交直流电机的伺服控制精密驱动技术课件.ppt

交直流电机的伺服控制,精密驱动技术,第 2 章,交直流电机的伺服控制精密驱动技术第 2 章,2.1 直流伺服驱动技术,2.1 直流伺服驱动技术,内容提要,直流调速方法直流调速电源直流调速控制,内容提要直流调速方法,引 言,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伺服领域中得到了广泛的应用。 由于直流伺服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，它又是交流伺服控制系统的基础。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流伺服控制系统。,引 言 直流电动机具有良好的起、制动性能,交直流电机的伺服控制精密驱动技术课件,交直流电机的伺服控制精密驱动技术课件,交直流电机的伺服控制精密驱动技术课件,根据直流电机转速方程,2.1.1 直流调速方法,（1-1）,根据直流电机转速方程,由式（1-1）可以看出，有三种方法调节电动机的转速： （1）调节电枢供电电压 U； （2）减弱励磁磁通 ； （3）改变电枢回路电阻 R。,由式（1-1）可以看出，有三种方法调节电动机的转,（1）调压调速,工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电阻 R = Ra调节过程： 改变电压 UN U U n ， n0 调速特性： 转速下降，机械特性曲线平行下移。,（1）调压调速工作条件：nn0OIILUNU 1U 2U 3,（2）调阻调速,工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电压 U =UN ；调节过程： 增加电阻 Ra R R n ，n0不变；调速特性： 转速下降，机械特性曲线变软。,（2）调阻调速工作条件：nn0OIILR aR 1R 2R,（3）调磁调速,工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R a ；调节过程： 减小励磁 N n ， n0 调速特性： 转速上升，机械特性曲线变软。,调磁调速特性曲线,（3）调磁调速工作条件：nn0OTeTL N 1 2,三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。,三种调速方法的性能与比较 对于要求在一定范围内,闭环控制的直流调速系统,本节着重讨论基本的闭环控制系统及其分析与设计方法。,闭环控制的直流调速系统 本节着重讨论基本的闭环控制,本节提要,1.1 直流调速系统用的可控直流电源1.2 晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题1.3 直流脉宽调速系统的主要问题1.4 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计1.5 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计1.6 比例积分控制规律和无静差调速系统,本节提要1.1 直流调速系统用的可控直流电源,1.1 直流调速系统用的可控直流电源,根据前面分析，调压调速是直流调速系统的主要方法，而调节电枢电压需要有专门向电动机供电的可控直流电源。 本节介绍几种主要的可控直流电源。,1.1 直流调速系统用的可控直流电源 根据前面,常用的可控直流电源有以下三种,旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。静止式可控整流器用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。直流斩波器或脉宽调制变换器用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。,常用的可控直流电源有以下三种旋转变流机组用交流电动机和直,1.1.1 旋转变流机组,图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）,1.1.1 旋转变流机组图1-1旋转变流机组供电的直流调速,G-M系统工作原理,由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电机 G 实现变流，由 G 给需要调速的直流电动机 M 供电，调节G 的励磁电流 if 即可改变其输出电压 U，从而调节电动机的转速 n 。 这样的调速系统简称G-M系统，国际上通称Ward-Leonard系统。,G-M系统工作原理 由原动机（柴油机、交流异步或同,G-M系统特性,G-M系统特性,1.1.2 静止式可控整流器,图1-3 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）,1.1.2 静止式可控整流器图1-3 晶闸管可控整流器,V-M系统工作原理,晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统），图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud ，从而实现平滑调速。,V-M系统工作原理 晶闸管-电动机调速系统（简称V,V-M系统的特点与G-M系统相比较：,晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在10 4 以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。,V-M系统的特点与G-M系统相比较：晶闸管整流装置不仅在经,V-M系统的问题,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。晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt与di/dt 都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。,V-M系统的问题由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，,1.1.3 直流斩波器或脉宽调制变换器,在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市有轨和无轨电车和地铁电机车等电力牵引设备上，常采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电网供电，过去用切换电枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调速，在电阻中耗电很大。,1.1.3 直流斩波器或脉宽调制变换器 在干,1. 直流斩波器的基本结构,图1-5 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形,a）原理图b）电压波形图tOuUsUdTton控制电路M,斩波器的基本控制原理,在原理图中，VT 表示电力电子开关器件，VD 表示续流二极管。当VT 导通时，直流电源电压 Us 加到电动机上；当VT 关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经 VD 续流，两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如图1-5b ，好像是电源电压Us在ton 时间内被接上，又在 T ton 时间内被斩断，故称“斩波”。,斩波器的基本控制原理 在原理图中，VT 表示,电动机得到的平均电压为,输出电压计算,(1-2),式中 T 晶闸管的开关周期； ton 开通时间； 占空比， = ton / T = ton f ；其中 f 为开关频率。,电动机得到的平均电压为 输出电压计算(1-2)式中,为了节能，并实行无触点控制，现在多用电力电子开关器件，如快速晶闸管、GTO、IGBT等。 采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，脉宽调制变换器（PWM-Pulse Width Modulation）。,为了节能，并实行无触点控制，现在多用电力电子,斩波电路三种控制方式,根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分，有三种控制方式：T 不变，变 ton 脉冲宽度调制（PWM）；ton不变，变 T 脉冲频率调制（PFM）；ton和 T 都可调，改变占空比混合型。,斩波电路三种控制方式根据对输出电压平均值进行调制的方式不同,PWM系统的优点,（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；（4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；,PWM系统的优点（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；,PWM系统的优点（续）,（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。,PWM系统的优点（续）（5）功率开关器件工作在开关状态，导通,小 结,三种可控直流电源，V-M系统在上世纪6070年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统。 直流PWM调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取代V-M系统成为主要的直流调速方式。,返回目录,小 结 三种可控直流电源，V-M系统在上世,1.2 晶闸管-电动机系统（V-M系统） 的主要问题,本节讨论V-M系统的几个主要问题：（1）触发脉冲相位控制；（2）电流脉动及其波形的连续与断续；（3）抑制电流脉动的措施；（4）晶闸管-电动机系统的机械特性；（5）晶闸管触发和整流装置的放大系数和 传递函数。,1.2 晶闸管-电动机系统（V-M系统）,在如图可控整流电路中，调节触发装置 GT 输出脉冲的相位，即可很方便地改变可控整流器 VT 输出瞬时电压 ud 的波形，以及输出平均电压 Ud 的数值。,1.2.1 触发脉冲相位控制,在如图可控整流电路中，调节触发装置 GT 输,等效电路分析,如果把整流装置内阻移到装置外边，看成是其负载电路电阻的一部分，那么，整流电压便可以用其理想空载瞬时值 ud0 和平均值 Ud0 来表示，相当于用图示的等效电路代替实际的整流电路。,图1-7 V-M系统主电路的等效电路图,Ud0IdE 等效电路分析 如果把整流装置内阻移,瞬时电压平衡方程,(1-3),EidLR 瞬时电压平衡方程(1-3),对ud0进行积分，即得理想空载整流电压平均值Ud0 。 用触发脉冲的相位角 控制整流电压的平均值Ud0是晶闸管整流器的特点。 Ud0与触发脉冲相位角 的关系因整流电路的形式而异，对于一般的全控整流电路，当电流波形连续时，Ud0 = f () 可用下式表示,对ud0进行积分，即得理想空载整流电压平均值Ud,1.3 直流脉宽调速系统的主要问题,自从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（PWM）的高频开关控制方式形成的脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即直流PWM调速系统。,1.3 直流脉宽调速系统的主要问题 自,本段提要,（1）PWM变换器的工作状态和波形；（2）直流PWM调速系统的机械特性；（3）PWM控制与变换器的数学模型；（4）电能回馈与泵升电压的限制。,本段提要（1）PWM变换器的工作状态和波形；,1.3.1 PWM变换器的工作状态和电压、 电流波形,PWM变换器的作用是：用PWM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系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。 PWM变换器电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两大类，下面分别阐述其工作原理。,1.3.1 PWM变换器的工作状态和电压、, 主电路结构,2,1,图中：Us为直流电源电压，C为滤波电容器，VT为功率开关器件，VD为续流二极管，M 为直流电动机，VT 的栅极由脉宽可调的脉冲电压系列Ug驱动, 主电路结构21图中：Us为直流电源电压，C为滤波电容器，,1. 不可逆PWM变换器,（1）简单的不可逆PWM变换器 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统主电路原理图如图1-16所示，功率开关器件可以是任意一种全控型开关器件，这样的电路又称直流降压斩波器。,1. 不可逆PWM变换器（1）简单的不可逆PWM变换器,工作状态与波形,在一个开关周期内，当0 t ton时，Ug为正，VT导通，电源电压通过VT加到电动机电枢两端；当ton t T 时， Ug为负，VT关断，电枢失去电源，经VD续流。,O,工作状态与波形在一个开关周期内，U, iUdEidUstto,电机两端得到的平均电压为(1-17)式中 = ton / T 为 PWM 波形的占空比，,输出电压方程,改变 （ 0 1 ）即可调节电机的转速，若令 = Ud / Us为PWM电压系数，则在不可逆 PWM 变换器 = (1-18),电机两端得到的平均电压为输出电压方程改变 （ 0 ,（2）有制动的不可逆PWM变换器电路,在简单的不可逆电路中电流不能反向，因而没有制动能力，只能作单象限运行。需要制动时，必须为反向电流提供通路，如图1-17a所示的双管交替开关电路。当VT1 导通时，流过正向电流 + id ，VT2 导通时，流过 id 。应注意，这个电路还是不可逆的，只能工作在第一、二象限， 因为平均电压 Ud 并没有改变极性。,（2）有制动的不可逆PWM变换器电路 在简单的不,图1-17a 有制动电流通路的不可逆PWM变换器,主电路结构,M,+,-,VD2,Ug2,Ug1,VT2,VT1,VD1,E,4,1,2,3,C,Us,+,VT2,Ug2,VT1,Ug1,图1-17a 有制动电流通路的不可逆PWM变换器 主电路结,工作状态与波形,一般电动状态 在一般电动状态中，始终为正值（其正方向示于图1-17a中）。设ton为VT1的导通时间，则一个工作周期有两个工作阶段：在0 t ton期间， Ug1为正，VT1导通， Ug2为负，VT2关断。此时，电源电压Us加到电枢两端，电流 id 沿图中的回路1流通。,工作状态与波形一般电动状态,一般电动状态（续）,在 ton t T 期间， Ug1和Ug2都改变极性，VT1关断，但VT2却不能立即导通，因为id沿回路2经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加反压，使它失去导通的可能。 因此，实际上是由VT1和VD2交替导通，虽然电路中多了一个功率开关器件，但并没有被用上。,一般电动状态（续）在 ton t T 期间， Ug1,输出波形： 一般电动状态的电压、电流波形与简单的不可逆电路波形（图1-16b）完全一样。,b）一般电动状态的电压、电流波形,U, iUdEidUsttonT0O输出波形：b）一般电动状,工作状态与波形（续）,制动状态 在制动状态中， id为负值，VT2就发挥作用了。这种情况发生在电动运行过程中需要降速的时候。这时，先减小控制电压，使 Ug1 的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电压Ud降低。但是，由于机电惯性，转速和反电动势E还来不及变化，因而造成 E Ud 的局面，很快使电流id反向，VD2截止， VT2开始导通。,工作状态与波形（续）制动状态,输出波形,c）制动状态的电压电流波形,U, iUdEidUsttonT04444333VT2VT2,工作状态与波形（续）,轻载电动状态 有一种特殊情况，即轻载电动状态，这时平均电流较小，以致在关断后经续流时，还没有到达周期 T ，电流已经衰减到零，此时，因而两端电压也降为零，便提前导通了，使电流方向变动，产生局部时间的制动作用。,工作状态与波形（续）轻载电动状态,轻载电动状态，一个周期分成四个阶段：第1阶段，VD1续流，电流 id 沿回路4流通；第2阶段，VT1导通，电流 id 沿回路1流通；第3阶段，VD2续流，电流 id 沿回路2流通；第4阶段，VT2导通，电流 id 沿回路3流通。,轻载电动状态，一个周期分成四个阶段：,在1、4阶段，电动机流过负方向电流，电机工作在制动状态； 在2、3阶段，电动机流过正方向电流，电机工作在电动状态。 因此，在轻载时，电流可在正负方向之间脉动，平均电流等于负载电流，其输出波形见图1-17d。,在1、4阶段，电动机流过负方向电流，电机工作在制,输出波形,d）轻载电动状态的电流波形,输出波形d）轻载电动状态的电流波形4123Tton0U,小 结,表1-3 二象限不可逆PWM变换器的不同工作状态,小 结表1-3 二象限不可逆PWM变换器的不同工作状,2. 桥式可逆PWM变换器,可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路，如图1-20所示。 这时，电动机M两端电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里只着重分析最常用的双极式控制的可逆PWM变换器。,2. 桥式可逆PWM变换器 可逆PWM变换器主电,+Us,Ug4,Ug3,VD1,VD2,VD3,VD4,Ug1,Ug2,VT1,VT2,VT4,VT3,1,3,2,A,B,4,VT1,Ug1,VT2,Ug2,VT3,Ug3,VT4,Ug4,H形主电路结构,图1-18 桥式可逆PWM变换器,+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2,双极式控制方式,（1）正向运行：第1阶段，在 0 t ton 期间， Ug1 、 Ug4为正， VT1 、 VT4导通， Ug2 、 Ug3为负，VT2 、 VT3截止，电流 id 沿回路1流通，电动机M两端电压UAB = +Us ；第2阶段，在ton t T期间， Ug1 、 Ug4为负， VT1 、 VT4截止， VD2 、 VD3续流， 并钳位使VT2 、 VT3保持截止，电流 id 沿回路2流通，电动机M两端电压UAB = Us ；,双极式控制方式（1）正向运行：,双极式控制方式（续）,（2）反向运行：第1阶段，在 0 t ton 期间， Ug2 、 Ug3为负，VT2 、 VT3截止， VD1 、 VD4 续流，并钳位使 VT1 、 VT4截止，电流 id 沿回路4流通，电动机M两端电压UAB = +Us ；第2阶段，在ton t T 期间， Ug2 、 Ug3 为正， VT2 、 VT3导通， Ug1 、 Ug4为负，使VT1 、 VT4保持截止，电流 id 沿回路3流通，电动机M两端电压UAB = Us ；,双极式控制方式（续）（2）反向运行：,输出波形,输出波形U, iUdEid+UsttonT0-UsOb),输出平均电压,双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为（1-19） 如果占空比和电压系数的定义与不可逆变换器中相同，则在双极式控制的可逆变换器中 = 2 1 （1-20）注意：这里 的计算公式与不可逆变换器中的公式就不一样了。,输出平均电压 双极式控制可逆PWM变换器的输出平均,调速范围,调速时， 的可调范围为01， 10.5时， 为正，电机正转；当 0.5时， 为负，电机反转；当 = 0.5时， = 0 ，电机停止。,调速范围 调速时， 的可调范围为01， 1,注 意：,当电机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大电机的损耗，这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。,注 意： 当电机停止时电枢电压并不等于零,性能评价,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）可使电机在四象限运行；（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；（4）低速平稳性好，系统的调速范围可达1:20000左右；（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。,性能评价 双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下,性能评价（续）,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。,性能评价（续） 双极式控制方式的不足之处是：,1.3.2 直流脉宽调速系统的机械特性,由于采用脉宽调制，严格地说，即使在稳态情况下，脉宽调速系统的转矩和转速也都是脉动的，所谓稳态，是指电机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态，机械特性是平均转速与平均转矩（电流）的关系。,1.3.2 直流脉宽调速系统的机械特性 由于采,采用不同形式的PWM变换器，系统的机械特性也不一样。对于带制动电流通路的不可逆电路和双极式控制的可逆电路，电流的方向是可逆的，无论是重载还是轻载，电流波形都是连续的，因而机械特性关系式比较简单，现在就分析这种情况。,采用不同形式的PWM变换器，系统的机械特性也不一,对于带制动电流通路的不可逆电路，电压平衡方程式分两个阶段,式中 R、L 电枢电路的电阻和电感。,带制动的不可逆电路电压方程,（0 t ton） （1-21）,（ton t T） （1-22）,对于带制动电流通路的不可逆电路，电压平衡方程式分两,对于双极式控制的可逆电路，只在第二个方程中电源电压由 0 改为 Us ，其他均不变。于是，电压方程为,( 0 t ton ) (1-23),双极式可逆电路电压方程,(ton t T ) (1-24),对于双极式控制的可逆电路，只在第二个方程中电,机械特性方程,按电压方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特性方程式。无论是上述哪一种情况，电枢两端在一个周期内的平均电压都是 Ud = Us，只是 与占空比 的关系不同，分别为式（1-18）和式（1-20）。,机械特性方程 按电压方程求一个周期内的平,平均电流和转矩分别用 Id 和 Te 表示，平均转速 n = E/Ce，而电枢电感压降的平均值 L did / dt 在稳态时应为零。 于是，无论是上述哪一组电压方程，其平均值方程都可写成 (1-25),平均电流和转矩分别用 Id 和 Te 表示，平,机械特性方程,(1-26)或用转矩表示， (1-27)式中 Cm = KmN 电机在额定磁通下的转矩系数； n0 = Us / Ce 理想空载转速，与电压系数成正比。,机械特性方程,PWM调速系统机械特性,图1-20 脉宽调速系统的机械特性曲线（电流连续），n0sUs /Ce,nId , TeavOn0s0.75n0s0.5n0s0,说 明,图中所示的机械曲线是电流连续时脉宽调速系统的稳态性能。图中仅绘出了第一、二象限的机械特性，它适用于带制动作用的不可逆电路，双极式控制可逆电路的机械特性与此相仿，只是更扩展到第三、四象限了。对于电机在同一方向旋转时电流不能反向的电路，轻载时会出现电流断续现象，把平均电压抬高，在理想空载时，Id = 0 ，理想空载转速会翘到 n0sUs / Ce 。,说 明图中所示的机械曲线是电流连续时脉宽调速系统的稳态,目前，在中、小容量的脉宽调速系统中，由于IGBT已经得到普遍的应用，其开关频率一般在10kHz左右，这时，最大电流脉动量在额定电流的5%以下，转速脉动量不到额定空载转速的万分之一，可以忽略不计。,目前，在中、小容量的脉宽调速系统中，由于IGBT已,1.3.3 PWM控制与变换器的数学模型,图1-21绘出了PWM控制器和变换器的框图，其驱动电压都由 PWM 控制器发出，PWM控制与变换器的动态数学模型和晶闸管触发与整流装置基本一致。 按照上述对PWM变换器工作原理和波形的分析，不难看出，当控制电压改变时，PWM变换器输出平均电压按线性规律变化，但其响应会有延迟，最大的时延是一个开关周期 T 。,1.3.3 PWM控制与变换器的数学模型 图,