自动化-ab变频器的原理及其应用

1、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

2、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

3、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

4、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120，每相内二个触发脉冲相差180。 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60。 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60后，在补发一个辅助脉冲；也 可以采用宽脉冲控制，宽度大于60，小于120。,（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-

5、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

6、。 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

7、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

8、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

9、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。,

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