先進(jìn)伺服大作業(yè)

1、作業(yè)1 H橋驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)分析1. 橋變換器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程圖2 驅(qū)動(dòng)電壓圖1 H橋可逆PWM變換器如圖1所示，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB的極性隨開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電壓的變化而變化，這里分析雙極式控制的可逆PWM變換器。四個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖2所示，它們的關(guān)系是.在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)時(shí)，和導(dǎo)通，和關(guān)斷，電樞電流沿回路1流動(dòng)；當(dāng)時(shí)，和關(guān)斷，和由于和的鉗制作用不能馬上導(dǎo)通，沿回路2流經(jīng)二極管續(xù)流，. 當(dāng)電機(jī)需要降速制動(dòng)時(shí)，先改變控制脈沖的占空比，使驅(qū)動(dòng)電壓的平均值減小，但是由于機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)速和反電勢(shì)還來(lái)不及變化，因而造成，很快使電流反向，在時(shí)，反向電流沿回路4向電源充電，實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)，而和被鉗制不能導(dǎo)通；在時(shí)，

2、和被打開(kāi)，負(fù)向電流通過(guò)和，實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)。當(dāng)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，各器件的導(dǎo)通情況與上述情形相反。圖3繪出了雙極式控制時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的輸出電壓和電流波形。電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)則體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電壓正負(fù)脈沖的寬窄上。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，則的平均值為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，反之則反轉(zhuǎn)；如果正負(fù)脈沖相等，平均電壓為零，則電動(dòng)機(jī)停止。但電動(dòng)機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零，而是正負(fù)圖3 輸出電壓和電流脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的，平均值為零，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)損耗陡然增大，但是此時(shí)消除了正反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)，起“動(dòng)態(tài)潤(rùn)滑”的作用。另外，圖3所示的為輕載狀態(tài)下的輸出電流變化情況。2. 直流電機(jī)啟動(dòng)和降速過(guò)程電動(dòng)機(jī)在未啟動(dòng)之前，轉(zhuǎn)

3、速，反電勢(shì)，而電樞電阻很小，所以將電動(dòng)機(jī)加上額定電壓時(shí)，啟動(dòng)電流將很大，可能燒壞整流子。所以在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)都采用限制電流的方法，下面討論常用的電樞回路串接電阻的方法。圖4 串接電阻啟動(dòng)如圖4所示，當(dāng)在電樞回路串接電阻時(shí)，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流將變成隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，反電動(dòng)勢(shì)E增大，再逐步切除外加電阻直到電機(jī)達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)速。圖4（b）所示為外接1級(jí)電阻啟動(dòng)特性。當(dāng)外接電阻被切除后，工作點(diǎn)將從曲線1變到曲線2，由于在切除外接電阻瞬間，機(jī)械慣性的作用使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不能突變，在此瞬間轉(zhuǎn)速維持不變，即工作點(diǎn)從點(diǎn)a切換到點(diǎn)b，此時(shí)沖擊電流仍然很大，為了避免這種情況，通常采用多級(jí)外接電阻啟動(dòng)方法（如圖5所示）。

4、圖5 外接多級(jí)電阻啟動(dòng)圖6 降壓調(diào)速當(dāng)電動(dòng)機(jī)采用降壓調(diào)速減速時(shí)，運(yùn)行原理如圖6所示。假設(shè)電動(dòng)機(jī)以運(yùn)行在g點(diǎn)，電壓突然降到，此時(shí)由于機(jī)械慣性作用，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n保持不變，故電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)也保持不變，所以電樞電流將從變到，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于點(diǎn)b，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)將沿著曲線減速，直到電機(jī)轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。3. 泵升電壓圖7所示為橋式可逆直流脈寬調(diào)制系統(tǒng)主電路的原理圖，PWM變換器的直流電源通常由交變電網(wǎng)經(jīng)過(guò)不可控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容C濾波，以獲得恒定的電壓。處濾波作用外，電容C還有在電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)吸收系統(tǒng)動(dòng)能的作用。由于是二極管整流電路供電，所以不能回饋電能，電動(dòng)

5、機(jī)制動(dòng)時(shí)只能對(duì)濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，稱(chēng)作“泵升電壓”。電力電子器件的耐壓限制著最高泵升電壓，因此電容量不可能很小，在大容量或負(fù)載有較大慣量的系統(tǒng)中，不可能只靠電容器來(lái)限制泵升電壓，這時(shí)采用圖7中的鎮(zhèn)流電阻來(lái)消耗部分電能。對(duì)于更大容量的系統(tǒng)，為了提高效率，可以再二極管整流器輸出端并接逆變器，把多余的能量逆變后回饋電網(wǎng)，當(dāng)然這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。圖7 橋式可逆直流脈寬調(diào)制系統(tǒng)主電路原理圖作業(yè)2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制設(shè)計(jì)有一轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的H型雙極式PWM直流調(diào)速系統(tǒng)，已知電動(dòng)機(jī)參數(shù)為：PN=200W UN=48V IN=3.7A nN=200r/min電樞電阻RN=6.5W

6、電樞回路總電阻R=8 W 允許電流過(guò)載倍數(shù)l=2電勢(shì)系數(shù)Ce=0.12Vmin/r 電磁時(shí)間常數(shù)Tl=0.015s機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.2s 電流反饋濾波時(shí)間常數(shù) Toi=0.001s轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)Ton=0.005s 設(shè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓Unm= Uim= Ucm=10V，調(diào)節(jié)器輸入電阻R0=40kW，PWM環(huán)節(jié)的開(kāi)關(guān)頻率f=1kHz，放大倍數(shù)Ks=4.8。試對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)指標(biāo)：（1）穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差（2）電流超調(diào)量si=£5%（3）過(guò)渡過(guò)程時(shí)間ts£0.1s以報(bào)告形式提供控制參數(shù)分析與設(shè)計(jì)過(guò)程，以及Simulink 仿真驗(yàn)證結(jié)果。圖1 電流環(huán)化簡(jiǎn)結(jié)果首先

7、確定時(shí)間常數(shù)。整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)，三相H橋平均失控時(shí)間，電流濾波時(shí)間常數(shù)，電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。接下來(lái)選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，并保證無(wú)靜差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。因?yàn)殡娏鳝h(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，因此可用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為其中為電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，為電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：，參照典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能與參數(shù)的關(guān)系可知，各項(xiàng)指標(biāo)是可以接受的。接下來(lái)計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的各項(xiàng)參數(shù)，要求，所以，所以另外電流反饋系數(shù)。于是ACR的比例系數(shù)為校驗(yàn)近似條件，電流環(huán)截止頻率1) 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件滿(mǎn)足近似條件2) 忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)

8、態(tài)影響的條件滿(mǎn)足近似條件3) 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件滿(mǎn)足近似條件。根據(jù)以上條件及相關(guān)公式，可以計(jì)算各電阻和電容值為按照上述計(jì)算結(jié)果搭建Simulink仿真框圖，得到仿真結(jié)果如圖2和圖3所示，可見(jiàn)電流環(huán)滿(mǎn)足性能指標(biāo)。圖2 電流環(huán)仿真框圖圖3 電流環(huán)響應(yīng)曲線下面開(kāi)始設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，轉(zhuǎn)速環(huán)可以轉(zhuǎn)化為圖3所示框圖圖4 轉(zhuǎn)速環(huán)化簡(jiǎn)結(jié)果電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)，轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)，則轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)為。按照設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為按照跟隨性和抗干擾性都能較好的原則，取，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為則轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)為于是可以求得ASR的比例系數(shù)為下面檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻

9、率為電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為滿(mǎn)足簡(jiǎn)化條件。轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為滿(mǎn)足近似條件。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，就可以求解電路元件各參數(shù)，求得按照上述計(jì)算結(jié)果搭建Simulink仿真框圖，得到仿真結(jié)果如圖3所示，速度環(huán)滿(mǎn)足性能指標(biāo)。圖5 轉(zhuǎn)速環(huán)仿真曲線圖6 轉(zhuǎn)速環(huán)響應(yīng)曲線作業(yè)3PWM型伺服驅(qū)動(dòng)器EMI問(wèn)題分析1. EMI問(wèn)題的產(chǎn)生在任何系統(tǒng)中，形成電磁干擾必須具備三個(gè)基本條件，即干擾源、接受單元、有耦合通道。其中有耦合通道指把能量動(dòng)干擾源耦合的敏感接收器上，并使系統(tǒng)性能明顯惡化的媒介。在PWM系統(tǒng)中，電磁干擾的來(lái)源主要有以下幾個(gè)方面。1) 交流電網(wǎng)的負(fù)載突變交流電網(wǎng)負(fù)載突變時(shí)（如電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)，各種

10、用電器的通斷等），在負(fù)載突變處產(chǎn)生瞬變電壓波，其振幅可高于電源電壓，而且前沿陡峭，頻帶很寬，相當(dāng)于周期為毫秒至納秒的高頻振蕩電壓。它經(jīng)由直流穩(wěn)壓電源進(jìn)入控制子線路，再經(jīng)過(guò)寄生電容進(jìn)入大地，構(gòu)成閉合回路。2) 強(qiáng)電干擾系統(tǒng)內(nèi)部的強(qiáng)電元件，如電磁鐵、繼電器、接觸器、電動(dòng)機(jī)等感性負(fù)載，在通過(guò)過(guò)程中產(chǎn)生瞬時(shí)過(guò)電壓和沖擊電流。這是高頻振蕩電壓，它不僅影響驅(qū)動(dòng)電路，而且會(huì)通過(guò)電源進(jìn)入電子線路造成干擾，還可能經(jīng)過(guò)布線電容、電磁感應(yīng)干擾其他信號(hào)線路。3) GTR切換PWM功率轉(zhuǎn)換電路中GTR在開(kāi)關(guān)切換過(guò)程中，大脈沖電流引起磁的或電磁的干擾幅值大而且變化快速，電流回路與地構(gòu)成環(huán)路產(chǎn)生的磁場(chǎng)耦合形成最嚴(yán)重的干擾。

11、這種干擾最難消除、最復(fù)雜。4) 輻射干擾直流伺服電機(jī)在PWM控制下，電樞繞組中的電流改變方向，形成磁場(chǎng)的急劇變化，其電刷的換向火花也全產(chǎn)生高頻輻射，通過(guò)導(dǎo)線竄入電子控制線路，通過(guò)電機(jī)輻射干擾測(cè)速發(fā)電機(jī)。另外還有一些功能性的干擾源，例如微處理機(jī)的時(shí)鐘，三角波發(fā)生器，多諧波振蕩器，PWM功率轉(zhuǎn)換電路以及其他周期性信號(hào)發(fā)生器。任何具有固定頻率的設(shè)備都是一種潛在的連續(xù)波干擾源。2. 干擾傳遞方式干擾信號(hào)可多種途徑從擾源耦合到敏感單元上。這些途徑包括公共導(dǎo)線（例如：公共電源、公用連線等），設(shè)備間電容，相鄰導(dǎo)線的互感，通過(guò)空間輻射以及交變電磁場(chǎng)中的導(dǎo)線。傳遞方式式可歸結(jié)為：傳導(dǎo)耦合、公共阻抗耦合以及輻射電

12、磁場(chǎng)耦合。1) 傳導(dǎo)耦合 傳導(dǎo)耦合就是通過(guò)導(dǎo)體來(lái)傳播不希望有的電磁能量。它們通過(guò)電源線、信號(hào)輸入輸出線路和控制線路等來(lái)傳播干擾。導(dǎo)線或?qū)w是傳遞干擾的重要途徑。2) 公共阻抗耦合 在PWM系統(tǒng)中，指令信號(hào)與反饋信號(hào)比較，再經(jīng)電壓、電流放大后控制直流伺服電動(dòng)機(jī)，那么在信號(hào)號(hào)傳遞中總需要一個(gè)公共基準(zhǔn)點(diǎn)電位參考點(diǎn)，這就形成了公共阻抗，流進(jìn)公共阻抗的電流便將干擾耦合到其它電路中去。不良的接地方式是引起公共阻抗耦合的主要原因。3) 輻射耦合 所有的元器件或?qū)Ь€，當(dāng)有電荷運(yùn)行時(shí)都會(huì)輻射電磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)又可分為近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)。遠(yuǎn)場(chǎng)的耦合方式以碰輻射形式為主；近場(chǎng)耦臺(tái)又分為電容性耦合和電感性耦合。所謂電容性耦合是指

13、系統(tǒng)內(nèi)部元器件和元器件之間、導(dǎo)線和導(dǎo)線之間、導(dǎo)線和元器件之間及導(dǎo)線、元器件和結(jié)構(gòu)件之間，由于存在著分布電容，如果高電位的導(dǎo)體中有干擾電壓，通過(guò)分布電容使低電位導(dǎo)體受到影響，也就是說(shuō)，通過(guò)導(dǎo)線間的分布電容使某一電路對(duì)另一電路形成交鏈。電感性耦合是指導(dǎo)體中電流流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的磁通，通過(guò)互感被相鄰導(dǎo)線或電路耦合而產(chǎn)生感應(yīng)電壓。電感耦合的主要途徑是通過(guò)變壓器耦臺(tái)和并行導(dǎo)線間的耦合，而并行導(dǎo)線間的耦臺(tái)是最為嚴(yán)重的。3. 消除干擾的方法正如上面所述，在任何系統(tǒng)中，形成電磁干擾必須具備三個(gè)基本條件，即干擾源、接受單元、有耦合通道。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造、安裝和調(diào)試過(guò)程中，只要消除了其中一個(gè)因素，干擾就被克服了。例如抑

14、制干擾的產(chǎn)生，切斷傳遞干擾的通道，提高敏感接受單元的抗干擾能力，都可以克服電磁兼容性問(wèn)題。PWM系統(tǒng)電磁兼容問(wèn)題抑制方法主要有以下幾種。1) 在干擾源處抑制干擾。2) 采取良好的接地方式。3) 加強(qiáng)屏蔽和隔離以阻斷干擾串入通道。4) 用濾波器阻擋及電容旁路，以消除干擾的傳播。5) 提高控制線路的抗干擾能力，降低系統(tǒng)對(duì)干擾的靈敏度。6) 采取合理的元器件布局和布線。PWM系統(tǒng)的功率損耗，除與功率轉(zhuǎn)換電路GTR的飽和壓降、集電報(bào)反向漏電流有關(guān)外，還直接與GTR的導(dǎo)通和關(guān)斷有關(guān)。隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高。GTR的開(kāi)關(guān)損耗也將越來(lái)越大。為了提高PWM功率轉(zhuǎn)換電路的效率應(yīng)盡可能減小GTR的導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間。

15、但隨著開(kāi)關(guān)頻率和開(kāi)關(guān)速度的提高，由此而帶來(lái)的干擾也將隨之增加。功率轉(zhuǎn)換電路GTR的開(kāi)通速率高，基極驅(qū)動(dòng)電路提供的正向電流大，則施加到續(xù)流二極管上的反向電壓上升率也大，尖峰電流幅度和也大。因此，適當(dāng)減緩CTR的開(kāi)通速率（相應(yīng)的開(kāi)通損耗將增加，因而需要綜合考慮）并限制集電極電流幅度或選用反向恢復(fù)時(shí)間短、復(fù)合電荷少的開(kāi)關(guān)續(xù)流二極管，亦即造成GTR開(kāi)通速度相對(duì)于續(xù)流二極管反向恢復(fù)時(shí)間緩慢，使能有效地減小尖峰電流。另外抑制共態(tài)導(dǎo)通現(xiàn)象也能消除電磁兼容問(wèn)題?？缃釉陔娫磧啥说膬芍籊TR出現(xiàn)瞬間同時(shí)導(dǎo)通而造成功率轉(zhuǎn)換電路的電源對(duì)地直通短路的現(xiàn)象，稱(chēng)為共態(tài)導(dǎo)通。共態(tài)導(dǎo)通的現(xiàn)象一般出現(xiàn)在T型，H型PWM功率轉(zhuǎn)換電

16、路中。由于共態(tài)導(dǎo)通，回路出現(xiàn)很大的短路電流它不但會(huì)加大GTR的工作電流·增加瞬間功耗。使GTR很容易進(jìn)入二次擊穿區(qū)域，還會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。在H型功率轉(zhuǎn)換電路中，有兩組GTR周期地交替工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。如果同側(cè)對(duì)管由于存儲(chǔ)效應(yīng)，使得導(dǎo)通的管子尚未截止時(shí)原來(lái)截止的管子就進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)共態(tài)導(dǎo)通現(xiàn)象。另一方面，當(dāng)設(shè)計(jì)基極驅(qū)動(dòng)電路中疏忽或工藝不當(dāng)，有時(shí)幅度高于觸發(fā)電平的瞬時(shí)干擾脈沖作用到基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)上使要求截止的管子瞬時(shí)誤觸發(fā)導(dǎo)通，從而形成共態(tài)導(dǎo)通。這時(shí)在電源線上的干擾脈沖幅度是相當(dāng)高的。無(wú)論從干擾角度，還是從可靠性和效率角度來(lái)分析，都必須防止共態(tài)導(dǎo)通的出現(xiàn)。對(duì)于由GTR存儲(chǔ)時(shí)間所引起的共態(tài)導(dǎo)通，采取開(kāi)啟延遲等方法排除；