永磁直流伺服电机的工作特性曲线

则为波动很小的直流电压（平均电压）。 脉宽的变化使电机电枢的直流电压随着变化。
§6.4 直流伺服电机 （五） 直流进给运动的速度控制（2）PWM调速系统
直流脉宽调调制的基本原理
U 脉宽
脉宽
脉宽 脉宽
周期不变 周期不变
平均直流电压 ωt
脉冲宽度正比代表速度F值的直流电压
§6.4 直流伺服电机 （五） 直流进给运动的速度控制（2）PWM调速系统
Ub1
T1
D1
D3
Ub3
T3
（GTR）T 1 、T 2 、T 3 、T4
及四个续流二极管组成的桥
A
M
B
式电路。
H型： 又分为
双极式、单极
Ub1 Ub 4
式和受限单极 O
式三种。
Ub2
Ub1、 Ub2、Ub3
Ub3 O
Ub4 –为调制器
t1 T
Ub2
T2
D2
t
Ub4
D4
T4
t Ub1、Ub 4
O t3
主回路波形图
α
1a
3b
5c
a
b
2c
4a
6b
①②③④⑤⑥
1
3
5
1
120°
2
4
6
2
60° 120° 180°
1 1 3 35 5 1 1
60° 66 2 2
44
662
60°
b ωt
3 ωt
4 ωt
33 ωt
24 ωt
§6.4 直流伺服电机 （五） 直流进给运动的速度控制
3）控制回路分析
• 触发脉冲产生的过程：
§6.4 直流伺服电机（五） 直流进给运动的速度控制晶 (1)晶闸管调速系统
(1) 晶闸管调速系统 1）系统的组成
• 包括 控制回路：速度环、电流环、触发脉冲发生器等。
• 主回路： 可控硅整流放大器等。
UR
ES 速度 IR
E1 电流
+ -
Uf
调节器
+ -
If
调节器
触发脉冲 发生器
可控硅 整流器
电流反馈
• ③电网波动：电流调节器通过电流反馈信号还起快速的维持和调节电 流 作用，如电网电压突然短时下降，整流输出电压也随之降低，在电 机转速由于惯性还未变化之前，首先引起主回路电流的减小，立即使 电流调节器的输出增加，触发脉冲前移，使整流器输出电压恢复到原 来值，从而抑制了主回路电流的变化。
• ④启动、制动、加减速：电流调节器还能保证电机启动、制动时的大 转矩、加减速的良好动态性能。
US r为0时
U SC t
US r为正时
U SC
t
US r为负时
t
调制出正负脉宽一样方波 调制出脉宽较宽的波形
平均电压为0
平均电压为正
调制出脉宽较窄的波形 平均电压为负
§6.4 直流伺服电机 （五） 直流进给运动的速度控制（2）PWM调速系统
3） 开关功率放大器
US
主回路：可逆H型双极式PWM
开关功率放大器 电路图: 由四个大功率晶体管
2）主回路工作原理
• 组成：由大功率晶闸 管构成的三相全控桥式（三相全波）反并接可逆电路，
分成二大部分（ Ⅰ和 Ⅱ ），每部分内按三相桥式连接，二组反并接，分别
实现正转 和反转。 Ⅰ
Ⅱ
KM
1
35
8
12 10
UD
-
A B C
UM
M
KM
+
462
7
9 11
原理 ： 三相整流器，由二个半波整流电路组成。每部分内又分成共阴极组
O
TL TS T
图6.7 直流电机的机械特性
§6.4 直流伺服电机 （二）一般直流电机的工作特性
2. 动态特性 直流电机的动态力矩平衡方程式为
TM TL J d
dt
式中
TM ─电机电磁转矩； TL ─ 折算到电机轴上的负载转矩； ω ─ 电机转子角速度； J ─ 电机转子上总转动惯量；
t ─时间自变量。
速度极限 40
d 20
110% 120% 130% 140% 160% 180%
200%
0
500
1000
1500 n
图6﹒8永磁直流伺服电机工作曲线
Ⅰ区为连续工作区； Ⅱ区为断续工作区，由负 载-工作周期曲线决定工作时间；Ⅲ区为瞬时加 减速区
0 1 3 tR 6 10 30 60 100 tR(min)
（6.8）
§6.4 直流伺服电机
（三）永磁直流伺服电机的工作特性
1. 永磁直流伺服电机的性能特点 1) 低转速大惯量 2) 转矩大 3) 起动力矩大 4) 调速泛围大，低速运行平稳，力矩波动小
2. 永磁直流伺服电机性能用特性曲线和数据表描述 1) 转矩-速度特性曲线（工作曲线） 2) 负载-工作周期曲线
图6﹒9负载-工作周期曲线
§6.4 直流伺服电机
（四）主轴直流伺服电机的工作原理和特性
P,T
1
2
O
nj
nmax
n
图6.10 直流主轴电机特性曲线 1-转矩特性曲线 2-功率特性曲线
§6.4 直流伺服电机
（五） 直流进给运动的速度控制
• 1.、直流伺服电机的调速原理
•
根据机械特性公式可知调速有二种方法:电枢电压Ua和气隙磁通Φ
（6.4）
§6.4 直流伺服电机 （二）一般直流电机的工作特性
当负载转矩为零时： 理想空载转速
当转速为零时：
0 Ua K e
启动转矩
Ts

Ua Rg
KT
当电机带动某一负载TL时
电机转速与理想空载转速的差
Ra
TL
KeKT 2
（6.5） ( 6.6） （6.7）
ω（n） ωO
△ω
负载较轻时：
③反接制动状态，电流反向：② 状态中，在负载较轻时，则id小，续流
工作原理：
T1 和T4 同时导通和关断，其基极驱动电压Ub1= Ub4。T2和T3同
时导通和关断，基极驱动电压Ub2= Ub3 = –Ub1。以正脉冲较宽为例， 既正转时。
负载较重时：
①电动状态：当0≤t ≤ t1时， Ub1、Ub4为正， T1 和T4 导通；Ub2、Ub3 为负， T2和T3截止。电机端电压UAB=US，电枢电流id= id1，由US→ T1 → T4 → 地。
电流检测
速度反馈
编码器
电机
•
• 速度环：速度调节（PI），作用：好的静态、动态特性。
• 电流环：电流调节(P或PI)。作用：加快响应、启动、低频稳定等。 • 触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移。 • 可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。
§6.4 直流伺服电机 （五） 直流进给运动的速度控制 (1)晶闸管调速系统
(一）直流伺服电机的结构
机壳 极靴
瓦状永磁材料（定子） 电枢（转子）
换向极
主磁极 定子 转子
线圈
图6.5永磁直流伺服电机的结构
图6.6直流主轴电机结构示意图
§6.4 直流伺服电机
（二）一般直流电机的工作特性
1. 静态特性
电磁转矩由下式表示:
TM KT Ia
（6.1）
KT —转矩常数； Φ—磁场磁通；Ia —电枢电流；TM —电磁
（1、3、5）和共阳极组（2、4、6）。为构成回路，这二组中必须各有一 个可控硅同时导通。 1、3、5在正半周导通， 2、4、6在负半周导通。每 组内（即二相间）触发脉冲相位相差120º，每相内二个触发脉冲相差180º。 按管号排列，触发脉冲的顺序：1-2-3-4-5-6，相邻之间相位差60º。
为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通，或已截止的相再次导通， 采用双脉冲控制。既每个触发脉冲在导通60º后，在补发一个辅助脉冲；也 可以采用宽脉冲控制，宽度大于60º，小于120º。
2） 脉宽调制器
同向加法放大器电路图 U S r –速度指令转化过
来的直流电压
U△
R1
U Sr
R1
R2
+ +12V
-
R3
USC
U △- 三角波
USC- 脉宽调制器的输
出（ U S r +U △ ）
调制波形图
U △+U S r
-12V U △+U S r
U△
+U S r
t
o
o
o
t
-U S r
t
U SC
§6.4 直流伺服电机
常用的直流电动机有：永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、 印刷绕组）
励磁式直流电机 混合式直流电机 无刷直流电机 直流力矩电机
直流进给伺服系统： 永磁式直流电机类型中的有槽电枢永磁直 流电机（普通型）；
直流主轴伺服系统： 励磁式直流电机类型中的他激直流电机。
§6.4 直流伺服电机
t
t1 t2 T t3 t1
输出，经脉冲 Ud
分配、基极驱
UAB US O -US
t
动转换过来的
t
脉冲电压。分
id id1 id2 id1 id2
别加到T1 、T2、 T3 、T4的基极。
O
Ub2、Ub 3 O
Ud UAB O
id
id1
O
id4
id2
id1
id3 id4
t t id2 t
§6.4 直流伺服电机 （五） 直流进给运动的速度控制（2）PWM调速系统
②续流维持电动状态：在t1 ≤t ≤ T时， Ub1、Ub4为负， T1 和T4截止； Ub2、Ub3 变正，但T2和T3并不能立即导通，因为在电枢电感储能的 作用下，电枢电流id= id2，由D2→ D3续流，在D2、 D3 上的压降使T2 、 T3的c-e极承受反压不能导通。 UAB=-US。接着再变到电动状态、续流 维持电动状态反复进行，如上面左图。
§6.4 直流伺服电机 （五） 直流进给运动的速度控制
（2） 晶体管脉宽调制（PWM）调速系统 1）系统的组成及特点
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ振荡器
U～
整流
usr
速度调节器 电流调节器 脉宽调节
us f
脉宽调节
电流反馈
功放
G
M
§6.4 直流伺服电机 （五） 直流进给运动的速度控制（2）PWM调速系统
① 主回路： 大功率晶体管开关放大器； 功率整流器。
转矩。电枢回路的电压平衡方程式为:
Ua Ia Ra Ea
（6.2）
Ua─ 电枢上的外加电压；Ra─ 电枢电阻；Ea─ 电枢反电势。
电枢反电势与转速之间有以下关系：
Ea Ke
（6.3）
Ke─电势常数；ω─电机转速（角速度）。
根据以上各式可以求得：
Ua
Ra
TM
Ke Ke KT 2
§6.4 直流伺服电机 （五） 直流进给运动的速度控制 (1)晶闸管调速系统
原理：
只要改变可控 硅触发角（即改变 导通角），就能改 变可控硅的整流输 出电压，从而改变 直流伺服电机的转 速。
触发脉冲提前 来，增大整流输出 电压；触发脉冲延 后来，减小整流输 出电压。
u c
a)
u b)
c) d) 5
• 改变触发角，即改变控制角 （可控硅导通时间），可调速。
没反馈是开环，特性软。
① 速度调节器：比例积分PI，高放大（相当
C短路）—缓放大—增放大—稳定（相当C
开路）无静差。 R3
C
同步信号 方波信号
U1
R2
-
U2
+
R1 ② 电流调节器:同上，加快电流的反应。 ③ 触发脉冲发生器：正弦波同步锯齿波触发
• ⑴改变电枢外加电压Ua :由于绕组绝缘耐压的限制，调压只能在额定
•
转速以下进行。属于恒转矩调速。
Ua
Ra
TM 0
Ke Ke KT 2
n Ua
Ra
TM n0 n
Ce Ce CT 2
• ⑵改变气隙磁通量Φ：改激磁电流即可改Φ，在Ua恒定情况下，磁场接 • 近饱和，故只能弱磁调速，在额定转速以上进行。属于恒功率调速。 • 2.直流速度控制单元调速控方式 • ◆晶闸管（可控硅）调速系统 • ◆晶体管脉宽调制（PWM）调速系统
② 控制回路：
速度调节器；
电流调节器；
区别：
固定频率振荡器及三角波发生器； 脉宽调制器和基极驱动电路。 与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节
器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。 直流脉宽调制：功率放大器中的大功率晶体管工作在开
关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期
内晶体管导通时间（即改变基极调制脉冲宽度） 的方法来改变输出。从而使电机获得脉宽受调制 脉冲控制的电压脉冲，由于频率高及电感的作用
• ①调速：当给定的指令信号增大时，则有较大的偏差信号加到调节器 的输入端，产生前移的触发脉冲，可控硅整流器输出直流电压提高， 电机转速上升。此时测速反馈信号也增大，与大的速度给定相匹配达 到新的平衡，电机以较高的转速运行。
• ②干扰：假如系统受到外界干扰，如负载增加，电机转速下降，速度 反馈电压降低，则速度调节器的输入偏差信号增大，其输出信号也增 大，经电流调节器使触发脉冲前移，晶闸管整流器输出电压升高，使 电机转速恢复到干扰前的数值。
电路，与F直流信号叠加。
同步信号 过零信号
由速度F 变换来的 电流调节 器输出的 直流信号,
1
2
3
1-同步电路 2-移向控制电路 3-脉冲分配器
矩齿波
矩齿波与直 流电压叠加
信号
尖脉冲
(1)晶闸管调速系统
直流电压
§6.4 直流伺服电机 （五） 直流进给运动的速度控制 (1)晶闸管调速系统
• [总结] 速度控制的原理：
过载倍数Tmd，负载工作周期比 d。 3) 数据表：N、T、时间常数、转动惯量等等。
§6.4 直流伺服电机 （三）永磁直流伺服电机的工作特性
3.永磁直流伺服电机的工作特性曲线
d%
M/（N-cm）
转矩极限
12000
80
10000
瞬时换向极限
8000
Ⅲ
60
6000 Ⅱ
换向极限
4000
温度极限
2000 Ⅰ