交直流電機(jī)的伺服控制-直流伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、交直流電機(jī)的伺服控制 第 2 章 內(nèi)容提要內(nèi)容提要 n直流調(diào)速方法 n直流調(diào)速電源 n直流調(diào)速控制 q 引引 言言 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大 范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的 伺服領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 由于直流伺服控制系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較 成熟，而且從控制的角度來(lái)看，它又是交流伺服控 制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，為了保持由淺入深的教學(xué)順 序，應(yīng)該首先很好地掌握直流伺服控制系統(tǒng)。 根據(jù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速方程 e K IRU n n U I R Ke 式中 轉(zhuǎn)速（r/min）； 電樞電壓（V）； 電樞電流（A）； 電樞回路總電阻（ ）； 勵(lì)磁磁通（Wb）； 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定

2、的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。 （1-1） 由式（1-1）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動(dòng) 機(jī)的轉(zhuǎn)速： （1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U； （2）減弱勵(lì)磁磁通）減弱勵(lì)磁磁通 ； （3）改變電樞回路電阻）改變電樞回路電阻 R。 （1）調(diào)壓調(diào)速 工作條件： 保持勵(lì)磁 = N ； 保持電阻 R = Ra 調(diào)節(jié)過(guò)程： 改變電壓 UN U U n ， n0 調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性 曲線平行下移。 n n0 OIIL UN U 1 U 2 U 3 nN n1 n2 n3 調(diào)壓調(diào)速特性曲線 （2）調(diào)阻調(diào)速 工作條件： 保持勵(lì)磁 = N ； 保持電壓 U =UN ； 調(diào)節(jié)過(guò)程： 增加電阻 Ra R R n ，

3、n0不變； 調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性 曲線變軟。 n n0 OIIL R a R 1 R 2 R 3 nN n1 n2 n3 調(diào)阻調(diào)速特性曲線 （3）調(diào)磁調(diào)速 工作條件： 保持電壓 U =UN ； 保持電阻 R = R a ； 調(diào)節(jié)過(guò)程： 減小勵(lì)磁 N n ， n0 調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性 曲線變軟。 n n0 O TeTL N 1 2 3 nN n1 n2 n3 調(diào)磁調(diào)速特性曲線 三種調(diào)速方法的性能與比較 對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)， 以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能 有級(jí)調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范 圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速

4、（即電機(jī) 額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。 因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為 主。 閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 本節(jié)著重討論基本的閉環(huán)控制系 統(tǒng)及其分析與設(shè)計(jì)方法。 本節(jié)提要本節(jié)提要 1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源 1.2 晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）的主要問(wèn)題 1.3 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問(wèn)題 1.4 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計(jì) 1.5 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì) 1.6 比例積分控制規(guī)律和無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng) 根據(jù)前面分析，調(diào)壓調(diào)速是直流調(diào)速系 統(tǒng)的主要方法，而調(diào)節(jié)電樞電壓需要有專 門向電動(dòng)機(jī)供電的可控直流電源。 本節(jié)介紹幾

5、種主要的可控直流電源。 常用的可控直流電源有以下三種 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組 成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。 靜止式可控整流器用靜止式的可控整流器， 以獲得可調(diào)的直流電壓。 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器用恒定直流電 源或不控整流電源供電，利用電力電子開關(guān)器件 斬波或進(jìn)行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)生可變的平均電壓。 1.1.1 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組 圖1-1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)） G-M系統(tǒng)工作原理 由原動(dòng)機(jī)（柴油機(jī)、交流異步或同步電動(dòng)機(jī)）拖動(dòng)直 流發(fā)電機(jī) G 實(shí)現(xiàn)變流，由 G 給需要調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī) M 供電，調(diào)節(jié)G 的勵(lì)磁電流 if 即可改變其輸出電壓 U， 從而

6、調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 。 這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)稱G-M系統(tǒng)，國(guó)際上通稱Ward- Leonard系統(tǒng)。 G-M系統(tǒng)特性 n 第I象限 第IV象限 OTeTL -TL n0 n1 n2 第II象限 第III象限 圖1-2 G-M系統(tǒng)機(jī)械特性 1.1.2 靜止式可控整流器靜止式可控整流器 圖1-3 晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)） V-M系統(tǒng)工作原理 晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng)，又稱靜 止的Ward-Leonard系統(tǒng)），圖中VT是晶閘管可控 整流器，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓 Uc 來(lái) 移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud ，從 而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。 V-M系統(tǒng)的

7、特點(diǎn)與G-M系統(tǒng)相比較： 晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提 高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。晶閘 管可控整流器的功率放大倍數(shù)在10 4 以上，其門極電 流可以直接用晶體管來(lái)控制，不再像直流發(fā)電機(jī)那樣 需要較大功率的放大器。 在控制作用的快速性上，變流機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管 整流器是毫秒級(jí)，這將大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 V-M系統(tǒng)的問(wèn)題 由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向， 給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。 晶閘管對(duì)過(guò)電壓、過(guò)電流和過(guò)高的dV/dt與di/dt 都 十分敏感，若超過(guò)允許值會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)損壞 器件。 由諧波與無(wú)功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及 附近的用電設(shè)備

8、，造成“電力公害”。 1.1.3 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器 在干線鐵道電力機(jī)車、工礦電力機(jī)車、城市有軌 和無(wú)軌電車和地鐵電機(jī)車等電力牽引設(shè)備上，常采 用直流串勵(lì)或復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)，由恒壓直流電網(wǎng)供電， 過(guò)去用切換電樞回路電阻來(lái)控制電機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng) 和調(diào)速，在電阻中耗電很大。 a）原理圖b）電壓波形圖 t O u Us Ud T ton 控制電路控制電路 M 1. 直流斬波器的基本結(jié)構(gòu) 圖1-5 直流斬波器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理圖和電壓波形 斬波器的基本控制原理 在原理圖中，VT 表示電力電子開關(guān)器件，VD 表示 續(xù)流二極管。當(dāng)VT 導(dǎo)通時(shí)，直流電源電壓 Us 加到電 動(dòng)機(jī)上；

9、當(dāng)VT 關(guān)斷時(shí)，直流電源與電機(jī)脫開，電動(dòng) 機(jī)電樞經(jīng) VD 續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復(fù)， 電樞端電壓波形如圖1-5b ，好像是電源電壓Us在ton 時(shí) 間內(nèi)被接上，又在 T ton 時(shí)間內(nèi)被斬?cái)?，故稱“斬 波”。 電動(dòng)機(jī)得到的為 輸出電壓計(jì)算 ss on d UU T t U(1-2) 式中 T 晶閘管的開關(guān)周期； ton 開通時(shí)間； 占空比， = ton / T = ton f ； 其中 f 為開關(guān)頻率。 為了節(jié)能，并實(shí)行無(wú)觸點(diǎn)控制，現(xiàn)在多用電力 電子開關(guān)器件，如快速晶閘管、GTO、IGBT等。 采用簡(jiǎn)單的單管控制時(shí)，稱作直流斬波器，后 來(lái)逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度調(diào)制開關(guān)的電路， 脈寬

10、調(diào)制變換器（PWM-Pulse Width Modulation）。 斬波電路三種控制方式 根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同而劃分， 有三種控制方式： T 不變，變 ton 脈沖寬度調(diào)制（PWM）； ton不變，變 T 脈沖頻率調(diào)制（PFM）； ton和 T 都可調(diào)，改變占空比混合型。 PWM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) （1）主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少； （2）開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損 耗及發(fā)熱都較??； （3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá) 1:10000左右； （4）若與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng) 態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)； PWM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)（續(xù)） （5）功率

11、開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗 小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因 而裝置效率較高； （6）直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù) 比相控整流器高。 小小 結(jié)結(jié) 三種可控直流電源，V-M系統(tǒng)在上世紀(jì)6070年 代得到廣泛應(yīng)用，目前主要用于大容量系統(tǒng)。 直流PWM調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技術(shù)，發(fā)展迅速， 應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的系統(tǒng)中，已 取代V-M系統(tǒng)成為主要的直流調(diào)速方式。 返回目錄返回目錄 1.2 晶閘管晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）系統(tǒng)） 的主要問(wèn)題的主要問(wèn)題 本節(jié)討論V-M系統(tǒng)的幾個(gè)主要問(wèn)題： （1）觸發(fā)脈沖相位控制； （2）電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)； （3）

12、抑制電流脈動(dòng)的措施； （4）晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性； （5）晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和 傳遞函數(shù)。 在如圖可 控整流電路 中，調(diào)節(jié)觸 發(fā)裝置 GT 輸 出脈沖的相 位，即可很 方便地改變 可控整流器 VT 輸出瞬時(shí) 電壓 ud 的波 形，以及輸 出平均電壓 Ud 的數(shù)值。 1.2.1 觸發(fā)脈沖相位控制觸發(fā)脈沖相位控制 a)u 1 T VT R L u 2 u VT u d id u 2 0t12 t t t t t u g 0 u d 0 id 0 u VT 0 b) c) d) e) f) + + + O O O O O Ud0 Id E 等效電路分析 如果把整流裝置 內(nèi)阻移到裝

13、置外邊， 看成是其負(fù)載電路 電阻的一部分，那 么，整流電壓便可 以用其理想空載瞬 時(shí)值 ud0 和平均值 Ud0 來(lái)表示，相當(dāng)于 用圖示的等效電路 代替實(shí)際的整流電 路。 圖1-7 V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖 式中 電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)； 整流電流瞬時(shí)值； 主電路總電感； 主電路等效電阻； 且有 R = Rrec + Ra + RL； E id L R 瞬時(shí)電壓平衡方程 t i LRiEu d d d dd0 (1-3) 對(duì)ud0進(jìn)行積分，即得理想空載整流電壓平均值 Ud0 。 用觸發(fā)脈沖的相位角 控制整流電壓的平均值 Ud0是晶閘管整流器的特點(diǎn)。 Ud0與觸發(fā)脈沖相位角 的關(guān)系因整流電路的 形式

14、而異，對(duì)于一般的全控整流電路，當(dāng)電流波 形連續(xù)時(shí)，Ud0 = f () 可用下式表示 1.3 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問(wèn)題直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問(wèn)題 自從全控型電力電子器件問(wèn)世以后，就出現(xiàn)了采 用脈沖寬度調(diào)制（PWM）的高頻開關(guān)控制方式形成 的脈寬調(diào)制變換器-直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱直流 脈寬調(diào)速系統(tǒng)，即直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。 本段提要本段提要 （1）PWM變換器的工作狀態(tài)和波形； （2）直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性； （3）PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型； （4）電能回饋與泵升電壓的限制。 1.3.1 PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、變換器的工作狀態(tài)和電壓、 電流波形電流波形 PWM變換器的作用是：

15、用PWM調(diào)制的方法，把恒 定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖 電壓系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào) 節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。 PWM變換器電路有多種形式，主要分為不可逆與 可逆兩大類，下面分別闡述其工作原理。 圖1-16 簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) VD Us + Ug C VT id M + _ _ E （a）電路原理圖 M 主電路結(jié)構(gòu) 2 1 圖中：Us為直流電源電壓，C為濾波 電容器，VT為功率開關(guān)器件，VD為 續(xù)流二極管，M 為直流電動(dòng)機(jī)，VT 的柵極由脈寬可調(diào)的脈沖電壓系列 Ug驅(qū)動(dòng) 1. 不可逆PWM變換器 （1）簡(jiǎn)單的不可逆）簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器變換器

16、 簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 主電路原理圖如圖1-16所示，功率開關(guān)器件可 以是任意一種全控型開關(guān)器件，這樣的電路又 稱直流降壓斬波器。 工作狀態(tài)與波形 在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)， 當(dāng)0 t ton時(shí)，Ug為 正，VT導(dǎo)通，電源 電壓通過(guò)VT加到電 動(dòng)機(jī)電樞兩端； 當(dāng)ton t T 時(shí)， Ug 為負(fù)，VT關(guān)斷，電 樞失去電源，經(jīng)VD 續(xù)流。 U, i Ud E id Us t tonT 0 圖1-16b 電壓和電流波形 O ss on d UU T t U 電機(jī)兩端得到的平均電壓為 (1-17) 式中 = ton / T 為 PWM 波形的占空比， 輸出電壓方程 改變 （ 0 1 ）即可

17、調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，若令 = Ud / Us為PWM電壓系數(shù)，則在不可逆 PWM 變換 器 = (1-18) （2）有制動(dòng)的不可逆PWM變換器電路 在簡(jiǎn)單的不可逆電路中電流不能反向，因而沒(méi)有 制動(dòng)能力，只能作單象限運(yùn)行。需要制動(dòng)時(shí)，必須 為反向電流提供通路，如圖1-17a所示的雙管交替 開關(guān)電路。當(dāng)VT1 導(dǎo)通時(shí)，流過(guò)正向電流 + id ， VT2 導(dǎo)通時(shí)，流過(guò) id 。應(yīng)注意，這個(gè)電路還是 不可逆的，只能工作在第一、二象限， 因?yàn)槠骄?電壓 Ud 并沒(méi)有改變極性。 圖1-17a 有制動(dòng)電流通路的不可逆PWM變換器 主電路結(jié)構(gòu) M + - VD2 Ug2 Ug1 VT2 VT1 VD1 E 4 1

18、 2 3 C Us+ M VT2 Ug2 VT1 Ug1 工作狀態(tài)與波形 一般電動(dòng)狀態(tài) 在一般電動(dòng)狀態(tài)中，始終為正值（其正方向 示于圖1-17a中）。設(shè)ton為VT1的導(dǎo)通時(shí)間，則 一個(gè)工作周期有兩個(gè)工作階段： 在0 t ton期間， Ug1為正，VT1導(dǎo)通， Ug2為負(fù)， VT2關(guān)斷。此時(shí)，電源電壓Us加到電樞兩端， 電流 id 沿圖中的回路1流通。 一般電動(dòng)狀態(tài)（續(xù)） 在 ton t T 期間， Ug1和Ug2都改變極性，VT1關(guān) 斷，但VT2卻不能立即導(dǎo)通，因?yàn)閕d沿回路2經(jīng)二 極管VD2續(xù)流，在VD2兩端產(chǎn)生的壓降給VT2施加 反壓，使它失去導(dǎo)通的可能。 因此，實(shí)際上是由VT1和VD2

19、交替導(dǎo)通，雖然 電路中多了一個(gè)功率開關(guān)器件，但并沒(méi)有被用 上。 U, i Ud E id Us t tonT 0 O 輸出波形： 一般電動(dòng)狀態(tài) 的電壓、電流 波形與簡(jiǎn)單的 不可逆電路波 形（圖1-16b） 完全一樣。 b）一般電動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形 工作狀態(tài)與波形（續(xù)） 制動(dòng)狀態(tài) 在制動(dòng)狀態(tài)中， id為負(fù)值，VT2就發(fā)揮作用了。 這種情況發(fā)生在電動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中需要降速的時(shí) 候。這時(shí)，先減小控制電壓，使 Ug1 的正脈沖 變窄，負(fù)脈沖變寬，從而使平均電樞電壓Ud降 低。但是，由于機(jī)電慣性，轉(zhuǎn)速和反電動(dòng)勢(shì)E 還來(lái)不及變化，因而造成 E Ud 的局面，很 快使電流id反向，VD2截止， VT2開始導(dǎo)

20、通。 U, i Ud E id Us ttonT 0 4444333 VT2VT2VT2 VD1VD1 VD1VD1 t Ug O 輸出波形 c）制動(dòng)狀態(tài)的電壓電流波形 工作狀態(tài)與波形（續(xù)） 輕載電動(dòng)狀態(tài) 有一種特殊情況，即輕載電動(dòng)狀態(tài)，這 時(shí)平均電流較小，以致在關(guān)斷后經(jīng)續(xù)流時(shí)， 還沒(méi)有到達(dá)周期 T ，電流已經(jīng)衰減到零，此 時(shí)，因而兩端電壓也降為零，便提前導(dǎo)通了， 使電流方向變動(dòng)，產(chǎn)生局部時(shí)間的制動(dòng)作用。 輕載電動(dòng)狀態(tài)，一個(gè)周期分成四個(gè)階段： 第1階段，VD1續(xù)流，電流 id 沿回路4流通； 第2階段，VT1導(dǎo)通，電流 id 沿回路1流通； 第3階段，VD2續(xù)流，電流 id 沿回路2流通； 第

21、4階段，VT2導(dǎo)通，電流 id 沿回路3流通。 在1、4階段，電動(dòng)機(jī)流過(guò)負(fù)方向電流，電機(jī) 工作在制動(dòng)狀態(tài)； 在2、3階段，電動(dòng)機(jī)流過(guò)正方向電流，電機(jī) 工作在電動(dòng)狀態(tài)。 因此，在輕載時(shí)，電流可在正負(fù)方向之間脈 動(dòng)，平均電流等于負(fù)載電流，其輸出波形見圖 1-17d。 n 輸出波形 d）輕載電動(dòng)狀態(tài)的電流波形 4 12 3 Tton 0 U, i Ud E id Us t ton T 0 4 1 2 3 O 小小 結(jié)結(jié) 表1-3 二象限不可逆PWM變換器的不同工作狀態(tài) 2. 橋式可逆PWM變換器 可逆PWM變換器主電路有多種形式，最常用的是 橋式（亦稱H形）電路，如圖1-20所示。 這時(shí)，電動(dòng)機(jī)M兩

22、端電壓的極性隨開關(guān)器件柵極驅(qū) 動(dòng)電壓極性的變化而改變，其控制方式有雙極式、單 極式、受限單極式等多種，這里只著重分析最常用的 雙極式控制的可逆PWM變換器。 +Us Ug4 M + - Ug3 VD1 VD2 VD3 VD4 Ug1 Ug2 VT1 VT2 VT4 VT3 1 3 2 AB 4 M VT1 Ug1 VT2 Ug2 VT3 Ug3 VT4 Ug4 n H形主電路結(jié)構(gòu) 圖1-18 橋式可逆PWM變換器 n 雙極式控制方式 （1）正向運(yùn)行： 第1階段，在 0 t ton 期間， Ug1 、 Ug4為正， VT1 、 VT4導(dǎo)通， Ug2 、 Ug3為負(fù)，VT2 、 VT3截止， 電流

23、 id 沿回路1流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB = +Us ； 第2階段，在ton t T期間， Ug1 、 Ug4為負(fù)， VT1 、 VT4截止， VD2 、 VD3續(xù)流， 并鉗位使VT2 、 VT3 保持截止，電流 id 沿回路2流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電 壓UAB = Us ； n 雙極式控制方式（續(xù)） （2）反向運(yùn)行： 第1階段，在 0 t ton 期間， Ug2 、 Ug3為負(fù)， VT2 、 VT3截止， VD1 、 VD4 續(xù)流，并鉗位使 VT1 、 VT4截止，電流 id 沿回路4流通，電動(dòng)機(jī) M兩端電壓UAB = +Us ； 第2階段，在ton t T 期間， Ug2 、 Ug3 為正

24、， VT2 、 VT3導(dǎo)通， Ug1 、 Ug4為負(fù)，使VT1 、 VT4 保持截止，電流 id 沿回路3流通，電動(dòng)機(jī)M兩端 電壓UAB = Us ； n 輸出波形 U, i Ud E id +Us tton T 0 -Us O b) 正向電動(dòng)運(yùn)行波形 U, i Ud E id +Us t ton T 0 -Us O c) 反向電動(dòng)運(yùn)行波形 n 輸出平均電壓 雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為 （1-19） 如果占空比和電壓系數(shù)的定義與不可逆變換器 中相同，則在雙極式控制的可逆變換器中 = 2 1 （1-20） 注意：這里 的計(jì)算公式與不可逆變換器中的公 式就不一樣了。 s on s

25、on s on d ) 1 2 (U T t U T tT U T t U n 調(diào)速范圍 調(diào)速時(shí)， 的可調(diào)范圍為01， 1 0.5時(shí)， 為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)； 當(dāng) 0.5時(shí)， 為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)； 當(dāng) = 0.5時(shí)， = 0 ，電機(jī)停止。 注注 意：意： 當(dāng)電機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零，而是正 負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變 的。這個(gè)交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn) 矩，徒然增大電機(jī)的損耗，這是雙極式控制的缺 點(diǎn)。但它也有好處，在電機(jī)停止時(shí)仍有高頻微振 電流，從而消除了正、反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)，起 著所謂“動(dòng)力潤(rùn)滑”的作用。 n 性能評(píng)價(jià) 雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優(yōu)點(diǎn)： （1）

26、電流一定連續(xù)； （2）可使電機(jī)在四象限運(yùn)行； （3）電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)； （4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)1:20000 左右； （5）低速時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有 利于保證器件的可靠導(dǎo)通。 n 性能評(píng)價(jià)（續(xù)） 雙極式控制方式的不足之處是： 在工作過(guò)程中，4個(gè)開關(guān)器件可能都處于開 關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且在切換時(shí)可能發(fā)生 上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、 下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。 1.3.2 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性 由于采用脈寬調(diào)制，嚴(yán)格地說(shuō)，即使在穩(wěn)態(tài)情 況下，脈寬調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速也都是脈動(dòng)的，

27、所謂穩(wěn)態(tài)，是指電機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩 相平衡的狀態(tài)，機(jī)械特性是平均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩 （電流）的關(guān)系。 采用不同形式的PWM變換器，系統(tǒng)的機(jī)械特性 也不一樣。對(duì)于帶制動(dòng)電流通路的不可逆電路和 雙極式控制的可逆電路，電流的方向是可逆的， 無(wú)論是重載還是輕載，電流波形都是連續(xù)的，因 而機(jī)械特性關(guān)系式比較簡(jiǎn)單，現(xiàn)在就分析這種情 況。 對(duì)于帶制動(dòng)電流通路的不可逆電路，電壓平衡方 程式分兩個(gè)階段 式中 R、L 電樞電路的電阻和電感。 n 帶制動(dòng)的不可逆電路電壓方程 E t i LRiU d dd d s （0 t ton） （1-21） E t i LRi d d 0 d d （ton t T） （1-22） 對(duì)于雙極式控制的可逆電路，只在第二個(gè)方程中電 源電壓由 0 改為 Us ，其他均不變。于是，電壓方程 為 E t i LRiU d d d ds ( 0 t ton ) (1-23) n 雙極式可逆電路電壓方程 E t i LRiU d d d ds (ton t T ) (1-24) n 機(jī)械特性方程 按電壓方程求一個(gè)周期內(nèi)的平均值，即可導(dǎo)出 機(jī)械特性方程式。無(wú)論是上述哪一種情況，電樞兩 端在一個(gè)周期內(nèi)的平均電壓都是