chp1可控直流电源—电动机系统.pptx

1 1机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07预备知识预备知识预备知识预备知识运动控制系统的转矩控制规律及调速方法：运动控制系统的转矩控制规律及调速方法：对单轴运动控制系统：对单轴运动控制系统：TL：包含阻尼转矩系数和扭转弹性转矩的：包含阻尼转矩系数和扭转弹性转矩的广义负载转矩广义负载转矩 运动控制的目的是控制电动机的转矩和转角（直线电动运动控制的目的是控制电动机的转矩和转角（直线电动机控制速度和位移），唯一途径是控制电动机的电磁转矩机控制速度和位移），唯一途径是控制电动机的电磁转矩TM，使转速变化率按期望的规律变化。，使转速变化率按期望的规律变化。转矩控制是运动控制的根本问题转矩控制是运动控制的根本问题2 2机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07预备知识预备知识预备知识预备知识q 直流调速方法：直流调速方法：根据直流电动机转速方程：根据直流电动机转速方程：式中：式中：n 转速（转速（r/min）；）；U 电枢电压（电枢电压（V）；）；I 电枢电流（电枢电流（A）；）；R 电枢回路总电阻（电枢回路总电阻（）；）；励磁磁通（励磁磁通（Wb）；）；Ke 由电机结构决定的电动势常数。由电机结构决定的电动势常数。调节电动机转速的三种方法：调节电动机转速的三种方法：1 1）调节电枢供电电压）调节电枢供电电压 U U 2 2）改变电枢回路电阻）改变电枢回路电阻 R R 3 3）减弱励磁磁通）减弱励磁磁通 3 3机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07预备知识预备知识预备知识预备知识（1 1）调压调速）调压调速q工作条件：工作条件：保持保持励磁励磁 =N；保持电阻保持电阻 R=Raq调节过程：调节过程：改变电压改变电压 UN U U n ，n0 q调速特性：调速特性：转速下降，机械特性曲线转速下降，机械特性曲线平行下移。平行下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3调压调速特性曲线调压调速特性曲线4 4机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07预备知识预备知识预备知识预备知识（2）调阻调速）调阻调速q工作条件：工作条件：保持保持励磁励磁 =N；保持电压保持电压 U=UN；q调节过程：调节过程：增加电阻增加电阻 Ra R R n ，n0不变不变；q调速特性：调速特性：转速下降，机械特性曲线转速下降，机械特性曲线变软。变软。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3调阻调速特性曲线调阻调速特性曲线5 5机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07预备知识预备知识预备知识预备知识（3 3）调磁调速）调磁调速q工作条件：工作条件：保持电压保持电压 U=UU=UN N ；保持电阻保持电阻 R=R R=R a a ；q调节过程：调节过程：减小励磁减小励磁 N N n n ，n n0 0 q调速特性：调速特性：转速上升，转速上升，机械特性曲线变软。机械特性曲线变软。6 6机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07预备知识预备知识预备知识预备知识q三种调速方法的性能与比较：三种调速方法的性能与比较：改变电阻改变电阻只能有级调速；只能有级调速；减减弱弱磁磁通通虽虽然然能能够够平平滑滑调调速速，但但调调速速范范围围不不大大，在在基基速速以以上作小范围的弱磁升速。上作小范围的弱磁升速。调压调速调压调速能能在较大的范围内无级平滑调速。在较大的范围内无级平滑调速。恒恒转转矩矩调调速速方方式式：电电机机长长期期运运行行时时，电电枢枢电电流流应应小小于于额额定定值值 I IN N，而电磁转矩，而电磁转矩 T Te e =K Km m I I 。在调压调速范围内，励磁磁通不变，容许的输出转矩也不在调压调速范围内，励磁磁通不变，容许的输出转矩也不变，称作变，称作“恒转矩调速方式恒转矩调速方式”。恒功率调速方式：恒功率调速方式：在在弱弱磁磁调调速速范范围围内内，转转速速越越高高，磁磁通通越越弱弱，容容许许输输出出转转矩矩减减小小，而而容容许许输输出出转转矩矩与与转转速速的的乘乘积积则则不不变变，即即容容许许功功率率不不变变，为为“恒功率调速方式恒功率调速方式”。7 7机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07预备知识预备知识预备知识预备知识 直流调速系统一般以调压调速为主，只有当转直流调速系统一般以调压调速为主，只有当转速要求达到基速以上时才辅以弱磁调速。速要求达到基速以上时才辅以弱磁调速。8 8机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07第第1 1章章 可控直流电源可控直流电源电动机系统电动机系统1 相控整流器相控整流器电动机系统（电动机系统（VM系统）系统）1.1 1.1 可控直流电源可控直流电源 调压调速需要有专门向电动机供电的调压调速需要有专门向电动机供电的可控直流电源可控直流电源。常常用的可控直流电源有以下三种：用的可控直流电源有以下三种：1）旋转变流机组旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组，用交流电动机和直流发电机组成机组，获得可调的直流电压。获得可调的直流电压。（G-M系统）系统）9 9机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07 2）静止式可控整流器静止式可控整流器用静止式的可控整流器获得可调用静止式的可控整流器获得可调的直流电压。的直流电压。（V-M系统）系统）1010机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:073)直流斩波器或脉宽调制变换器直流斩波器或脉宽调制变换器用恒定直流电源或不用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，产生可变的平均电压。制，产生可变的平均电压。VT:电力电子开关器件，电力电子开关器件，VD:续流二极管。续流二极管。当当VT 导通时导通时ton，直流电源电压，直流电源电压 Us 加到电动机上；当加到电动机上；当VT 关断时关断时T ton，直流电源与电机脱开，电动机电枢经，直流电源与电机脱开，电动机电枢经 VD 续续流，两端电压接近于零。流，两端电压接近于零。1111机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07 三种可控直流电源比较：三种可控直流电源比较：G-M系统系统在早期运动控制系统中使用；在早期运动控制系统中使用；V-M系统系统在在20世纪世纪6070年代得到广泛应用，目年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统；前主要用于大容量系统；直流直流PWM调速系统调速系统作为一种新技术，发展迅速，作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取代代V-M系统成为主要的直流调速方式。系统成为主要的直流调速方式。1212机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07V-MV-M系统工作原理：系统工作原理：晶闸管晶闸管-电动机调速系统（简称电动机调速系统（简称V-MV-M系统，又称静止的系统，又称静止的Ward-LeonardWard-Leonard系统）系统）通过调节触发装置通过调节触发装置 GT GT 的控制电压的控制电压 U Uc c 来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压U Ud d ，从而实现，从而实现平滑调速。平滑调速。V-MV-M系统的特点：系统的特点：晶闸管可控整流器的晶闸管可控整流器的功率放大倍数在功率放大倍数在10 4 以上以上，其门极，其门极电流可以直接用晶体管来控制。电流可以直接用晶体管来控制。控制的快速性控制的快速性，晶闸管整流器是晶闸管整流器是毫秒级毫秒级，这将大大提高，这将大大提高系统的动态性能。系统的动态性能。V-MV-M系统的问题：系统的问题：由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的的可逆运行造成困难可逆运行造成困难。晶闸管晶闸管对过电压、过电流和过高的对过电压、过电流和过高的du/dt与与di/dt 都十分敏都十分敏感感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。谐波与无功功率谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，引起电网电压波形畸变，“电力公害电力公害”。1313机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:071.2 V-MV-M系统的特殊问题系统的特殊问题 讨论讨论V-M系统的几个主要问题：系统的几个主要问题：（1）触发脉冲相位控制。）触发脉冲相位控制。（2）电流脉动及其波形的连续与断续。）电流脉动及其波形的连续与断续。（3）抑制电流脉动的措施。）抑制电流脉动的措施。（4 4）晶闸管晶闸管-电动机系统的机械特性电动机系统的机械特性。（5）晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数。）晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数。1414机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:071.2.1 触发脉冲相位控制触发脉冲相位控制:调节调节晶闸管晶闸管触触发脉冲相位，可改发脉冲相位，可改变可控整流器输出变可控整流器输出电压的波形。电压的波形。整流器输出电整流器输出电瞬时值瞬时值u ud d 的呈周的呈周期性变化。期性变化。OOOOO1515机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07等效电路分析：等效电路分析：把整流装置内阻移把整流装置内阻移到装置外边，看成是其到装置外边，看成是其负载电路电阻的一部分负载电路电阻的一部分。ud0为整流电压理想空为整流电压理想空载瞬时值载瞬时值。V-M系统主电路的等效电路图系统主电路的等效电路图 瞬时电压平衡方程：瞬时电压平衡方程：式中：式中：E E 电动机反电动势（电动机反电动势（V V）；）；i id d整流电流瞬时值（整流电流瞬时值（A A）；）；LL主电路总电感（主电路总电感（H H）；）；RR主电路等效电阻（主电路等效电阻（），），R R=R Rrecrec+R Ra a+R RL L。1616机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07整流电压的平均值计算：整流电压的平均值计算：在一个周期内的平均值为理想空载整流电压平均值在一个周期内的平均值为理想空载整流电压平均值Ud0：触发脉冲控制角；触发脉冲控制角；Um 交流电源线电压峰值（交流电源线电压峰值（V）；）；m交流电源一周内整流电压脉波数。交流电源一周内整流电压脉波数。整流与逆变状态：整流与逆变状态：q 0 0，整流状态整流状态，电功率从交流侧到直流侧；，电功率从交流侧到直流侧；q /2 max，Ud0 0，有源逆变有源逆变，电功率反向传送，电功率反向传送。1717机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07不同整流电路时，不同整流电路时，U Um m、m m及及U Ud0d0：U U2 2 整流变压器二次侧额定相电压的有效值。整流变压器二次侧额定相电压的有效值。U Um m 交流电源线电压峰值（交流电源线电压峰值（V V）；）；mm交流电源一周内整流电压脉波数。交流电源一周内整流电压脉波数。1818机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:071.2.2 1.2.2 电流脉动及其波形的连续与断续电流脉动及其波形的连续与断续:1.2.3 1.2.3 抑制电流脉动的措施抑制电流脉动的措施:电流脉动产生转矩脉动，为了避免或减轻这种影响，须电流脉动产生转矩脉动，为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措施，主要有：采用抑制电流脉动的措施，主要有：设置平波电抗器；设置平波电抗器；增加整流电路相数；增加整流电路相数；采用多重化技术。采用多重化技术。较大较大 较小较小1919机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:071.3 相控整流直流调速系统的机械特性及数学模型相控整流直流调速系统的机械特性及数学模型 1.3.1 V-M1.3.1 V-M系统的机械特性系统的机械特性 当当电流连续电流连续时，时，V-MV-M系统的机械特性方程式为：系统的机械特性方程式为：式中，式中，C Ce e电机在额定磁通下的电动势系数电机在额定磁通下的电动势系数,C Ce e=K Ke e N N（1 1）电流连续情况）电流连续情况 改变控制角改变控制角，得到不，得到不同同U Ud0d0，机械特性为一族平，机械特性为一族平行直线。行直线。电流较小部分画成虚电流较小部分画成虚线，表明这时电流波形可线，表明这时电流波形可能断续，已经不适用了。能断续，已经不适用了。2020机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07（2 2）电流断续情况：）电流断续情况：较大时，电流断续。由于非线性因素，机械特性很复杂。较大时，电流断续。由于非线性因素，机械特性很复杂。如：三相半波整流电路电流断续时机械特性：如：三相半波整流电路电流断续时机械特性：一个电流脉波的导通角，一个电流脉波的导通角，2/3 阻抗角：阻抗角：2121机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07 当电流连续时，特性当电流连续时，特性硬；电流断续时，特硬；电流断续时，特性很软，呈显著的非性很软，呈显著的非线性，理想空载转速线性，理想空载转速翘得很高翘得很高。（3 3）V-MV-M系统的完整机械特性：系统的完整机械特性：a /2/2，整流，电动状态；，整流，电动状态；/2/2 ，逆变，回馈制动，逆变，回馈制动。=2/3 电流连续区：机械特性硬；电流连续区：机械特性硬；电流连续区：机械特性硬；电流连续区：机械特性硬；I I I Id d d d很小，电流断续区：特性很软很小，电流断续区：特性很软很小，电流断续区：特性很软很小，电流断续区：特性很软2222机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:071.3.2 1.3.2 晶闸管触发和整流装置的数学模型晶闸管触发和整流装置的数学模型 在在进进行行调调速速系系统统的的分分析析和和设设计计时时，可可以以把把晶晶闸闸管管触触发发和和整整流流装装置置当当作作系系统统中中的的一一个个环环节节来来看看待待。进进行行分分析析或或设设计计时时，须事先求出这个环节的放大系数和传递函数。须事先求出这个环节的放大系数和传递函数。（1 1）晶闸管触发和整流装置的放大系数的计算）晶闸管触发和整流装置的放大系数的计算 如果不可能实测特性，如果不可能实测特性，只好根据装置的参数估算。只好根据装置的参数估算。实际是非线性的，在一定工实际是非线性的，在一定工作范围近似看成线性环节。作范围近似看成线性环节。2323机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07（2）最大失控时间：）最大失控时间：晶闸管触发整流装置是一个纯滞后环节，其滞后作用由整晶闸管触发整流装置是一个纯滞后环节，其滞后作用由整流装置的失控时间引起，失控时间是随机的。最大可能的失流装置的失控时间引起，失控时间是随机的。最大可能的失控时间是两个相邻自然换相点之间的时间，与交流电源频率控时间是两个相邻自然换相点之间的时间，与交流电源频率和整流电路形式有关：和整流电路形式有关：f：交流电流频率（：交流电流频率（Hz）；）；m：一周内整流电压的脉冲波数。：一周内整流电压的脉冲波数。在一般情况下，取其统计平均值在一般情况下，取其统计平均值 T Ts s =T Tsmaxsmax/2/2，并认为，并认为是常数。也可按最严重的情况考虑，取是常数。也可按最严重的情况考虑，取T Ts s=T Tsmaxsmax各种整流电路的失控时间（各种整流电路的失控时间（f=50Hz）2424机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07（3）传递函数）传递函数 用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入输入-输出关系为输出关系为 L L变换：变换：式中包含指数函数，它使系统成为非最小相位系统。简式中包含指数函数，它使系统成为非最小相位系统。简化，将该指数函数按台劳级数展开：化，将该指数函数按台劳级数展开：T Ts s 很小，忽略高次项，则传递函数便近似成很小，忽略高次项，则传递函数便近似成一阶惯性环节一阶惯性环节。2525机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07（4）晶闸管触发与整流装置动态结构：）晶闸管触发与整流装置动态结构：2626机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:072 直流直流PWM变换器变换器电动机系统（电动机系统（PWM系统）系统）讨论讨论PWM系统的几个主要问题：系统的几个主要问题：（1）不可逆不可逆PWMPWM （2）可逆可逆PWMPWM （3）直流脉宽调速系统的机械特性直流脉宽调速系统的机械特性 （4 4）PWMPWM控制与变换器的数学模型控制与变换器的数学模型 2727机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:072.1 2.1 直流脉宽调速：直流脉宽调速：自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制（采用脉冲宽度调制（PWMPWM）的高频开关控制方式形成）的高频开关控制方式形成的脉宽调制变换器的脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即脉宽调速系统，即直流直流PWMPWM调速系统调速系统。PWMPWM调制调制：把恒定的直流电源电压调制成频率一：把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压系列，从而改变平均输出定、宽度可变的脉冲电压系列，从而改变平均输出平均电压的大小。根据平均电压的大小。根据PWMPWM变换器主电路形式分为变换器主电路形式分为可可逆逆和和不可逆不可逆两大类。两大类。2828机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:071 1）简单不可逆）简单不可逆PWMPWM变换器：变换器：讨论讨论PWMPWM变换器的工作状态和电压、电流波形变换器的工作状态和电压、电流波形：U Us s：直流电源电压：直流电源电压 C C：滤波电容器：滤波电容器 M M：直流电动机：直流电动机 VD VD：续流二极管：续流二极管 VT VT：功率开关器件，：功率开关器件，VT VT 的栅极由脉宽的栅极由脉宽可调的脉冲电压可调的脉冲电压U Ug g驱动驱动1 1：输出回路：输出回路2 2：续流回路：续流回路2929机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07工作状态与波形：工作状态与波形：在一个开关周期内，在一个开关周期内，q当当0 t ton时，时，Ug为正，为正，VT饱和导通，电源电压饱和导通，电源电压通过通过VT加到电动机电枢加到电动机电枢两端；两端；q当当ton t T 时，时，Ug为负，为负，VT关断，电枢失去电源，关断，电枢失去电源，经经VD续流。续流。U,iUdEidUsttonT0 电压和电流波形O电枢电压ud平均电压Ud电机感应电动势E电枢电流id,，脉动，不能反向（不可逆）3030机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07输出电压方程：输出电压方程：电机两端得到的平均电压为电机两端得到的平均电压为式中式中 =ton/T 为为 PWM 波形的占空比，波形的占空比，0 0 T/2 T/2，则，则U UABAB的平均值大于零的平均值大于零 （2 2）负载电流不是轻载。负载电流不是轻载。3434机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07 输出平均电压：输出平均电压：双极式控制可逆双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为变换器的输出平均电压为 如果占空比和电压系数的定义与不可逆变换器中相同，如果占空比和电压系数的定义与不可逆变换器中相同，则在双极式控制的可逆变换器中则在双极式控制的可逆变换器中 =2 1 注意：这里注意：这里 的计算公式与的计算公式与不可逆变换器中的公式不一样。不可逆变换器中的公式不一样。调速范围：调速范围：调速时，调速时，的可调范围为的可调范围为01，1 0.5时，时，为正，电机正转为正，电机正转当当 0.5时，时，为负，电机反转为负，电机反转当当 =0.5时，时，=0，电机停止，电机停止3535机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07双极式桥式可逆PWM变换器的特点：（1）电流连续：在周期T内，都有电流通过；（2）四象限：电动机可在四象限（正反向、制动）工作；（3）动力润滑：电动机停止时有高频微振电流，消除了正反向时的静摩擦死区；（4）低速平稳性好：调速范围可达1：20000 （5）开关损耗大：4个VT在工作中都处于开关状态；（6）需防止直通：在切换时容易发生上、下桥臂直通的事故，应设置逻辑延时。3636机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:072.2 2.2 直流脉宽调速系统的机械特性：直流脉宽调速系统的机械特性：由于采用脉宽调制，严格地说，由于采用脉宽调制，严格地说，即使在稳态情况下，脉即使在稳态情况下，脉宽调速系统的转矩和转速也都是脉动的宽调速系统的转矩和转速也都是脉动的，所谓稳态，是指电，所谓稳态，是指电机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态，机械特性是平机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态，机械特性是平均转速与平均转矩（电流）的关系。均转速与平均转矩（电流）的关系。1）双极式可逆电路电压方程）双极式可逆电路电压方程(0 t ton)(ton t T)3737机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:072 2）机械特性方程）机械特性方程 平均电流和转矩分别用平均电流和转矩分别用 Id 和和 Te 表示，平均转速表示，平均转速 n=E/Ce，而电枢电感压降的平均值，而电枢电感压降的平均值 Ldid/dt 在稳态时应为零。在稳态时应为零。于是，无论是上述哪一组电压方程，其平均值方程都可写成于是，无论是上述哪一组电压方程，其平均值方程都可写成式中，式中，C Cm m：电机在额定磁通下的转矩系数，：电机在额定磁通下的转矩系数，C Cm m=K Km m N N ；n n0 0：理想空载转速，与电压系数成正比，：理想空载转速，与电压系数成正比，n n0 0=U Us s /C Ce e 3838机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07 3939机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:072.3 2.3 PWMPWM控制与变换器的数学模型控制与变换器的数学模型：PWM装置变换器也可以看成是一个带滞后作用的比例环节，装置变换器也可以看成是一个带滞后作用的比例环节，传递函数：传递函数：式中，式中，K Ks s：PWMPWM装置的放大系数；装置的放大系数；T Ts s：PWMPWM装置的延迟时间，装置的延迟时间，T Ts sT T0 0 与晶闸管装置一样，与晶闸管装置一样，PWM装置可以近似看成是一个一阶装置可以近似看成是一个一阶惯性环节：惯性环节：4040机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:072.4 电能回馈与泵升电压的限制电能回馈与泵升电压的限制 PWM变换器的直流电源由交流电网经不可控的二极管整变换器的直流电源由交流电网经不可控的二极管整流器产生，并采用大电容流器产生，并采用大电容C滤波，以获得恒定的直流电压。滤波，以获得恒定的直流电压。4141机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07泵升电压产生的原因：泵升电压产生的原因：对于对于PWM变换器中的滤波电容，其作用除滤波外，还变换器中的滤波电容，其作用除滤波外，还有当电机制动时吸收运行系统动能的作用。当电动机工作在有当电机制动时吸收运行系统动能的作用。当电动机工作在回馈制动状态时，将动能变为电能回馈到直流侧，由于直流回馈制动状态时，将动能变为电能回馈到直流侧，由于直流电源靠二极管整流器（单向性）供电，不可能回馈电能到交电源靠二极管整流器（单向性）供电，不可能回馈电能到交流电网，电机制动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端流电网，电机制动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作电压升高，称作“泵升电压泵升电压”。泵升电压限制：泵升电压限制：增加释放回路增加释放回路4242机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:073 调速系统的性能指标：调速系统的性能指标：任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。能都有一定的要求。1 1、控制要求：、控制要求：1）调速）调速在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地（有级）或（有级）或 平滑地（无级）调节转速；平滑地（无级）调节转速；2）稳速）稳速以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；3）加、减速）加、减速频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。制动尽量平稳。4343机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:072.2.调速指标：调速指标：q调调速速范范围围：生生产产机机械械要要求求电电动动机机提提供供的的最最高高转转速速和和最最低低转转速速之比叫做之比叫做调速范围调速范围，用字母，用字母 D 表示，即表示，即 其中其中n nminmin 和和n nmaxmax 一般都指电动机额定负载时的转速，对一般都指电动机额定负载时的转速，对于负载很轻的机械，也可用实际负载时的转速。于负载很轻的机械，也可用实际负载时的转速。q静静差差率率：当当系系统统在在某某一一转转速速下下运运行行时时，负负载载由由理理想想空空载载增增加加到到额额定定值值时时所所对对应应的的转转速速降降落落 nN，与与理理想想空空载载转转速速 n0 之之比，称作比，称作静差率静差率 s，即，即 式中，nN=n0-nN4444机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:073.3.静差率与机械特性硬度的区别：静差率与机械特性硬度的区别：然而静差率和机然而静差率和机械特性硬度又是有区械特性硬度又是有区别的。一般调压调速别的。一般调压调速系统在不同转速下的系统在不同转速下的机械特性是互相平行机械特性是互相平行的的。对于同样硬度的。对于同样硬度的特性，理想空载转速特性，理想空载转速越低时，静差率越大，越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也转速的相对稳定度也就越差。就越差。4545机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:074.4.调速范围、静差率和额定速降之间的关系：调速范围、静差率和额定速降之间的关系：电机额定转速电机额定转速nN，转速降落为，转速降落为 nN。nN 值值一一定定时时，对对静静差差率率要要求求越越高高，即即要要求求 s 值值越越小小时时，系统能够允许的调速范围也越小。系统能够允许的调速范围也越小。结论：结论：调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。时提才有意义。调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。的转速可调范围。4646机械与材料学院机械与材料学院首页上页下页末页结束运动控制系统课件2024/8/11 2024/8/11 周日周日 2:07 2:07本章作业本章作业 思考题：思考题：1.5 1.6 1.9 习习 题：题：1.4 1.6 1.7 1.8