第5章-直流伺服电动机及其速度控制.ppt

第5章直流伺服电动机及其速度控制5.1直流（DC）伺服电动机概述5.2直流电力拖动控制系统的基本知识5.3直流电动机晶闸管供电的速度控制系统5.4晶体管直流脉宽（PWM）调速系统5.5脉宽调速系统实例本章结构5.1直流（DC）伺服电动机概述5.1.1直流伺服电动机的基本工作原理1.直流伺服电动机的基本工作原理动画它的基本工作原理与普通直流他励电动机相同，不同点在于结构作了改进，以提高其控制性能。2.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；（2）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方向相反。5.1.2直流伺服电动机的基本结构换向磁极主磁极电刷装置机座端盖电枢铁心电枢绕组换向器转轴磁极铁心励磁绕组电刷刷握绝缘支架压紧力调整装置产生励磁磁场固定于机座上用于改善换向，数目等于主磁极由换向片构成，关键部分产生电动势；流过电流，产生电磁转矩磁路的一部分定子转子直流电机气隙5.1.3直流伺服电动机的分类1.根据电机励磁方式分类1）他励：直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给。aIIGUfUfIaII他励直流发电机的电枢电流和负载电流相同，即：2）并励：电动机的励磁绕组与电枢绕组并联。且满足3）串励：励磁绕组与电枢绕组串联。满足UIaIfIaEfIIaEaII=Ia+IfUI=Ia=If4）复励：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。2fIUaEIaI1fIIaEUaI1fI2fI2.根据转速的高低分类1）高速直流伺服电动机；（1）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。2）低速大扭矩宽调速电动机。5.1.4永磁直流伺服电动机1.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3.永磁直流伺服电动机基本方程1）电动机转矩平衡方程式；T=CMΦITs=To+TLT=Ts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。2）电动机的电压平衡方程式；E=CeΦnU=E+IRa外加电压与反电势及电枢内阻压降平衡。3）电动机转速与转矩的关系。U-CeΦnI=RaURan=-TCeΦCeCMΦ2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。5.1.5对直流伺服电动机的要求及选用1.直流电动机的额定值额定条件下电机所能提供的功率NP额定功率指电刷间输出的额定电功率发电机指轴上输出的机械功率电动机发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。在额定工况下，电机出线端的平均电压NU额定电压在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流NI额定电流在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速.Nn额定转速fNI额定励磁电流对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流2.对直流伺服电动机的要求3.直流伺服电动机的选用1）负载转矩2）负载功率ML=∑MR+MMC+Ma5.2直流电力拖动控制系统的基本知识5.2.1电力拖动系统的组成电源自动控制装置电动机执行机构负载5.2.2他励直流电动机的启动降低电源电压和电枢回路串电阻1.他励直流电动机的启动方法T=CMΦIstUN–EaUNIst==RaRa2.降压启动3.电枢电压串电阻启动5.2.3他励直流电动机的机械特性TCCRCUnMee25.2.4他励直流电动机的人为特性2-211.电枢回路串电阻时的人为机械特性TCeCRRCeUnNTpaNN2特点：1）n0不变；2）斜率ß随电阻增大成正比增大，形成一组过n0的放射直线。2-222.改变电枢电源电压时的人为机械特性TCeCRCeUnTaN2特点：1）斜率ß不变，各特性互相平行；2）n0与U成正比。4321UUUU2-233.减少气隙磁通量的人为机械特性TCeCRCeUnTaN2特点：1）Φ减少时，n0增大；3）机械特性是一组直线，Φ减少时，特性上移且变软。2）Φ减少时，β增大；5.2.7电力拖动控制系统的主要技术指标性能指标三个方面：（1）调速；（2）稳速；（3）加减速。1.稳态性能指标1）调速范围2）静差率3）调速范围与静差率的关系2.动态性能指标5.3.1直流电机晶闸管调速系统5.3直流电动机晶闸管供电的速度控制系统由上式可以看出：改变控制电压和改变磁通都可以控制伺服电机的转速和转向。前者是电枢控制（常用），后者是磁场控制。(1)晶闸管调压原理图4.10晶闸管图4.11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A与阴极K间施加正向电压；二是控制级G和阴极K直接施加正向电压。(2)双闭环直流调速系统1）采用带转速负反馈的闭环控制方式测速发电机：输出电势EBR与电动机的转速n成正比。△U=Ug-EBR当电动机负载转矩变化时，EBR随之变化而Ug不变，则△U随即变化，再经过放大器将△U放大去控制执行环节，使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电流随着速度变化而自动调节。•(3)可逆直流调速系统改变电动机旋转方向即改变电动机转矩方向。直流电动机的转矩公式：T=KtφId•1)采用接触器进行切换的可逆线路特点：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0.2-0.5s时间，适用于不经常正反转的系统。AB•2)利用晶闸管切换的可逆线路特点：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。特点：采用两套晶闸管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。•3)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V-M系统，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流。MVRVFUd0fId+--+Ud0rIcRrecRrecRa--~~Ic—环流Id—负载电流危害：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，因此应该予以抑制或消除。利用：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，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，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•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•优越性：调速范围宽、快速性好、电流波形系数好、功率因数好。图4.16直流脉宽调速系统图4.17电动机电枢电压波形①频带宽。②电流脉动小。③电源功率因数高。④动态硬度好。图4.18脉宽调制系统原理•(2)晶体管脉宽调速系统的组成