磁通下的电动势 系数第23页/共81页图2-5 电流连续时V-M系统的机械特性第24页/共81页图26 V-M系统机械特性在电流连续区，显示出较硬的机械特性；在电流断续区，机械特性很软，理想空载转速翘得很高。第25页/共81页当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多。电流断续区与电流连续区的分界线是 的曲线，当 时，电流便开始连续了。一个电流脉波的导通角。第26页/共81页 4晶闸管触发和整流装置的放大系数 和传递函数晶闸管触发电路和整流电路的特性是非线性

7、的。在设计调速系统时，只能在一定的工作范围内近似地看成线性环节，得到了它的放大系数和传递函数后，用线性控制理论分析整个调速系统。第27页/共81页放大系数的计算图2-7 晶闸管触发与整流装置的输入输出特性和Ks的测定（2-12）第28页/共81页n晶闸管触发和整流装置的输入量是Uc，输出量是Ud，晶闸管触发和整流装置的放大系数Ks可由工作范围内的特性斜率决定。n如果没有得到实测特性，也可根据装置的参数估算。第29页/共81页失控时间和纯滞后环节 滞后作用是由晶闸管整流装置的失控时间引起的。失控时间是个随机值。最大失控时间是两个相邻自然换相点之间的时间，它与交流电源频率和晶闸管整流器的类型有关。

8、第30页/共81页图28 晶闸管触发与整流装置的失控时间 第31页/共81页最大失控时间(2-13)平均失控时间 式中，f 交流电源频率(Hz)，m 一周内整流电压的脉 波数。第32页/共81页整流电路形式最大失控时间 Tsmax(ms)平均失控时间 Ts(ms)单相半波单相桥式（全波）三相半波三相桥式20106.673.331053.331.67表2-2 晶闸管整流器的失控时间（f=50Hz）第33页/共81页晶闸管触发电路与整流装置的传递函数 滞后环节的输入为阶跃信号1(t)，输出要隔一定时间后才出现响应1(t-Ts)。输入输出关系为：n 传递函数为（214）第34页/共81页传递函数的近

9、似处理按泰勒级数展开，可得 n 依据工程近似处理的原则，可忽略高次项，把整流装置近似看作一阶惯性环节（2-16）第35页/共81页图29 晶闸管触发与整流装置动态结构图准确的近似的第36页/共81页5.晶闸管整流器运行中存在的问题（1）晶闸管是单向导电的。（2）晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt都十分敏感。（3）晶闸管的导通角变小时会使得系统的功率因数也随之减少，称之为“电力公害”。第37页/共81页直流PWM变换器-电动机系统全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式,形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调

10、速系统。与V-M系统相比，PWM调速系统在很多方面有较大的优越性。直流PWM调速系统的应用日益广泛，特别在中、小容量的高动态性能系统中，已经完全取代了V-M系统。第38页/共81页1PWM变换器的工作状态和电压、电流波形脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电动机转速。PWM变换器电路有多种形式，总体上可分为不可逆与可逆两大类。第39页/共81页图2-10 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统电路原理图 第40页/共81页图2-10 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统电压和电流波

11、形 第41页/共81页在一个开关周期T内，当 时，Ug为正，VT饱和导通，电源电压Us通过VT加到直流电动机电枢两端。当 时，Ug为负，VT关断，电枢电路中的电流通过续流二极管VD续流，直流电动机电枢电压近似等于零。第42页/共81页直流电动机电枢两端的平均电压为 （2-17）改变占空比 ，即可实现直流电动机的调压调速。令 为PWM电压系数，则在不可逆PWM变换器中 （2-18）第43页/共81页不可逆PWM变换器-直流电动机系统不允许电流反向，续流二极管VD的作用只是为id提供一个续流的通道。如果要实现电动机的制动，必须为其提供反向电流通道。第44页/共81页图2-11 有制动电流通路的不可

12、逆PWM变换器-直流电动机系统电路原理图 第45页/共81页图2-11 有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统一般电动状态的电压、电流波形 第46页/共81页一般电动状态在一般电动状态中，id始终为正值（其正方向示于图2-11(a)中）。在0tton期间，VT1导通，VT2关断。电流id沿图中的回路1流通。在tontT期间，VT1关断，id沿回路2经二极管VD2续流。VT1和VD2交替导通，VT2和VD1始终关断。第47页/共81页图2-11 有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统的正脉冲比负脉冲窄，始终为负。制动状态的电压、电流波形 第48页/共81页制动状态 在to

13、ntT期间，Vg2为正，VT2导通，在感应电动势E的作用下，反向电流沿回路3能耗制动。在TtT+ton（即下一周期的0tton）期间，Vg2为负，VT2关断，-id沿回路4经VD1续流，向电源回馈能量。VT2和VD1交替导通，VT1和VD2始终关断。第49页/共81页图2-11 有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统(d)轻载电动状态的电流波形 VT1、VD2、VT2和VD1四个管子轮流导通。第50页/共81页轻载电动状态 在VT1关断后，id经VD2续流。还没有到达周期T，电流已经衰减到零，在t=t2时刻，VT2导通，使电流反向，产生局部时间的制动作用。轻载时，电流可在正负方向之

14、间脉动，平均电流等于负载电流，一个周期分成四个阶段。第51页/共81页有制动电流通路的不可逆PWM-直流电动机系统 图2-11(a)所示电路之所以为不可逆是因为平均电压Ud始终大于零，电流虽然能够反向，而电压和转速仍不能反向。如果要求转速反向，需要再增加VT和VD，构成可逆的PWM变换器-直流电动机系统。第52页/共81页电动机除电动转矩外还须产生制动转矩，实现生产机械快速的减速、停车与正反向运行等功能。在转速和电磁转矩的坐标系上，就是四象限运行的功能，这样的调速系统需要正反转，故称可逆调速系统。图4-1 调速系统的四象限运行第53页/共81页4.1 直流PWM可逆调速系统PWM变换器电路有多

15、种形式，可分为不可逆与可逆两大类，还有一种带制动电流通路的不可逆PWM-直流电动机系统，其电流能够反向。之所以不可逆是因为平均电压始终大于零，因而转速不能反向。如果要求转速反向，需要改变PWM变换器输出电压的正负极性，使得直流电动机可以在四象限中运行，由此构成了可逆的PWM变换器-直流电动机系统。第54页/共81页桥式可逆PWM变换器图4-2 桥式可逆PWM变换器电路第55页/共81页图4-3 双极式控制可逆PWM变换器的驱动电压、输出电压和电流波形在一个开关周期内，n当0tton时，UAB=US，电枢电流id沿回路1流通；n当tont1/2时，为正，电动机正转；当1/2时，为负，电动机反转；

16、当=1/2时，=0，电动机停止。（4-1）（4-2）第58页/共81页双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点：（1）电流一定连续；（2）可使电动机在四象限运行；（3）电动机停止时有微振电流，能消除静磨擦死区；（4）低速平稳性好，系统的调速范围大；（5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。第59页/共81页双极式控制方式的不足之处是：在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。第60页/共81页直流PWM可逆直流调速系统转速反向的过渡过程a点过渡到b点

17、，Id从正向IdL降低为零。b点过渡到c点，Id从零反向上升到允许的制动电流-Idm。c点过渡到d点，回馈制动状态，转速将减速到0。d点过渡到e点，反向起动状态,转速要超调，转速环退饱和。在f点稳定工作，电枢电流与负载电流-IdL相等。图4-4 在坐标系上表示的电动机反向轨迹第61页/共81页直流PWM功率变换器的能量回馈图4-5 桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的原理图整流器 H型桥式PWM变换器 放电电阻 滤波大电容第62页/共81页当可逆系统进入制动状态时，直流PWM功率变换器把机械能变为电能回馈到直流侧，由于二极管整流器导电的单向性，电能不可能通过整流器送回交流电网，只能向滤波电容充电，

18、使电容两端电压升高，称作泵升电压。在大容量或负载有较大惯量的系统中，不可能只靠电容器来限制泵升电压，当PWM控制器检测到泵升电压高于规定值时，开关器件VTb导通，使制动过程中多余的动能以铜耗的形式消耗在放电电阻中。第63页/共81页如果在大容量的调速系统中希望实现电能回馈到交流电网，以取得更好的制动效果并且节能，可以在二极管整流器输出端并接逆变器，把多余的电能逆变后回馈电网。在突加交流电源时，大电容量滤波电容C相当于短路，会产生很大的充电电流，容易损坏整流二极管。为了限制充电电流，在整流器和滤波电容之间串入限流电阻。合上电源后，经过延时或当直流电压达到一定值时，闭合接触器触点K把电阻短路，以免

19、在运行中造成附加损耗。第64页/共81页2.直流PWM调速系统的机械特性对于带制动电流通路的不可逆电路，其电压平衡方程式分两个阶段：(2-19)(2-20)式中R、L分别为电枢电路的电阻和电感。第65页/共81页电压平均值方程 平均电压 平均电流 电枢电感压降的均值 转速（2-21）第66页/共81页机械特性 机械特性方程式为 (2-22)或用转矩表示，(2-23)式中，电动机在额定磁通下的转矩系数；理想空载转速，与电压系数成正比。第67页/共81页图2-12直流PWM调速系统（电流连续）的机械特性第68页/共81页3PWM控制器与变换器的动态数学模型图2-13 PWM控制器与变换器框图 第6

20、9页/共81页传递函数 传递函数为 (2-24)式中：KsPWM装置的放大系数 TsPWM装置的延迟时间，近似的传递函数 (2-25)第70页/共81页4直流PWM调速系统的电能回馈和泵升电压PWM变换器的直流电源通常由交流电网经不可控的二极管整流器产生，并采用大电容C滤波，以获得恒定的直流电压。当电动机工作在回馈制动状态时，电能不可能通过整流装置送回交流电网，只能向滤波电容充电，形成直流PWM变换器-电动机系统特有的电能回馈问题。第71页/共81页对滤波电容充电的结果造成直流侧电压升高，称作“泵升电压”。系统在制动时释放的动能将表现为电容储能的增加，要适当地选择电容的电容量，或采取其它措施，

21、以保护电力电子开关器件不被泵升电压击穿。第72页/共81页2.2 稳态调速性能指标和 直流调速系统的机械特性对于调速系统转速控制的要求：（1）调速在一定的最高转速和最低转速范围内调节转速；（2）稳速以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动；（3）加、减速频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。第73页/共81页转速控制的要求和稳态调速性能指标1、调速范围生产机械要求电动机提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比称为调速范围，用字母D表示，即（2-27）nmax和nmin是电动机在额定负载时的最高和最低转速，对于少数

22、负载很轻的机械，也可用实际负载时的最高和最低转速。第74页/共81页2、静差率s当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落nN与理想空载转速n0之比：（2-28）用百分数表示（2-29）第75页/共81页图2-14 不同转速下的静差率特性a和b的硬度相同，特性a和b额定速降相同，特性a和b的静差率不相同。第76页/共81页3.调速范围、静差率和额定速降之间的关系（2-30）对于同一个调速系统，nN值是定值。要求s值越小时，系统能够允许的调速范围D也越小。一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。第77页/共81页例题2-1 某直流调速系统

23、电动机额定转速为nN=1430r/min，额定速降nN=115r/min，当要求静差率s30%时，允许多大的调速范围？如果要求静差率s 20%，则调速范围是多少？如果希望调速范围达到10，所能满足的静差率是多少？第78页/共81页解 在要求s 30%时，允许的调速范围为 若要求s 20%，则允许的调速范围只有 若调速范围达到10，则静差率只能是第79页/共81页直流调速系统的性能与存在的问题开环调速系统，即无反馈控制的直流调速系统。调节控制电压Uc就可以改变电动机的转速。如果负载要求的静差率不高，开环调速系统能满足一定范围内的无极调速。如果静差率不能太大，要求抑制负载变化引起的转速的波动，则开环系统往往不能满足要求。第80页/共81页感谢您的观看！第81页/共81页