交直流電機(jī)的伺服控制直流伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1直流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)當(dāng)前第1頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)內(nèi)容提要直流調(diào)速方法直流調(diào)速電源直流調(diào)速控制當(dāng)前第2頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)

引言

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)。當(dāng)前第3頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)當(dāng)前第4頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)當(dāng)前第5頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)當(dāng)前第6頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)根據(jù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速方程

2.1.1直流調(diào)速方法nUIRKe式中

—

轉(zhuǎn)速（r/min）；

—電樞電壓（V）；

—電樞電流（A）；

—電樞回路總電阻（

）；

—?jiǎng)?lì)磁磁通（Wb）；

—

由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。（1-1）當(dāng)前第7頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)

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U；（2）減弱勵(lì)磁磁通；（3）改變電樞回路電阻R。當(dāng)前第8頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)（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

Un，n0調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線平行下移。nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線當(dāng)前第9頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)（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

Rn，n0不變；調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟。nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線當(dāng)前第10頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)（3）調(diào)磁調(diào)速工作條件：保持電壓U=UN

；保持電阻R=Ra；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。nn0OTeTL

N

1

2

3nNn1n2n3調(diào)磁調(diào)速特性曲線當(dāng)前第11頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)

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（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。當(dāng)前第12頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)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。當(dāng)前第13頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)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)當(dāng)前第14頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)1.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源

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)介紹幾種主要的可控直流電源。當(dāng)前第15頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)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。當(dāng)前第16頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)1.1.1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)）

當(dāng)前第17頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)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)。當(dāng)前第18頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)G-M系統(tǒng)特性當(dāng)前第19頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)1.1.2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)）

當(dāng)前第20頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)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。當(dāng)前第21頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)V-M系統(tǒng)的特點(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104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。當(dāng)前第22頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)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，造成“電力公害”。當(dāng)前第23頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)1.1.3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。當(dāng)前第24頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)a）原理圖b）電壓波形圖tOuUsUdTton控制電路M1.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

當(dāng)前第25頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)

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；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”。當(dāng)前第26頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為

輸出電壓計(jì)算(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=tonf；其中f為開關(guān)頻率。當(dāng)前第27頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)

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，脈寬調(diào)制變換器（PWM-PulseWidthModulation）。當(dāng)前第28頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)

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。當(dāng)前第29頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)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)；當(dāng)前第30頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)PWM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)（續(xù)）（5）功率開關(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。當(dāng)前第31頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)小結(jié)

三種可控直流電源，V-M系統(tǒng)在上世紀(jì)60~70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。返回目錄當(dāng)前第32頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)1.2晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）

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）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)。當(dāng)前第33頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)

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OOOOO當(dāng)前第34頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)Ud0IdE

等效電路分析

如果把整流裝置內(nèi)阻移到裝置外邊，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1-7V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖

當(dāng)前第35頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)

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；EidLR

瞬時(shí)電壓平衡方程(1-3)當(dāng)前第36頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)

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()可用下式表示當(dāng)前第37頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)1.3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)。當(dāng)前第38頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)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。當(dāng)前第39頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)1.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、

電流波形

PWM變換器的作用是：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。當(dāng)前第40頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)?主電路結(jié)構(gòu)21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)當(dāng)前第41頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)1.不可逆PWM變換器（1）簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器簡(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。

當(dāng)前第42頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)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,iUdEidUsttonT0圖1-16b電壓和電流波形O當(dāng)前第43頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)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)當(dāng)前第44頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)（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妷篣d并沒(méi)有改變極性。當(dāng)前第45頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)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+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1當(dāng)前第46頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)

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。當(dāng)前第47頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)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。當(dāng)前第48頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)U,iUdEidUsttonT0O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、電流波形當(dāng)前第49頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)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EUd

的局面，很快使電流id反向，VD2截止，VT2開始導(dǎo)通。當(dāng)前第50頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)U,iUdEidUsttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUgO

輸出波形c）制動(dòng)狀態(tài)的電壓﹑電流波形當(dāng)前第51頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)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。當(dāng)前第52頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)

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4階段，VT2導(dǎo)通，電流–id沿回路3流通。當(dāng)前第53頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)

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。當(dāng)前第54頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)

輸出波形d）輕載電動(dòng)狀態(tài)的電流波形4123Tton0U,iUdEidUsttonT04123O當(dāng)前第55頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)小結(jié)表1-3二象限不可逆PWM變換器的不同工作狀態(tài)當(dāng)前第56頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)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。當(dāng)前第57頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4H形主電路結(jié)構(gòu)圖1-18橋式可逆PWM變換器當(dāng)前第58頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)

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

；當(dāng)前第59頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)

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，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

；當(dāng)前第60頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)

輸出波形U,iUdEid+UsttonT0-UsOb)正向電動(dòng)運(yùn)行波形U,iUdEid+UsttonT0-UsOc)反向電動(dòng)運(yùn)行波形當(dāng)前第61頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)

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。當(dāng)前第62頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)

調(diào)速范圍

調(diào)速時(shí)，的可調(diào)范圍為0~1，–1<<+1。當(dāng)>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。當(dāng)前第63頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)注意：

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。當(dāng)前第64頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)

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）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。

當(dāng)前第65頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)

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)。當(dāng)前第66頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)1.3.2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，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。當(dāng)前第67頁(yè)\共有74頁(yè)\編于星期二\17點(diǎn)