雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng).ppt

1、第三節(jié)雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng),帶電流截止負反饋環(huán)節(jié)、采用PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，既保證了電動機的安全運行，又具有較好的動、靜態(tài)性能。然而僅靠電流截止環(huán)節(jié)來限制起動和升速時的沖擊電流，性能并不令人滿意，為充分利用電動機的過載能力來加快起動過程，專門設(shè)置一個電流調(diào)節(jié)器，從而構(gòu)成電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，實現(xiàn)在最大電樞電流約束下的轉(zhuǎn)速過渡過程最快的“最優(yōu)”控制。本節(jié)介紹雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。,轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理,轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成,轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理,電流調(diào)節(jié)環(huán) 速度調(diào)節(jié)環(huán) 雙閉環(huán)系統(tǒng)起動過程分析 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾動

2、性能 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個調(diào)節(jié)器的作用,五 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的限流保護電流截止負反饋,問題的提出 起動的沖擊電流直流電動機全電壓起動時，如果沒有限流措施，會產(chǎn)生很大的沖擊電流，這不僅對電機換向不利，對過載能力低的電力電子器件來說，更是不能允許的。,閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定起動的沖擊電流采用轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上給定電壓時，由于慣性，轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來，反饋電壓仍為零，相當(dāng)于偏差電壓，差不多是其穩(wěn)態(tài)工作值的 1+K 倍。這時，由于放大器和變換器的慣性都很小，電樞電壓一下子就達到它的最高值，對電動機來說，相當(dāng)于全壓起動，當(dāng)然是不允許的。,堵轉(zhuǎn)電流有些生產(chǎn)機械的電動機可能會遇到堵轉(zhuǎn)的情況。例

3、如，由于故障，機械軸被卡住，或挖土機運行時碰到堅硬的石塊等等。由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬，若無限流環(huán)節(jié)，硬干下去，電流將遠遠超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護，一過載就跳閘，也會給正常工作帶來不便。,電樞串電阻起動 引入電流截止負反饋 加積分給定環(huán)節(jié),解決辦法,電流負反饋作用機理,為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動和堵轉(zhuǎn)時電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。 根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個物理量基本不變，就應(yīng)該引入那個物理量的負反饋。那么，引入電流負反饋，應(yīng)該能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。,（1）電樞回路串檢測電阻。 （2）電樞回路接直流互感器。 （3）交流電路接

4、交流互感器。 （4）采用霍爾傳感器。,電流檢測與反饋電路,電流負反饋引入方法,僅采用電流負反饋，不要轉(zhuǎn)速負反饋的系統(tǒng)的靜特性如圖中B 線，特性很陡。顯然僅對起動有利，對穩(wěn)態(tài)運行不利。實際的系統(tǒng)既要采用轉(zhuǎn)速負反饋又要采用電流負反饋。,Idbl,n0,A轉(zhuǎn)速負反饋特性,B電流負反饋特性,調(diào)速系統(tǒng)靜特性,轉(zhuǎn)速和電流負反饋系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖,U*n,Uc,Un,Id,E,n,Ud0,Un,+,+,-,-,-,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖,Ui,靜特性方程,與轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)特性方程相比，上式多了一項由電流反饋引起的轉(zhuǎn)速降落。,穩(wěn)態(tài)特性,Idbl,0,n0,A轉(zhuǎn)速負反饋特性,B電流負反饋特性,C轉(zhuǎn)速電流負反饋特性

5、,采用轉(zhuǎn)速電流調(diào)速系統(tǒng)靜特性,Id,n0,電流截止負反饋,考慮到，限流作用只需在起動和堵轉(zhuǎn)時起作用，正常運行時應(yīng)讓電流自由地隨著負載增減。 如果采用某種方法，當(dāng)電流大到一定程度時才接入電流負反饋以限制電流，而電流正常時僅有轉(zhuǎn)速負反饋起作用控制轉(zhuǎn)速。這種方法叫做電流截止負反饋，簡稱截流反饋。,利用獨立直流電源作比較電壓,M,+,+,-,-,Ud,Id,Rc,VD,Ui,Ucom,接放大器,利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓,Ubr,M,+,-,Ud,Id,Rc,VS,Ui,接放大器,電流截止負反饋環(huán)節(jié)實例,封鎖運算放大器的電流截止負反饋環(huán)節(jié),帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),電流反饋信號來自交流電流檢測裝置

6、，與主電路電流Id成正比,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,O,Ui,Id Rc - Ucom,電流截止負反饋環(huán)節(jié) 的I/O特性,帶電流截止負反饋的 閉環(huán)直流調(diào)速穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖,n,U*n,Uc,Ui,Id,E,Ud0,Un,+,+,-,-,-,Ucom,Id Rs - Ucom,-,+,+,靜特性方程與特性曲線,由上圖可寫出該系統(tǒng)兩段靜特性的方程式。 當(dāng) Id Idcr 時，電流負反饋被截止，靜特性和只有轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性式相同，現(xiàn)重寫于下 當(dāng) Id Idcr時，引入了電流負反饋，靜特性變成,Idbl,Idcr,n0,Id,O,n0,A,B,帶電流截止負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性,D,C,靜特性的兩個特

7、點,（1）電流負反饋的作用相當(dāng)于在主電路中串入一個大電阻 Kp Ks Rs ，因而穩(wěn)態(tài)速降極大，特性急劇下垂。 （2）比較電壓 Ucom 與給定電壓 Un* 的作用一致，好象把理想空載轉(zhuǎn)速提高到,這樣的兩段式靜特性常稱作下垂特性或挖土機特性。當(dāng)挖土機遇到堅硬的石塊而過載時，電動機停下，電流也不過是堵轉(zhuǎn)電流，在靜特性方程式中，令 n = 0，得 一般 Kp Ks Rs R，因此,電流截止負反饋環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計,Idbl應(yīng)小于電機允許的最大電流，一般取 Idbl =（1.52） IN 從調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能上看，希望穩(wěn)態(tài)運行范圍足夠大，截止電流應(yīng)大于電機的額定電流，一般取 Idcr （1.11.2）IN

8、,1、額定勵磁下直流他勵電動機的數(shù)學(xué)模型及動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 電樞回路傳函 電樞回路電壓平衡方程為,一 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型,進行拉氏變換得,電動機傳動系統(tǒng)傳函 電動機傳動系統(tǒng)運動方程式為,對上式兩端取拉氏變換得,Id(s),IL(s),E(s),n(s),Ud0(s),-,-,將上面兩環(huán)節(jié)輸入輸出量連接起來。并考慮,即可得到額定勵磁下他勵直流電動機動態(tài)結(jié)構(gòu)圖,干擾量 的綜合點前移，化簡得,IL(s),n(s),Ud0(s),-,2、觸發(fā)器和晶閘管整流裝置數(shù)學(xué)模型及動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通后，在尚未關(guān)斷之前，改變控制電壓Uct的值，但整流電壓的瞬時波形和 角并不能立即跟隨Uct的變化，通常把這個

9、滯后時間稱作整流裝置的失控時間，用Ts來表示。,u,2,u,d,Uc,t,t,a1,0,Uc1,Uc2,a1,t,t,0,0,0,a2,a2,Ud01,Ud02,TS,O,O,O,O,晶閘管觸發(fā)與整流失控時間分析,晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時間,晶閘管觸發(fā)器和整流裝置輸入輸出關(guān)系為,兩端進行拉氏變換得,晶閘管觸發(fā)器和整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)圖為,Uct,Ud0,3、比例放大器傳函（輸出響應(yīng)可認為是瞬時變化的）,4、測速發(fā)電機傳函（輸出響應(yīng)可認為是瞬時變化的）,將上述四個環(huán)節(jié)按系統(tǒng)中的相互關(guān)系連接在一起，便得到單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。,單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖,令 得閉環(huán)系統(tǒng)傳函為：,二 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

10、穩(wěn)定性分析,系統(tǒng)閉環(huán)傳函特征方程為,由勞斯判據(jù)，得系統(tǒng)的穩(wěn)定條件為,上式表明：在系統(tǒng)參數(shù)Tm、TL、Ts確定的前提下，從動態(tài)穩(wěn)定性考慮，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K必須滿足上式，K超過此值，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。按靜態(tài)調(diào)速指標(biāo)確定的K值還必須按動態(tài)穩(wěn)定性進行驗算。當(dāng)二者發(fā)生矛盾時，還要采取動態(tài)校正措施加以改造。,直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng),概述 PWM調(diào)速系統(tǒng)的控制電路,概述,脈寬調(diào)制的理論 不可逆PWM變換器 可逆PWM變換器 PWM伺服系統(tǒng)的開環(huán)機械特性,脈寬調(diào)制的理論,許多工業(yè)傳動系統(tǒng)都是由公共直流電源或蓄電池供電的。在多數(shù)情況下，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、無軌電車或由

11、蓄電池供電的機動車輛等，它們都有調(diào)速的要求，因此，要把固定電壓的直流電源變換為直流電動機電樞用的可變電壓的直流電源。 由脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation）變換器向直流電動機供電的系統(tǒng)稱為脈沖寬度調(diào)制調(diào)速控制系統(tǒng)，簡稱PWM調(diào)速系統(tǒng)。 圖4-34是脈寬調(diào)制型調(diào)速控制系統(tǒng)原理圖及輸出電壓波形。,不可逆PWM變換器,圖4-35是簡單的不可逆PWM變換器的主電路原理圖，它實際上就是所謂的直流斬波器。電源Us一般由不可控整流電源提供，采用大電容濾波，脈寬調(diào)制器的負載為電動機電樞，它可被看成電阻電感反電動勢負載。二極管在功率管IGBT關(guān)斷時為電樞回路提供釋放電感儲能的續(xù)流回路。,

12、圖4-35所示的簡單不可逆變換器中，電流ia不能反向，因此不能產(chǎn)生制動作用，只能作單象限運行。需要制動時必須具有反向電流ia的通路，因此應(yīng)該設(shè)置控制反向通路的第二個IGBT，如圖4-36a)所示。這種電路組成的PWM伺服系統(tǒng)可在一、二兩個象限運行。,可逆PWM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，它是由四個功率管和四個續(xù)流二極管組成的橋式電路。如圖4-38a)所示，圖中功率管選用IGBT。H型電路在控制方式上分雙極式、單極式兩種工作制。下面著重分析雙極式工作制，然后再簡述單極式工作制的特點。,雙極性可逆PWM變換器 單極式可逆PWM變換器,PWM

13、伺服系統(tǒng)的開環(huán)機械特性,PWM調(diào)速系統(tǒng)的控制電路,PWM開環(huán)傳動系統(tǒng)的簡單原理圖如圖4-41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)動電路和保護電路組成，其中最關(guān)鍵的部件是脈寬調(diào)制器。,脈寬調(diào)制器 集成PWM控制器,脈寬調(diào)制器,脈寬調(diào)制器是一個電壓脈沖變換裝置。由控制電壓Uct進行控制，為PWM變換器提供所需的脈沖信號。 脈寬調(diào)制器的基本原理是將直流信號和一個調(diào)制信號比較，調(diào)制信號可以是三角波，也可以是鋸齒波。鋸齒波脈寬調(diào)制器電路如圖4-42所示，由鋸齒波發(fā)生器和電壓比較器組成。鋸齒波發(fā)生器采用最簡單的單結(jié)晶體管多諧振蕩器4-42a)，為了控制鋸齒波的線性度，使電容器充電電流恒定，由晶體管VT1和穩(wěn)壓管VST構(gòu)成恒流源。,集成PWM控制器,系統(tǒng)框圖,線路簡介 現(xiàn)結(jié)合PWM控制電路(圖4-44)及PWM主電路原理圖(圖4-45)，對線路作一簡介。,IR2110高性能MOSFET和IGBT驅(qū)動集成電路 主要設(shè)計特點和性能 封裝、引腳、功能及用法 工作原理簡介 ( IR2110的原理框圖見圖4-47 ) 應(yīng)用注意事項,TL494、TL495集成電路及其應(yīng)用簡單介紹 TL494和TL495是美國德克薩