第4章 直流电动机调速控制系统

图4-35所示的简单不可逆变换器中， 电流ia不能反向，因此不能产生制动作用， 只能作单象限运行。需要制动时必须具有 反向电流—ia的通路，因此应该设置控制 反向通路的第二个IGBT，如图 4-36a)所 示。这种电路组成的PWM伺服系统可在一、 二两个象限运行。
可逆PWM变换器
可逆PWM变换器电路的结构形式有H 型和T型等类，这里主要讨论常用的H型变 换器，它是由四个功率管和四个续流二极 管组成的桥式电路。如图4-38a)所示，图 中功率管选用IGBT。H型电路在控制方式 上分双极式、单极式两种工作制。下面着 重分析双极式工作制，然后再简述单极式 工作制的特点。

转速、电流双闭环调速系统的组成 转速、电流双闭环调速系统的工作原理

转速、电流双闭环调速系统的组成
转速、电流双闭环调速系统的工作原理
电流调节环 速度调节环 双闭环系统起动过程分析 双闭环调速系统的动态抗扰动性能 双闭环调速系统中两个调节器的作用

直流脉宽调速控制系统

概述 PWM调速系统的控制电路
集成PWM控制器

系统框图

线路简介 现结合PWM控制电路(图4-44)及 PWM主电路原理图(图4-45)，对线路作 一简介。

IR2110高性能MOSFET和IGBT驱动集成 电路
• 主要设计特点和性能 • 封装、引脚、功能及用法 • 工作原理简介 ( IR2110的原理框图见图4-47 ) • 应用注意事项

电动机转速与转矩的关系


如果把E =Cen代入式(4-8) ，便可得出电枢电流I的表达式 Ia=(U- Cen )/Ra （4-9） 由上式可见，直流电动机和一般的直流电路不一样，它的电流不仅 取决于外加电压和自身电阻，并且还取决于与转速成正比的反电动 势(当φ为常数) 。将式(4-1) 代入(4-9) 式，可得 n=U/Ce-R Te/ Ce Cm (4-10) 其中Cm=Kmφ，式（4-10）称为电动机的机械特性，它描述了电 动机的转速与转矩之间的关系。 图4-5是机械特性曲线族。在这一曲线族中，不同的电枢电压对应于 不同的曲线，各曲线是彼此平行的。n0( U/Ce)称为“理想空载转 速” ，而⊿n(R Te/ Ce Cm) 称为转速降落。

永磁直流伺服电动机及工作原理 在伺服系统中使用的直流伺服电动机，按转 速的高低可分为两类：高速直流伺服电动机和低 速大扭矩宽调速电动机。目前在数控机床进给驱 动中采用的直流电动机主要是70年代研制成功的 大惯量宽调速直流伺服电动机。这种电动机分为 电励磁和永久磁铁励磁两种，但占主导地位的是 永久磁铁励磁式(永磁式)电动机。图4-2是其基 本原理的示意图。
伺 服 系 统
第 4 篇
直流电动机调速控制系统
内容提要



直流电动机概述 直流电动机的单闭环调速系统 双闭环直流电动机调速系统 直流脉宽调速控制系统 转速、电流双闭环调速系统的 工程设计法 伺服控制系统的计算机辅助设 计
直流电动机概述
直流电动机的基本结构


直流电动机具有良好的启动、制动和调速特性，可很方便地在宽范 围内实现无级调速，故多采用在对电动机的调速性能要求较高的生 产设备中。 直流电动机的结构如图4-1所示，主要包括三大部分： (1) 定子 定子磁极磁场由定子的磁极产生。根据产生磁场的方式， 可分为永磁式和他激式。永磁式磁极由永磁材料制成，他激式磁极 由冲压硅钢片叠压而成，外绕线圈，通以直流电流便产生恒定磁场。 (2) 转子 又叫电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，通以直流 电时，在定子磁场作用下产生带动负载旋转的电磁转矩。 (3) 电刷与换向片 为使所产生的电磁转矩保持恒定方向，转子能沿 固定方向均匀地连续旋转，电刷与外加直流电源相接，换向片与电 枢导体相接。

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电流截止负反馈环节 带电流截止负反馈环节的单闭环无静差调 速系统

双闭环直流电动机调速系统
带电流截止负反馈环节、采用PI调节器的单 闭环调速系统，既保证了电动机的安全运行，又 具有较好的动、静态性能。然而仅靠电流截止环 节来限制起动和升速时的冲击电流，性能并不令 人满意，为充分利用电动机的过载能力来加快起 动过程，专门设置一个电流调节器，从而构成电 流、转速双闭环调速系统，实现在最大电枢电流 约束下的转速过渡过程最快的“最优”控制。本 节介绍双闭环调速系统。
调速指标

静态调速指标
• 调速范围 • 静差率 • 调速范围与静差率的关系

动态调速指标
• 跟随性能指标 • 抗扰性能指标
单闭环直流调速系统

单闭环有静差调速系统 单闭环无静差调速系统

单闭环有静差调速系统

系统的组成及原理 系统的静特性及静态结构图
系统的反馈控制规律 单闭环调速系统的动态特性







由上可知，为满足调速系统的性能指标，在开环系统的基础上，引 入转速负反馈构成单闭环有静差调速系统。 在电动机轴上安装一台测速发电机TG，引出与转速成正比的电压信 号Ufn，以此作为反馈信号与给定电压信号Un比较，所得差值电压 ⊿Un，经放大器产生控制电压Uct，用以控制电动机转速，从而构 成了转速负反馈调速系统，其控制原理图如图4-12所示。 反馈控制的闭环调速系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要 被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。速度降落正是 由负载引起的转速偏差，因而，闭环调速系统能够大大减少转速降 落。其调节过程如下： TL↑→n↓→Ufn↓→⊿Un(=Un-Ufn)↑→Uct↑→Ud↑→n↑


脉宽调制器是一个电压—脉冲变换装置。由控制 电压Uct进行控制，为PWM变换器提供所需的脉 冲信号。 脉宽调制器的基本原理是将直流信号和一个调制 信号比较，调制信号可以是三角波，也可以是锯 齿波。锯齿波脉宽调制器电路如图4-42所示， 由锯齿波发生器和电压比较器组成。锯齿波发生 器采用最简单的单结晶体管多谐振荡器4-42a)， 为了控制锯齿波的线性度，使电容器Ｃ充电电流 恒定，由晶体管VT1和稳压管VST构成恒流源。

转速闭环调速系统的动态数学模型
• 直流电动机传递函数 • 晶闸管触发器和整流器的传递函数 • 放大器及转速反馈环节，放大器为比例调节器
单闭环调速系统的动态结构图和传递函数 转速负反馈单闭环系统的稳定性分析

单闭环无静差调速系统

积分、比例积分控制规律
• 积分调节器及积分控制规律 • 比例积分调节器及控制规律

概述

脉宽调制的理论 不可逆PWM变换器
可逆PWM变换器 PWM伺服系统的开环机械特性



脉宽调制的理论



许多工业传动系统都是由公共直流电源或蓄电池供电的。 在多数情况下，都要求把固定的直流电源电压变换为不 同的电压等级，例如地铁列车、无轨电车或由蓄电池供 电的机动车辆等，它们都有调速的要求，因此，要把固 定电压的直流电源变换为直流电动机电枢用的可变电压 的直流电源。 由脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）变换器向 直流电动机供电的系统称为脉冲宽度调制调速控制系统， 简称PWM调速系统。 图4-34是脉宽调制型调速控制系统原理图及输出电压波 形。

TL494、TL495集成电路及其应用简单介绍
• TL494和TL495是美国德克萨斯仪器公司的产品，原是为开 关电源设计的脉冲宽度调节器作为双端输出类型的脉冲宽度 调制器。国标规定为CW494，图4-49所示为TL494、 TL495单片PWM集成电路的等效方框图和管脚排列图。 • TL495（CW495）是TL494（CW494）的增强型，其方框 电路示于图4-52。它比TL494增加了一个齐纳管VDZ和VZ 电压输出端（15脚）。在触发器上设置一个VD输入端并引 出作为掌舵控制端（13脚）。其结构为双列直插式18引线。



直流电动机转速表达式如式（4-10）所示，由该式可知，直流伺服 电动机有两种调速方法：调节电枢电压Ud及改变电枢附加电阻R。 两种调速方法的机械特性如图4-7所示。 改变电枢电压U所得的机械特性是一组平行变化的曲线[图4-7a)]， 采用此种方法，一般在额定转速以下调速，最低转速取决于电动机 低速时的稳定性。具有调速范围宽，机械特性硬，动态性能好的特 点。在连续改变电枢电压时，能实现无级平滑调速，是目前主要调 速方法之一。 改变电枢电阻即在电枢回路串接不同附加电阻，以调节转速。观察 图4-7b）发现，外接电阻越大，电阻功耗越大，特性越软，稳定性 越差，是有级调速。此法在实际中已很少应用。

电动机转矩平衡方程式 Te=KmIa Te=Cm Ia Tr=Te-T0=TL Te-TL=Jdω/dt
(4-1) (4-2) (4-3) (4-4)



在实际工程计算中，经常用转速n代替角速度ω，用飞轮惯量(也称 飞轮转矩) DG2代替转动惯量J。ω与n的关系，DG2与J的关系为 ω=2πn /60 J =mρ2 = DG2/4g 式中 m－系统转动部分的质量(Kg)；G －系统转动部分的重力 (N)；ρ－为系统转动部分的转动惯性半径(m)；D －为系统转动部 分的转动惯性直径(m)；G－为重力加速度。 将上面两式代入式(4-4) 中，可得 Te-TL= DG2/375 (4-5) 式中 GD2－转动部分的飞轮矩(N· m)； 我们称（Te-TL）为动转矩，动转矩等于零时，系统处于恒转速运行 的稳态；动转矩大于零时，系统处于加速运行的过渡过程中；动转 矩小于零时，系统处于减速运行的过渡过程中。
系统的静特性及静态结构图
系统的反馈控制规律
应用比例调节器的闭环控制系统是有静差 的控制系统 闭环系统对于给定输入绝对服从


转速闭环系统的抗扰动性能 图4-14标出了各种扰动因素对系统的作用。



现以交流电源电压波动为例，定性说明闭环系统 对扰动作用的抑制过程： U2↓→Ud0↓→n↓→Ufn↓→⊿Un↑→n↑ 闭环系统对检测和给定本身的扰动无抑制能力， 若测速发电机磁场不稳定，引起反馈电压Ufn变 化，使转速偏离原值，这种由测速发电机本身误 差引起的转速变化，闭环系统无抑制能力。所以 对测速电动机选择及安装必须特别注意，确保反 馈检测元件的精度是对闭环系统的稳速精度至关 重要的，是决定性的作用。

双极性可逆PWM变换器 单极式可逆PWM变换器

PWM伺服系统的开环机械特性
PWM调速系统的控制电路
PWM开环传动系统的简单原理图如 图4-41所示，其控制电路主要由脉宽调制 器、功率开关器的驱动电路和保护电路组 成，其中最关键的部件是脉宽调制器。

脉宽调制器 集成PWM控制器

脉宽调制器


电动机的电压平衡方程式 E =Keφn (4-6) E =Cen (4-7) 电动机各个电量的方向，如图4-4所示。
图4-4直流电动机中各电量的参考方向 外加电压为U时有 U= E -Ia Ra (4-8) 上式就是直流电动机的电压平衡方程式。它表明了外加电压与反电 动势及电枢内阻压降的平衡关系。或者说，外加电压一部分用来抵 消反电动势，一部分消耗在电枢电阻上。
单闭环调速系统的动态特性
在单闭环有静态差调速系统中，引入 转速负反馈且有了足够大开环放大系数K 后，就可以满足系统的稳态性能要求。由 自动控制理论可知，K值过大时，会引起 闭环系统的不稳定，须采取校正措施才能 使系统正常工作。另外，系统还必须满足 各种动态性能指标。为此，必须进一步分 析系统的动态特性。
不可逆PWM变换器
图4-35是简单的不可逆PWM变换器 的主电路原理图，它实际上就是所谓的直 流斩波器。电源Us一般由不可控整流电源 提供，采用大电容滤波，脉宽调制器的负 载为电动机电枢，它可被看成电阻—电 感—反电动势负载。二极管在功率管IGBT 关断时为电枢回路提供释放电感储能的续 流回路。

直流电动机的单闭环调速系统

调速的定义 直流电动机的调速方法
调速指标 单闭环直流调速系统



调速的定义
所谓调速，是指在某一负载下，通过改变电 动机或电源参数，来改变机械特性曲线，从而使 电动机转速发生变化或保持不变。即调速包含两 方面，其一、在一定范围内“变速”，如图4-6 所示，当电动机负载不变时，转速可由na变到 nb或nc。其二保持“稳速”，在某一速度下运 行的生产机械受到外界干扰（如负载增加），为 了保证电动机工作速度不受干扰的影响而下降， 需要进行调速，使速度接近或等于原来的转速， 如图4-6中nd即为负载由T1增加至T2后的速度， 与na基本一致。