直流電機(jī)小結(jié)

1、第四章第四章 直流調(diào)速系統(tǒng)小結(jié)直流調(diào)速系統(tǒng)小結(jié) 直流拖動(dòng)控制系統(tǒng) 內(nèi)容提要： 直流調(diào)速方法 直流調(diào)速電源 直流調(diào)速控制 G-M系統(tǒng) V-M系統(tǒng) PWM系統(tǒng)2.1.2 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表達(dá)式為： 式中，n 為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）； 為電樞電壓（V）； 為電樞電流（A）； 為電樞回路電阻（）； 為勵(lì)磁磁通（Wb）； 為電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電勢常數(shù)。2aaaaeeeemUI RRnKUTkk kaUaIaReK由式2.1.1可知，直流電動(dòng)機(jī)有三種調(diào)速方法：(1) 調(diào)節(jié)電樞電壓。(2) 調(diào)節(jié)勵(lì)磁磁通。(3) 改變電樞附加電阻。三種調(diào)速方法的機(jī)械特性如圖2.1.2所示。圖2.1.2直

2、流電動(dòng)機(jī)人為機(jī)械特性曲線nT0213321(b)nT001R2R4R3R1234RRRR(c)2.1.3 調(diào)速指標(biāo) 不同的生產(chǎn)機(jī)械，其工藝要求電氣控制系統(tǒng)具 有不同的調(diào)速性能，其指標(biāo)分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào) 速指標(biāo)。1.靜態(tài)調(diào)速指標(biāo)（1）調(diào)速范圍電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下，運(yùn)行的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比稱為調(diào)速范圍，用D表示，即 （2.1.2） 注意：對非弱磁的調(diào)速系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 即為額定轉(zhuǎn)速 。 minmaxnnD maxnNn（2）靜差率靜差率是指電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，當(dāng)負(fù)載由理想空載增加至額定負(fù)載時(shí)，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 與理想空載轉(zhuǎn)速 之比，用百分?jǐn)?shù)表示為靜差率反映了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速受負(fù)載變化的影響程度，它與機(jī)

3、械特性硬度有關(guān)，還與理想空載轉(zhuǎn)速有關(guān)。如圖2.1.3所示，A點(diǎn)靜差率1%，B點(diǎn)靜差率10%，那么能滿足最低轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率，其它轉(zhuǎn)速時(shí)也必然能滿足。000100%100%NNnnnsnnNn0n（3）調(diào)速范圍與靜差率的關(guān)系 在調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中，額定轉(zhuǎn)速為最高轉(zhuǎn)速，靜差 率為最低轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率，則最低轉(zhuǎn)速為snsnsnnnnNNNN)1 ( min0min調(diào)速范圍與靜差率應(yīng)滿足下列關(guān)系式：由以上公式可知，當(dāng)一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性硬度（ ）一定時(shí)，對靜差率要求越高，即靜差率越小，允許的調(diào)速范圍也越小。NNnssnnnD)1 (minmaxNn2. 動(dòng)態(tài)調(diào)速指標(biāo) 動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)包括跟隨性能和抗干擾性能兩類。

4、（1）跟隨性能指標(biāo) 通常以輸出量初始值為零、給定信號(hào)階躍變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程，即階躍響應(yīng)。跟隨性能指標(biāo)有下列各項(xiàng)： 上升時(shí)間 ：在典型的階躍響應(yīng)跟隨過程中，輸出量從零起第一次上升到穩(wěn)態(tài)值 所經(jīng)過的時(shí)間稱為上升時(shí)間，它表示動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性，如圖2.1.4所示。rtc圖2.1.4典型階躍響應(yīng)曲線和跟隨性能指標(biāo) 超調(diào)量 ：在典型的階躍響應(yīng)過程中，輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分?jǐn)?shù)表示，稱為超調(diào)量： 超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。超調(diào)量越小，則相對穩(wěn)定性越好，即動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較平穩(wěn)。%100%maxccc 調(diào)節(jié)時(shí)間 ：調(diào)節(jié)時(shí)間又稱過渡過程時(shí)間，它衡量系統(tǒng)整個(gè)調(diào)節(jié)過程的快慢。原則

5、上應(yīng)從給定量階躍變化起到輸出量完全穩(wěn)定下來為止的時(shí)間。實(shí)際系統(tǒng)一般在階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值附近，取 (或 )的范圍作為允許誤差帶，以響應(yīng)曲線達(dá)到并不再超出該誤差帶所需的最短時(shí)間，定義為調(diào)節(jié)時(shí)間，如圖2.1.4所示。st%5%2（2）抗擾性能指標(biāo) 一般是以系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行中，突加負(fù)載的階躍擾動(dòng)后的動(dòng)態(tài)過程作為典型的抗擾過程，并由此定義抗擾性能指標(biāo)，如圖2.1.5所示。圖2.1.5 突加負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo) 動(dòng)態(tài)降落 ：系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突加一定數(shù)值的擾動(dòng)后引起轉(zhuǎn)速的最大降落值 叫做動(dòng)態(tài)降落，用輸出量原穩(wěn)態(tài)值 的百分?jǐn)?shù)來表示。輸出量在動(dòng)態(tài)降落后逐漸恢復(fù)，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值 ，（ ）是系統(tǒng)在該擾動(dòng)作用

6、下的穩(wěn)態(tài)降落。動(dòng)態(tài)降落一般都大于穩(wěn)態(tài)降落（即靜差）。調(diào)速系統(tǒng)突加額定負(fù)載擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)降落稱作動(dòng)態(tài)速降 。%maxcmaxc1c2c21cc%maxn 恢復(fù)時(shí)間 ：從階躍擾動(dòng)作用開始，到被調(diào)量進(jìn)入離穩(wěn)態(tài)值的 或 的區(qū)域內(nèi)為止所需要的時(shí)間。 震蕩次數(shù)N：震蕩次數(shù)為在恢復(fù)時(shí)間內(nèi)被調(diào)量在穩(wěn)態(tài)值上下擺動(dòng)的次數(shù)，它代表系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗擾能力強(qiáng)弱。ft%5%2開環(huán)V-M系統(tǒng)M+- -dU-gU觸發(fā)器gU 當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械對調(diào)速性能要求不高時(shí)，可采用開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，方框圖如圖2.2.1所示。改變參考電壓 的大小，即可改變觸發(fā)脈沖的控制角，從而使直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓 變化，以達(dá)到改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。但開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速

7、范圍不大。 dU單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)M- -dU-ctU= =GTGT1pR2pR0R0R1RbRfnU+ +dLTGTG+ +- -*nU00000dI-+VTVT2RfR圖2.2.3系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖 PKSKeC1*nUfnUnUctU0dUdRIn利用疊加原理，可得系統(tǒng)的靜特性方程為 )1 ()1 (/1/1/11*KCRIKCUKKCKKCRICKKUCKKRIUnedenspespedespneSpdn開環(huán)放大倍數(shù)前向各環(huán)節(jié)乘積對擾動(dòng)量開環(huán)放大倍數(shù)前向通道各環(huán)節(jié)乘積對給定eSpCKKK1式中, 稱閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)。（1）靜態(tài)速降小，特性硬 在同樣負(fù)載下，兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為 它們

8、之間關(guān)系為 （2.2.4）在同一負(fù)載下，閉環(huán)速降減小到開環(huán)時(shí)的 倍,因而閉環(huán)靜特性硬度大大提高。 deopICRn)1 (KCRInedclKnnopcl1K11（2）系統(tǒng)的靜差率減小，穩(wěn)速精度高 空載轉(zhuǎn)速相同時(shí)，開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為： 當(dāng) 時(shí)， （2.2.5）閉環(huán)時(shí)的靜差率較開環(huán)時(shí)降低至 倍。opopopnnS0clopnn00oclclclnnSKSSopcl1K11（3）系統(tǒng)的調(diào)速范圍大大提高如果電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速均為 ，且開、閉環(huán)系統(tǒng)要求的靜差率相同，則調(diào)速范圍分別為且將式(2.2.4)代入，得 Nn)1 (snsnDopNop)1 (snsnDclNclopclDKD)1 (

9、為使以上優(yōu)點(diǎn)充分顯現(xiàn)，關(guān)鍵是提高閉環(huán)系統(tǒng)的放大系數(shù)K，須設(shè)置檢測與反饋裝置和足夠放大系數(shù)的調(diào)節(jié)器，這樣閉環(huán)系統(tǒng)便能獲得較開環(huán)系統(tǒng)硬得多的靜特性。 把上述四點(diǎn)概況起來，可得下述結(jié)論： 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬的多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所付出的代價(jià)是，須設(shè)置電壓放大器以及檢測與反饋裝置3. 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本性質(zhì) 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有反饋控制的基本規(guī)律如下：（1）采用比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)為有靜差系統(tǒng)有靜差系統(tǒng)的實(shí)際轉(zhuǎn)速不等于給定轉(zhuǎn)速，因?yàn)閺拈]環(huán)靜特性得靜態(tài)速降為：U0是有靜差系統(tǒng)的一大特點(diǎn)declIKCRn)1 ( （2）閉環(huán)系統(tǒng)對于給定輸入絕

10、對服從 給定電壓 是和反饋電壓 相比較的量，又可稱作參考輸入量。 顯然給定電壓的一些微小變化，都會(huì)直接引起輸出量轉(zhuǎn)速的變化。在調(diào)速系統(tǒng)中，改變給定電壓就是在調(diào)整轉(zhuǎn)速。*nUfnU（3）轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)的抗擾動(dòng)性能 在閉環(huán)系統(tǒng)中，當(dāng)給定電壓 不變時(shí)，使電 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化（即系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速偏離設(shè)定 值）的所有因素統(tǒng)稱為系統(tǒng)的擾動(dòng)。*nU 閉環(huán)系統(tǒng)對檢測和給定環(huán)節(jié)本身的擾動(dòng)無抑制能力，若測速發(fā)電機(jī)磁場不穩(wěn)定，引起反饋電壓 變化，使轉(zhuǎn)速偏離原值，這種由測速發(fā)電機(jī)本身誤差引起的轉(zhuǎn)速變化，閉環(huán)系統(tǒng)無抑制調(diào)節(jié)能力。 fnU（1）采用積分調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)圖2.2.17 積分調(diào)節(jié)器無靜差調(diào)速系統(tǒng) （2）

11、由比例積分調(diào)節(jié)器構(gòu)成的無靜差）由比例積分調(diào)節(jié)器構(gòu)成的無靜差系統(tǒng)系統(tǒng)圖2.2.19 比例積分調(diào)節(jié)器無靜差調(diào)速系統(tǒng) 圖2.2.22 帶電流截止無靜差調(diào)速系統(tǒng)原理圖（3）帶電流截止保護(hù)的無靜差調(diào)速系）帶電流截止保護(hù)的無靜差調(diào)速系統(tǒng)統(tǒng)圖2.3.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖 （4） 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)3.1.1 脈寬調(diào)制的理論 許多工業(yè)傳動(dòng)系統(tǒng)都是由公共直流電許多工業(yè)傳動(dòng)系統(tǒng)都是由公共直流電源或蓄電池供電的。在多數(shù)情況下，源或蓄電池供電的。在多數(shù)情況下，都要求把固定的直流電源電壓變換都要求把固定的直流電源電壓變換為不同的電壓等級，例如地鐵列車、為不同的電壓等級，例如地鐵列車、無軌電車或由蓄電池供

12、電的機(jī)動(dòng)車無軌電車或由蓄電池供電的機(jī)動(dòng)車輛等輛等, ,它們都有調(diào)速的要求。它們都有調(diào)速的要求。 圖3.1.1 PWM調(diào)速系統(tǒng) (a)原理圖 (b)輸出電壓波形offt 圖圖3.1.1(a)3.1.1(a)中，假定中，假定IGBT VT1IGBT VT1先導(dǎo)通先導(dǎo)通 秒（忽略秒（忽略VT1VT1的管壓降，這期間電源電壓的管壓降，這期間電源電壓UaUa全部加到電樞上），然后關(guān)斷全部加到電樞上），然后關(guān)斷 秒，秒，電樞失去電源，經(jīng)二極管電樞失去電源，經(jīng)二極管VDVD續(xù)流。如此周續(xù)流。如此周而復(fù)始，則電樞端電壓波形如圖而復(fù)始，則電樞端電壓波形如圖3.1.1(b)3.1.1(b)中所示。電動(dòng)機(jī)電樞端電壓

13、中所示。電動(dòng)機(jī)電樞端電壓UdUd為其平均值：為其平均值： （3.1.13.1.1） 式中式中 ssonsoffonondUUTtUtttUontTttttonoffononont為負(fù)載率或占空比。改變?yōu)樨?fù)載率或占空比。改變，改變電壓，改變電壓，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速：從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速： 定寬調(diào)頻法：定寬調(diào)頻法： 保持一定，使保持一定，使 在在0 0范圍內(nèi)變化；范圍內(nèi)變化； 調(diào)寬調(diào)頻法：調(diào)寬調(diào)頻法： 保持一定，使保持一定，使 在在0 0范圍內(nèi)變化；范圍內(nèi)變化； 定頻調(diào)寬法：定頻調(diào)寬法： 保持一保持一定，使定，使 在在0 0T T范圍內(nèi)變化。范圍內(nèi)變化。ontofftofftTttoff

14、onont 圖3.1.2 不可逆PWM變換器(a)原理圖 (b) 電壓電流波形具備制動(dòng)能力的PWM變換器3.1.3 可逆可逆PWM變換器變換器可逆PWM變換器電路的結(jié)構(gòu)形式有H型和T型等類，這里主要討論常用的H型變換器，它是由四個(gè)功率管和四個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路。1. 雙極性可逆PWM變換器 雙極式工作制的特點(diǎn)是，四個(gè)功率管IGBT 的柵極驅(qū)動(dòng)電壓分為兩組。VT1和VT4同時(shí) 導(dǎo)通和關(guān)斷，其柵極驅(qū)動(dòng)電壓 ； VT2和VT3同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，其柵極驅(qū)動(dòng) 電壓 。41ggUU32ggUU2. 單極式可逆PWM變換器當(dāng)靜、動(dòng)態(tài)性能要求較低時(shí)，可采用單極式PWM變換器。其電路和雙極式的一樣，見圖3.

15、1.5(a)，不同之處在于驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在單極式變換器中, ，具有與雙極式一樣正負(fù)交替的脈沖波形，使VT1和VT2交替導(dǎo)通。VT3和VT4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)改成因電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向而施加不同的直流控制信號(hào)。21gguu3.2 PWM調(diào)速系統(tǒng)的控制電路 PWM開環(huán)傳動(dòng)系統(tǒng)的簡單原理圖如圖3.2.1所示，其控制電路主要由脈寬調(diào)制器、功率開關(guān)器的驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路組成，其中最關(guān)鍵的部件是脈寬調(diào)制器。2. 位置隨動(dòng)系統(tǒng)的主要組成部件位置隨動(dòng)系統(tǒng)的主要組成部件 位置隨動(dòng)系統(tǒng)的基本組成，其原理圖如圖位置隨動(dòng)系統(tǒng)的基本組成，其原理圖如圖2-1所所示。示。 這是一個(gè)電位器式位置隨動(dòng)系統(tǒng)，用來實(shí)現(xiàn)雷達(dá)這是一個(gè)電位器式位置隨動(dòng)系統(tǒng)

16、，用來實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線的跟蹤控制。這個(gè)系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：天線的跟蹤控制。這個(gè)系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成： （1 1）位置檢測器）位置檢測器 （2 2）電壓比較放大器）電壓比較放大器 （3 3）可逆功率放大器）可逆功率放大器 （4 4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)）執(zhí)行機(jī)構(gòu) 圖4.1.1 電位器式位置隨動(dòng)系統(tǒng)原理圖圖4.1.1 電位器式位置隨動(dòng)系統(tǒng)原理圖圖4.1.1電位器式位置隨動(dòng)系統(tǒng)原理圖u 位置信號(hào)檢測裝置 位置隨動(dòng)系統(tǒng)與調(diào)速系統(tǒng)的區(qū)別在于信號(hào)位置隨動(dòng)系統(tǒng)與調(diào)速系統(tǒng)的區(qū)別在于信號(hào)的檢測。的檢測。 位置隨動(dòng)系統(tǒng)要控制的量一般是位置隨動(dòng)系統(tǒng)要控制的量一般是直線位移直線位移或角位移或角位移, , 組成位置環(huán)時(shí)必須通過檢

17、測裝置將組成位置環(huán)時(shí)必須通過檢測裝置將它們轉(zhuǎn)換成一定形式的它們轉(zhuǎn)換成一定形式的電量電量，這就需要位移檢，這就需要位移檢測裝置。測裝置。 位置隨動(dòng)系統(tǒng)中常用的位移檢測裝置有位置隨動(dòng)系統(tǒng)中常用的位移檢測裝置有自自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光電編碼整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光電編碼盤盤等。等。4.2.1自整角機(jī)（BS） 自整角機(jī)是一種感應(yīng)式同步微型電機(jī)。自整角機(jī)是一種感應(yīng)式同步微型電機(jī)。廣泛應(yīng)用于顯示裝置和隨動(dòng)系統(tǒng)中，使機(jī)廣泛應(yīng)用于顯示裝置和隨動(dòng)系統(tǒng)中，使機(jī)械上互不相連的兩根活多根軸能自動(dòng)保持械上互不相連的兩根活多根軸能自動(dòng)保持相同的轉(zhuǎn)角變化，才呈同步旋轉(zhuǎn)。在系統(tǒng)相同的轉(zhuǎn)角變化，才呈同步

18、旋轉(zhuǎn)。在系統(tǒng)中通常是兩臺(tái)或多臺(tái)組合使用。與指令軸中通常是兩臺(tái)或多臺(tái)組合使用。與指令軸相聯(lián)的稱發(fā)送機(jī)，與執(zhí)行軸相聯(lián)的稱接收相聯(lián)的稱發(fā)送機(jī)，與執(zhí)行軸相聯(lián)的稱接收機(jī)。機(jī)。 按用途不同，自整角機(jī)可分為力矩式按用途不同，自整角機(jī)可分為力矩式自整角機(jī)和控制式自整角機(jī)兩類。自整角機(jī)和控制式自整角機(jī)兩類?？刂剖阶哉菣C(jī)控制式自整角機(jī)是作為是作為轉(zhuǎn)角電壓轉(zhuǎn)角電壓變換器變換器用的。使用的。使用時(shí)，將用時(shí)，將兩臺(tái)自兩臺(tái)自整角機(jī)整角機(jī)的定子繞的定子繞組出線端用三根組出線端用三根導(dǎo)線連接起來，導(dǎo)線連接起來，發(fā)送機(jī)發(fā)送機(jī)BST轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子繞組接單相交流繞組接單相交流勵(lì)磁電源，而接勵(lì)磁電源，而接收機(jī)轉(zhuǎn)子繞組輸收機(jī)轉(zhuǎn)子繞組輸出時(shí)

19、反映角位移出時(shí)反映角位移的信號(hào)，如的信號(hào)，如圖圖4.2.2所示。該發(fā)所示。該發(fā)送機(jī)的單相交流送機(jī)的單相交流勵(lì)磁電壓勵(lì)磁電壓Uf的表的表達(dá)式為：達(dá)式為：( )sinffmutUt 自整角機(jī)的輸出電壓為自整角機(jī)的輸出電壓為:Ubs =Ubsmsinsin (t-+90o)式中式中 -失調(diào)角，失調(diào)角，=1-2。這樣，當(dāng)失調(diào)角為零時(shí)，輸出電壓也為這樣，當(dāng)失調(diào)角為零時(shí)，輸出電壓也為0，正，正好符合實(shí)際需要。同時(shí)可以看出，輸出電好符合實(shí)際需要。同時(shí)可以看出，輸出電壓壓Ubs的幅值與發(fā)送機(jī)或接收機(jī)本身的絕的幅值與發(fā)送機(jī)或接收機(jī)本身的絕對位置無關(guān)，只與其相對的失調(diào)角對位置無關(guān)，只與其相對的失調(diào)角的正的正弦成正比。弦成正比。4.2.2 旋轉(zhuǎn)變壓器（BR） 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種特制的兩相旋轉(zhuǎn)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)變壓器是一種特制的兩相旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。機(jī)，由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。 在定子和轉(zhuǎn)子上各有兩套在空間正交的繞在定子和轉(zhuǎn)子上各有兩套在空間正交的繞組。當(dāng)