自动化-ab变频器的原理及其应用

常用的直流电动机有：永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、 印刷绕组） 励磁式直流电机 混合式直流电机 无刷直流电机 直流力矩电机 直流进给伺服系统： 永磁式直流电机类型中的有槽电枢永磁直 流电机（普通型）； 直流主轴伺服系统： 励磁式直流电机类型中的他激直流电机。,§6.4 直流伺服电机,(一）直流伺服电机的结构,§6.4 直流伺服电机,1. 静态特性 电磁转矩由下式表示: （6.1） KT 转矩常数； 磁场磁通；Ia 电枢电流；TM 电磁 转矩。电枢回路的电压平衡方程式为: （6.2） Ua 电枢上的外加电压；Ra 电枢电阻；Ea 电枢反电势。 电枢反电势与转速之间有以下关系： （6.3） Ke电势常数；电机转速（角速度）。 根据以上各式可以求得： （6.4）,（二）一般直流电机的工作特性,§6.4 直流伺服电机,当负载转矩为零时： 理想空载转速 （6.5） 当转速为零时： 启动转矩 ( 6.6） 当电机带动某一负载TL时 电机转速与理想空载转速的差 （6.7）,§6.4 直流伺服电机,（二）一般直流电机的工作特性,2. 动态特性 直流电机的动态力矩平衡方程式为 （6.8） 式中 TM 电机电磁转矩； TL 折算到电机轴上的负载转矩； 电机转子角速度； J 电机转子上总转动惯量； t 时间自变量。,§6.4 直流伺服电机,（二）一般直流电机的工作特性,1. 永磁直流伺服电机的性能特点 1) 低转速大惯量 2) 转矩大 3) 起动力矩大 4) 调速泛围大，低速运行平稳，力矩波动小 2. 永磁直流伺服电机性能用特性曲线和数据表描述 1) 转矩-速度特性曲线（工作曲线） 2) 负载-工作周期曲线 过载倍数Tmd，负载工作周期比 d。 3) 数据表：N、T、时间常数、转动惯量等等。,（三）永磁直流伺服电机的工作特性,§6.4 直流伺服电机,d% 80 110% 120% 60 130% 140% 40 160% d 180% 20 200% 0 1 3 tR 6 10 30 60 100 tR(min) 图69负载-工作周期曲线,（三）永磁直流伺服电机的工作特性,§6.4 直流伺服电机,3.永磁直流伺服电机的工作特性曲线,（四）主轴直流伺服电机的工作原理和特性,§6.4 直流伺服电机,（五） 直流进给运动的速度控制,1.、直流伺服电机的调速原理 根据机械特性公式可知调速有二种方法:电枢电压Ua和气隙磁通 改变电枢外加电压Ua :由于绕组绝缘耐压的限制，调压只能在额定 转速以下进行。属于恒转矩调速。 改变气隙磁通量：改激磁电流即可改，在Ua恒定情况下，磁场接 近饱和，故只能弱磁调速，在额定转速以上进行。属于恒功率调速。 2.直流速度控制单元调速控方式 晶闸管（可控硅）调速系统 晶体管脉宽调制（PWM）调速系统,§6.4 直流伺服电机,晶闸管调速系统 1）系统的组成,包括 控制回路：速度环、电流环、触发脉冲发生器等。 主回路： 可控硅整流放大器等。 速度环：速度调节（PI），作用：好的静态、动态特性。 电流环：电流调节(P或PI)。作用：加快响应、启动、低频稳定等。 触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移。 可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。,（五） 直流进给运动的速度控制晶 (1)晶闸管调速系统,§6.4 直流伺服电机,2）主回路工作原理,组成：由大功率晶闸 管构成的三相全控桥式（三相全波）反并接可逆电路，分成二大部分（ 和 ），每部分内按三相桥式连接，二组反并接，分别实现正转 和反转。,原理 ： 三相整流器，由二个半波整流电路组成。每部分内又分成共阴极组 （1、3、5）和共阳极组（2、4、6）。为构成回路，这二组中必须各有一 个可控硅同时导通。 1、3、5在正半周导通， 2、4、6在负半周导通。每 组内（即二相间）触发脉冲相位相差120º，每相内二个触发脉冲相差180º。 按管号排列，触发脉冲的顺序：1-2-3-4-5-6，相邻之间相位差60º。 为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通，或已截止的相再次导通， 采用双脉冲控制。既每个触发脉冲在导通60º后，在补发一个辅助脉冲；也 可以采用宽脉冲控制，宽度大于60º，小于120º。,（五） 直流进给运动的速度控制 (1)晶闸管调速系统,§6.4 直流伺服电机,原理：,主回路波形图,只要改变可控 硅触发角（即改变 导通角），就能改 变可控硅的整流输 出电压，从而改变 直流伺服电机的转 速。 触发脉冲提前 来，增大整流输出 电压；触发脉冲延 后来，减小整流输 出电压。,（五） 直流进给运动的速度控制 (1)晶闸管调速系统,§6.4 直流伺服电机,3）控制回路分析,触发脉冲产生的过程： 改变触发角，即改变控制角,（可控硅导通时间），可调速。 没反馈是开环，特性软。,1-同步电路 2-移向控制电路 3-脉冲分配器, 电流调节器:同上，加快电流的反应。 触发脉冲发生器：正弦波同步锯齿波触发 电路，与F直流信号叠加。, 速度调节器：比例积分PI，高放大（相当 C短路）缓放大增放大稳定（相当C 开路）无静差。,（五） 直流进给运动的速度控制 (1)晶闸管调速系统,§6.4 直流伺服电机,总结 速度控制的原理： 调速：当给定的指令信号增大时，则有较大的偏差信号加到调节器的输入端，产生前移的触发脉冲，可控硅整流器输出直流电压提高，电机转速上升。此时测速反馈信号也增大，与大的速度给定相匹配达到新的平衡，电机以较高的转速运行。 干扰：假如系统受到外界干扰，如负载增加，电机转速下降，速度反馈电压降低，则速度调节器的输入偏差信号增大，其输出信号也增大，经电流调节器使触发脉冲前移，晶闸管整流器输出电压升高，使电机转速恢复到干扰前的数值。 电网波动：电流调节器通过电流反馈信号还起快速的维持和调节电流 作用，如电网电压突然短时下降，整流输出电压也随之降低，在电机转速由于惯性还未变化之前，首先引起主回路电流的减小，立即使电流调节器的输出增加，触发脉冲前移，使整流器输出电压恢复到原来值，从而抑制了主回路电流的变化。 启动、制动、加减速：电流调节器还能保证电机启动、制动时的大转矩、加减速的良好动态性能。,（五） 直流进给运动的速度控制 (1)晶闸管调速系统,§6.4 直流伺服电机,（2） 晶体管脉宽调制（PWM）调速系统 1）系统的组成及特点,U,usr,us f,整流,功放,（五） 直流进给运动的速度控制,§6.4 直流伺服电机, 主回路： 大功率晶体管开关放大器； 功率整流器。, 控制回路： 速度调节器； 电流调节器； 固定频率振荡器及三角波发生器； 脉宽调制器和基极驱动电路。 区别： 与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节 器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。 直流脉宽调制：功率放大器中的大功率晶体管工作在开 关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期 内晶体管导通时间（即改变基极调制脉冲宽度） 的方法来改变输出。从而使电机获得脉宽受调制 脉冲控制的电压脉冲，由于频率高及电感的作用 则为波动很小的直流电压（平均电压）。 脉宽的变化使电机电枢的直流电压随着变化。,（五） 直流进给运动的速度控制（2）PWM调速系统,§6.4 直流伺服电机,直流脉宽调调制的基本原理,周期不变,周期不变,脉宽,脉宽,脉宽,脉宽,平均直流电压,脉冲宽度正比代表速度F值的直流电压,U,t,（五） 直流进给运动的速度控制（2）PWM调速系统,§6.4 直流伺服电机,2） 脉宽调制器,t,同向加法放大器电路图 U S r 速度指令转化过 来的直流电压 U - 三角波 USC- 脉宽调制器的输 出（ U S r +U ） 调制波形图,US r为0时,调制出正负脉宽一样方波 平均电压为0,US r为正时,US r为负时,调制出脉宽较宽的波形 平均电压为正,调制出脉宽较窄的波形 平均电压为负,（五） 直流进给运动的速度控制（2）PWM调速系统,§6.4 直流伺服电机,3） 开关功率放大器,主回路：可逆H型双极式PWM 开关功率放大器,电路图: 由四个大功率晶体管 （GTR）T 1 、T 2 、T 3 、T4 及四个续流二极管组成的桥 式电路。,H型： 又分为 双极式、单极 式和受限单极 式三种。 Ub1、 Ub2、Ub3 Ub4 为调制器 输出，经脉冲 分配、基极驱 动转换过来的 脉冲电压。分 别加到T1 、T2、 T3 、T4的基极。,t,（五） 直流进给运动的速度控制（2）PWM调速系统,§6.4 直流伺服电机,工作原理： T1 和T4 同时导通和关断，其基极驱动电压Ub1= Ub4。T2和T3同 时导通和关断，基极驱动电压Ub2= Ub3 = Ub1。以正脉冲较宽为例， 既正转时。 负载较重时： 电动状态：当0t t1时， Ub1、Ub4为正， T1 和T4 导通；Ub2、Ub3 为负， T2和T3截止。电机端电压UAB=US，电枢电流id= id1，由US T1 T4 地。 续流维持电动状态：在t1 t T时， Ub1、Ub4为负， T1 和T4截止； Ub2、Ub3 变正，但T2和T3并不能立即导通，因为在电枢电感储能的 作用下，电枢电流id= id2，由D2 D3续流，在D2、 D3 上的压降使T2 、 T3的c-e极承受反压不能导通。 UAB=-US。接着再变到电动状态、续流 维持电动状态反复进行，如上面左图。 负载较轻时： 反接制动状态，电流反向： 状态中，在负载较轻时，则id小，续流 电流很快衰减到零，即t =t2 时（见上面右图），id=0。在t2 T 区段， T2 、T3 在US 和反电动势E的共同作用下导通，电枢电流反向，id= id3 由US T3 T2 地。电机处于反接制动状态。 电枢电感储能维持电流反向：在T t3区段时，驱动脉冲极性改变， T2 、T3截止，因电枢电感维持电流， id= id4，由D4 D1。,（五） 直流进给运动的速度控制（2）PWM调速系统,§6.4 直流伺服电机,电机正转、反转、停止： 由正、负驱动电压脉冲宽窄而定。 当正脉冲较宽时，既t1 T/2，平均电压为正，电机正转； 当正脉冲较窄时，既t1 T/2 ，平均电压为负，电机反转； 如果正、负脉冲宽度相等，t1=T/2 ，平均电压为零，电机停转。 电机速度的改变： 电枢上的平均电压UAB越大，转速越高。它是由驱动电压脉冲宽度 决定的。 双极性： 由以上分析表明： 可逆H型双极式PWM开关功率放大器，无论负载是重还是轻、电机 是正转还是反转，加在电枢上的电压极性在一个开关周期内，都在 US和 US之间变换一次，故称为双极性。,（五） 直流进给运动的速度控制（2）PWM调速系统,§6.4 直流伺服电机,（4）PWM调速系统的特点,频带宽、频率高: 晶体管“结电容”小，开关频率远高于可控（50Hz)， 可达2-10KHz。快速性好。 电流脉动小: 由于PWM调制频率高，电机负载成感性对电流脉动 由平滑作用，波形系数接近于1。 电源的功率因数高: SCR系统由于导通角的影响，使交流电源的波形畸 变、高次谐波的干扰，降低了电源功率因数。 PWM 系统的直流电源为不受控的整流输出，功率因数高。 动态硬度好: 校正瞬态负载扰动能力强，频带宽，动态硬度高。,