直流电动机的PWM调速

1直流电动机的PWM调速系统无锡职院数控设备教研室2上节回顾从图中可以看出，接入直流电源以后，电刷A为正极性，电刷B为负极性。电流从正电刷A经线圈ab、cd，到负电刷B流出。根据电磁力定律，在载流导体与磁力线垂直的条件下，线圈每一个有效边将受到一电磁力的作用。电磁力的方向可用左手定则判断，伸开左手，掌心向着N极，4指指向电流的方向，与4指垂直的拇指方向就是电磁力的方向。在图示瞬间，导线ab与dc中所受的电磁力为逆时针方向，在这个电磁力的作用下，转子将逆时针旋转．即图中S的方向。直流电机工作原理随着转子的转动，线圈边位置互换，这时要使转子连续转动．则应使线圈边中的电流方向也加以改变．要进行换向。由于换向器与静止电刷的相互配合作用，线圈不论转到何处，B刷h始终与运动到N极下的线圈边相接触，而电极A始终与运动到S极下的线圈边相接触．这就保证了电流总是经电刷经N极下导体流入，再沿S极导体经电刷B流出。因而电磁力和电磁转矩的方向始终保持不变，使电机沿逆时针方向连续转动。3他激式直流电机的种类串励并励他励4永磁式直流伺服电机结构直流伺服电机构成直流伺服电机的电源特点直流伺服电机的类型5直流电机的基本方程静态方程静态方程是指电机稳态下的机械平衡方程，电压平衡方程。Ia6直流电机的机械特性方程ΦeaaaCRIUn式中n—转速（r/min）；Ua—电枢电压（V）；Ia—电枢电流（A）；Ra—电枢回路总电阻（）；—励磁磁通（Wb）；Ce—由电机结构决定的电动势常数。7他励直流电动机的调速电力拖动系统的调速:1)机械调速;2)电气调速他励电动机的转速公式：esaaCRRIUn)(a电气调速方法：1）调压调速；2）电枢回路串电阻调速；3）调磁调速。8他励直流电动机的调速调速指标：1、调速范围D：minmaxnnD2、静差率（相对稳定性）δ%：指负载变化时，转速变化的程度，转速变化小，稳定性好。%100%100%000nnnnnNNδ%越小，相对稳定性越好；δ%与机械特性硬度和n0有关。9他励直流电动机的调速D与δ%相互制约：)1(maxmaxmin0maxminmaxNNNNnnnnnnnnnnDδ越小，D越小，相对稳定性越好；在保证一定的δ指标的前提下，要扩大D，须减少Δn，即提高机械特性的硬度。10他励直流电动机的调速3、调速的平滑性：在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平滑。相邻两级转速之比，为平滑系数：1iinn越接近1，平滑性越好，当时，称为无级调速，即转速可以连续调节。调速不连续时，级数有限，称为有级调速。14、调速的经济性：主要指调速的投资、运行效率及维修费用等。11他励直流电动机的调速1、电枢回路串电阻调速nTemTLRan0nNA0A’Bn1Ra+Rs1n2Ra+RS2CRS1RS2tt=0n1nNIaNianian12他励直流电动机的调速优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。缺点：2）低速时特性曲线斜率大，静差率大，所以转速的相对稳定性差；3）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为D≦2；4）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速前、后因增通不变而使Tem和Ia不变，输入功率不变，输出功率却随转速的下降而下降，减少的部分被串联电阻消耗了。1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；13他励直流电动机的调速2、降低电压调速Tem0nnNUTLNnA1U01nA’B1nNUUU122U02n2nC降压调速过程与电枢串电阻调速过程相似，调速过程中转速和电枢电流（或转矩）随时间变化的曲线也相似。14他励直流电动机的调速优点：1）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。2）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时稳定性好。3）无论轻载还是负载，调速范围相同，一般可达D=2.5~12。4）电能损耗较小。缺点：需要一套电压可连续调节的直流电源。15他励直流电动机的调速3、减弱磁通调速01n1A’1nBNTemnTL0nANn202n2nCtt=0naNInNn1n1aIaiai16他励直流电动机的调速优点：由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。缺点：机械特性的斜率变大，特性变软；转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，升速范围不可能很大，一般D≤2；为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压调速。17恒转矩调速方式电机长期运行时，电枢电流应小于额定值IN，而电磁转矩Te=KmI。在调压调速范围内，励磁磁通不变，容许的输出转矩也不变，称作“恒转矩调速方式”。18恒功率调速方式在弱磁调速范围内，转速越高，磁通越弱，容许输出转矩减小，而容许输出转矩与转速的乘积则不变，即容许功率不变，为“恒功率调速方式”。19两种调速方式TeNnNnmax变电压调速弱磁调速UNUPPTeUnO两种调速方式20三种调速方法的性能与比较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，在基速以上作小范围的弱磁升速。调压调速能在较大的范围内无级平滑调速。由于串电阻调速和弱磁调速都会使直流他励电机的机械特性变软，所以在实际应用中我们通常采用的是变电压调速。21用晶闸管触发整流整流电路实现电枢电压可调，从而达到改变电机转速的目的。这就是所谓的电源—电动机调速系统（V—M）系统，它属于开环系统。22而由已知条件并设系统电流连续，则其额定转速下的转速降为：例：某电源—电动机直流调速系统，已知电机的额定转速为n=1000r/min，额定电流IN=305A，主回路电阻R=0.18Ω，CeΦN=0.2，若要求电动机调速范围D=20，sn5%，则该调速系统是否能满足要求？min/5.2742.018.0305rCRInNeN解：如果要满足D=20，Sn5%的要求，则其在额定条件下的转速降为：%63.2)05.01(2005.01000)1(sDsnne23由此例不难发现，象这样的电源——电动机所组成的开环调速系统，是没有能力完成其调速指标的。要把额定负载下的转速降从开环系统中的274.5降低到满足要求的2.63就必须采用负反馈，这也就构成了我们所谓的闭环直流调速系统——转速负反馈直流调速。%5.2127510002750nnns而静差率为：24转速负反馈晶闸管直流调速系统给定比较放大晶闸管触发整流他励直流电动机测速发电机反馈电位器25系统的组成由图可见，该系统的控制对象是直流电动机M，被控量是电动机的转速n，晶闸管触发及整流电路为功率放大和执行环节，由运算放大器构成的比例调节器为电压放大和电压(综合)比较环节，电位器RP1为给定元件，测速发电机TG与电位器RP2为转速检测元件。该调速系统的组成框图如下:26系统的自动调节过程：电网波动负载波动27晶闸管整流电路(ThyristorRectifier)√优点：晶闸管整流装置不但经济、可靠而且其功率放大倍数在104以上，门极可直接采用电子电路控制，响应速度为毫秒级。缺点：由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。另一问题是当晶闸管导通角很小时，系统的功率因素很低，并产生较大的谐波电流，从而引起电网电压波动殃及同电网中的用电设备，造成“电力公害”。28速度和电流双闭环直流调速系统前面我们已经讲过，转速负反馈单闭环晶闸管直流调速系统是一种以存在偏差为前提并依据偏差对系统进行调节的系统，这种系统虽然可以用PI调节器来实现系统的无静差调速，但同时也给系统的带来了不利的影响。如前例中，动态响应中的上升时间和调节时间变长等问题。然而在实际的生产过程中，有许多生产机械很大一部分时间是工作在过渡过程中。即它们被要求频繁地起动，或总是处于正反转切换状态。因此为了提高生产效率，我们就要求这样的调速系统要有尽可能短的过渡过程。为了解决调速系统无静差与快速响应之间的矛盾，及提高系统的过载能力，我们采用了速度和电流双闭环直流调速系统。29双闭环调速系统的原理图30•两个环：电流环—内环速度环—外环•速度、电流调节器均采用PI调节器，且带限幅功能。速度和电流双闭环直流调速系统的组成框图31双闭环调速系统的工作原理稳态时：电流调节器ACR的调节作用：电流环为由ACR和电流负反馈组成的闭环，它的主要作用是稳定电流。电流调节器ACR的调节作用dsidsifisiIUIUUUU032的物理意dsidsifisiIUIUUUU0义：当Usi为一定的情况下，由于电流调节器ACR的调节作用，整流装置的电流将保持在Usi/β的数值上。这种保持电流不变的特性，将使系统能：①自动限制最大电流。②能有效抑制电网电压波动的影响。33速度调节器ASR的调节作用速度环是由ASR和转速负反馈组成的闭环，它的主要作用是保持转速稳定，并最后消除转速静差。稳态时：nUnUUUUsnsnfnsn0其物理意义：当Usn为一定的情况下，由于速度调节器ASR的调节作用，转速n将稳定在Usn/α的数值上34①具有良好的静特性(接近理想的“挖土机特性”)。②具有较好的动态特性，起动时间短(动态响应快)③系统抗扰动能力强，电流环能较好地克服电网电压波动的影响，而速度环能抑制被它包围的各个环④由两个调节器分别调节电流和转速。这样，可以分别进行设计，分别调整(先调好电流环，再调速度环)，调整方便。35直流电动机PWM调速系统36直流脉宽调制电源特点：电流脉动小，电枢电流容易连续，不用在主回路中串入大电感，仅靠电枢电感就可滤波。系统低速特性稳定调整范围宽，且无需另加设备就可实现可逆调速。元件只工作在开关状态，主电路损耗小，设备效率较高。交流侧的功率因素和对电网的干扰都比晶闸管整流装置要好。37一、脉宽调制（PWM）及脉宽调制变换器所谓直流脉宽调制是利用电子开关，将直流电源电压转换成为一定频率的方波脉冲电压，然后再通过对方波脉冲宽度的控制来改变供电电压大小与极性，从而达到对电动机进行变压调速的一种方法。简单的脉宽调制电路如图所示：38所谓脉宽调制变换器实际上就是一种直流斩波器。当电子开关在控制电路作用下按某种控制规律进行通断时，在电动机两端就会得到调速所需的、有不同占空比的直流供电电压Ud。采用简单的单管控制时，脉宽电路被称作直流斩波器，后来逐渐发展成用各种脉冲宽度调制开关的控制电路，而这种器件则被称为是脉宽调制变换器（PWM-PulseWidthModulation）。39PWM脉宽调制电路的外型及内部结构PWM脉宽调制电路的系统结构框图40二、PWM驱动装置的组成41PWM驱动装置的控制结构可分为两大部分：功率转换电路和控制电路。功率转换电路：从主电源将能量传递给电动机的电路。工频电网经三相整流得到控制直流电动机所需的直流电压，被施加到由四个大功率晶体管（GTR）V1、V2、V3、V4组成的H桥式功率转换电路上，大功率晶体管由控制电路给V1、V4和V2、V3提供相位差180。的矩形波基极激励电压，而使V1、V4和V2、V3交替导通，将直流电压调制成与给定频率相同的方波脉冲电压，作用到电动机电枢两端，为电动机提供能量。sUiU42控制电路：恒频率波形发生器、脉冲宽度调制电路、基极驱动电路、保护电路等基本电路构成。（1）恒频率波形发生器产生恒定频率的振荡源作为时间比较的基准。（三角波、锯齿波）（2）脉冲宽度调制电路PWM信号形成电路。43电压比较器：两个输入端上分别施加三角波信号和控制信号电压，比较器输出将按照下述规律变化：（1）控制信号电压三角波电压，输出正的电压（2）控制信号电压三角波电压，输出负的电压三角波电压的峰值CCUDDUDPU（3）脉冲分配电路根据功率转换电路工作方式，即大功率晶体管的导通次