雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng).ppt

1、第三節(jié)雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng),帶電流截止負(fù)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(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行，又具有較好的動(dòng)、靜態(tài)性能。然而僅靠電流截止環(huán)節(jié)來(lái)限制起動(dòng)和升速時(shí)的沖擊電流，性能并不令人滿意，為充分利用電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力來(lái)加快起動(dòng)過(guò)程，專(zhuān)門(mén)設(shè)置一個(gè)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(shí)現(xiàn)在最大電樞電流約束下的轉(zhuǎn)速過(guò)渡過(guò)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(dòng)過(guò)程分析 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾動(dòng)

2、性能 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用,五 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的限流保護(hù)電流截止負(fù)反饋,問(wèn)題的提出 起動(dòng)的沖擊電流直流電動(dòng)機(jī)全電壓起動(dòng)時(shí)，如果沒(méi)有限流措施，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，這不僅對(duì)電機(jī)換向不利，對(duì)過(guò)載能力低的電力電子器件來(lái)說(shuō)，更是不能允許的。,閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定起動(dòng)的沖擊電流采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上給定電壓時(shí)，由于慣性，轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來(lái)，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(shí)，由于放大器和變換器的慣性都很小，電樞電壓一下子就達(dá)到它的最高值，對(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于全壓起動(dòng)，當(dāng)然是不允許的。,堵轉(zhuǎn)電流有些生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)可能會(huì)遇到堵轉(zhuǎn)的情況。例

3、如，由于故障，機(jī)械軸被卡住，或挖土機(jī)運(yùn)行時(shí)碰到堅(jiān)硬的石塊等等。由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬，若無(wú)限流環(huán)節(jié)，硬干下去，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)允許值。如果只依靠過(guò)流繼電器或熔斷器保護(hù)，一過(guò)載就跳閘，也會(huì)給正常工作帶來(lái)不便。,電樞串電阻起動(dòng) 引入電流截止負(fù)反饋 加積分給定環(huán)節(jié),解決辦法,電流負(fù)反饋?zhàn)饔脵C(jī)理,為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過(guò)大的問(wèn)題，系統(tǒng)中必須有自動(dòng)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(gè)物理量基本不變，就應(yīng)該引入那個(gè)物理量的負(fù)反饋。那么，引入電流負(fù)反饋，應(yīng)該能夠保持電流基本不變，使它不超過(guò)允許值。,（1）電樞回路串檢測(cè)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(cè)與反饋電路,電流負(fù)反饋引入方法,僅采用電流負(fù)反饋，不要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的系統(tǒng)的靜特性如圖中B 線，特性很陡。顯然僅對(duì)起動(dòng)有利，對(duì)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行不利。實(shí)際的系統(tǒng)既要采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋又要采用電流負(fù)反饋。,Idbl,n0,A轉(zhuǎn)速負(fù)反饋特性,B電流負(fù)反饋特性,調(diào)速系統(tǒng)靜特性,轉(zhuǎn)速和電流負(fù)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(xiàng)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(fù)反饋特性,B電流負(fù)反饋特性,C轉(zhuǎn)速電流負(fù)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(fù)反饋,考慮到，限流作用只需在起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)起作用，正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)讓電流自由地隨著負(fù)載增減。 如果采用某種方法，當(dāng)電流大到一定程度時(shí)才接入電流負(fù)反饋以限制電流，而電流正常時(shí)僅有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起作用控制轉(zhuǎn)速。這種方法叫做電流截止負(fù)反饋，簡(jiǎn)稱(chēng)截流反饋。,利用獨(dú)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(fù)反饋環(huán)節(jié)實(shí)例,封鎖運(yùn)算放大器的電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié),帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),電流反饋信號(hào)來(lái)自交流電流檢測(cè)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(fù)反饋環(huán)節(jié) 的I/O特性,帶電流截止負(fù)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(xiě)出該系統(tǒng)兩段靜特性的方程式。 當(dāng) Id Idcr 時(shí)，電流負(fù)反饋被截止，靜特性和只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性式相同，現(xiàn)重寫(xiě)于下 當(dāng) Id Idcr時(shí)，引入了電流負(fù)反饋，靜特性變成,Idbl,Idcr,n0,Id,O,n0,A,B,帶電流截止負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性,D,C,靜特性的兩個(gè)特

7、點(diǎn),（1）電流負(fù)反饋的作用相當(dāng)于在主電路中串入一個(gè)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(chēng)作下垂特性或挖土機(jī)特性。當(dāng)挖土機(jī)遇到堅(jiān)硬的石塊而過(guò)載時(shí)，電動(dòng)機(jī)停下，電流也不過(guò)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(fù)反饋環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計(jì),Idbl應(yīng)小于電機(jī)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(yùn)行范圍足夠大，截止電流應(yīng)大于電機(jī)的額定電流，一般取 Idcr （1.11.2）IN

8、,1、額定勵(lì)磁下直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型及動(dòng)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(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型,進(jìn)行拉氏變換得,電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)傳函 電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式為,對(duì)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(lái)。并考慮,即可得到額定勵(lì)磁下他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,干擾量 的綜合點(diǎn)前移，化簡(jiǎn)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(dòng)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(shí)波形和 角并不能立即跟隨Uct的變化，通常把這個(gè)

9、滯后時(shí)間稱(chēng)作整流裝置的失控時(shí)間，用Ts來(lái)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(shí)間分析,晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時(shí)間,晶閘管觸發(fā)器和整流裝置輸入輸出關(guān)系為,兩端進(jìn)行拉氏變換得,晶閘管觸發(fā)器和整流裝置動(dòng)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(rèn)為是瞬時(shí)變化的）,4、測(cè)速發(fā)電機(jī)傳函（輸出響應(yīng)可認(rèn)為是瞬時(shí)變化的）,將上述四個(gè)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。,單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)態(tài)穩(wěn)定性考慮，閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)K必須滿足上式，K超過(guò)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(dòng)態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。當(dāng)二者發(fā)生矛盾時(shí)，還要采取動(dòng)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(kāi)環(huán)機(jī)械特性,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(jí)，例如地鐵列車(chē)、無(wú)軌電車(chē)或由

11、蓄電池供電的機(jī)動(dòng)車(chē)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)供電的系統(tǒng)稱(chēng)為脈沖寬度調(diào)制調(diào)速控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)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(jiǎn)單的不可逆PWM變換器的主電路原理圖，它實(shí)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(fù)載為電動(dòng)機(jī)電樞，它可被看成電阻電感反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載。二極管在功率管IGBT關(guān)斷時(shí)為電樞回路提供釋放電感儲(chǔ)能的續(xù)流回路。,

12、圖4-35所示的簡(jiǎn)單不可逆變換器中，電流ia不能反向，因此不能產(chǎn)生制動(dòng)作用，只能作單象限運(yùn)行。需要制動(dòng)時(shí)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(gè)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(gè)象限運(yùn)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(lèi)，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。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(jiǎn)述單極式工作制的特點(diǎn)。,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(kāi)環(huán)機(jī)械特性,PWM調(diào)速系統(tǒng)的控制電路,PWM開(kāi)環(huán)傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)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(kāi)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。,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(gè)電壓脈沖變換裝置。由控制電壓Uct進(jìn)行控制，為PWM變換器提供所需的脈沖信號(hào)。 脈寬調(diào)制器的基本原理是將直流信號(hào)和一個(gè)調(diào)制信號(hào)比較，調(diào)制信號(hào)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(jiǎn)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(jiǎn)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(duì)線路作一簡(jiǎn)介。,IR2110高性能MOSFET和IGBT驅(qū)動(dòng)集成電路 主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)和性能 封裝、引腳、功能及用法 工作原理簡(jiǎn)介 ( IR2110的原理框圖見(jiàn)圖4-47 ) 應(yīng)用注意事項(xiàng),TL494、TL495集成電路及其應(yīng)用簡(jiǎn)單介紹 TL494和TL495是美國(guó)德克薩