1、第三节双闭环直流电动机调速系统第三节双闭环直流电动机调速系统 带电流截止负反馈环节、采用PI调节器的单闭环调速系统，既保证了电动机的安全运行，又具有较好的动、静态性能。然而仅靠电流截止环节来限制起动和升速时的冲击电流，性能并不令人满意，为充分利用电动机的过载能力来加快起动过程，专门设置一个电流调节器，从而构成电流、转速双闭环调速系统，实现在最大电枢电流约束下的转速过渡过程最快的“最优”控制。本节介绍双闭环调速系统。n转速、电流双闭环调速系统的组成转速、电流双闭环调速系统的组成 n转速、电流双闭环调速系统的工作原理转速、电流双闭环调速系统的工作原理 转速、电流双闭环调速系统的组成转速、电流双闭环
2、调速系统的组成转速、电流双闭环调速系统的工作原理转速、电流双闭环调速系统的工作原理 n电流调节环 n速度调节环 n双闭环系统起动过程分析 n双闭环调速系统的动态抗扰动性能 n双闭环调速系统中两个调节器的作用 五五 单闭环调速系统的限流保护单闭环调速系统的限流保护电流截止负反馈电流截止负反馈l问题的提出起动的冲击电流直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电机换向不利，对过载能力低的电力电子器件来说，更是不能允许的。闭环调速系统突加给定起动的冲击电流采用转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电压仍为零，相当于偏差电压，差
3、不多是其稳态工作值的 1+K 倍。这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压一下子就达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，当然是不允许的。堵转电流有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。例如，由于故障，机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。由于闭环系统的静特性很硬，若无限流环节，硬干下去，电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。电枢串电阻起动引入电流截止负反馈加积分给定环节解决办法解决办法电流负反馈作用机理电流负反馈作用机理 为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。根
4、据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈。那么，引入电流负反馈，应该能够保持电流基本不变，使它不超过允许值。M+-UdIdRcUi接放大器（1）电枢回路串检测电阻。（2）电枢回路接直流互感器。（3）交流电路接交流互感器。（4）采用霍尔传感器。电流检测与反馈电路电流负反馈引入方法电流负反馈引入方法*仅采用电流负反馈，不要转速负反馈的系统的静特性如图中B 线，特性很陡。显然仅对起动有利，对稳态运行不利。实际的系统既要采用转速负反馈又要采用电流负反馈。Idbln0IdOn0A转速负反馈特性B电流负反馈特性 调速系统静特性 转速和电流负反馈系统稳态结构框图 Kp Ks
5、1/CeU*nUcUnIdEnUd0Un+-R-系统稳态结构框图系统稳态结构框图 Rc Ui静特性方程静特性方程edspede*nspCIRKKCRICUKKnc 与转速闭环控制调速系统特性方程相比，上式多了一项由电流反馈引起的转速降落。稳态特性稳态特性 Idbl0n0A转速负反馈特性B电流负反馈特性C转速电流负反馈特性采用转速电流调速系统静特性Idn0v电流截止负反馈 考虑到，限流作用只需在起动和堵转时起作用，正常运行时应让电流自由地随着负载增减。如果采用某种方法，当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。这种方法叫做电流截止负反馈，简称截流反
6、馈。利用独立直流电源作比较电压M+-UdId RcVDUi Ucom接放大器利用稳压管产生比较电压 UbrM+-UdId RcVSUi接放大器电流截止负反馈环节实例电流截止负反馈环节实例 封锁运算放大器的电流截止负反馈环节 UbrM+-UdId RcVSUi+R1UexUinR0+VT 带电流截止负反馈的单闭环调速系统带电流截止负反馈的单闭环调速系统 电流反馈信号来自交流电流检测装置，与主电路电流Id成正比 系统稳态结构图系统稳态结构图OUiId Rc-Ucom 电流截止负反馈环节的I/O特性 带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态结构框图nKpKs 1/CeU*nUcUiIdEUd0Un+-RR
7、C-UcomId Rs-Ucom-+静特性方程与特性曲线静特性方程与特性曲线 由上图可写出该系统两段静特性的方程式。当 Id Idcr 时，电流负反馈被截止，静特性和只有转速负反馈调速系统的静特性式相同，现重写于下 当 Id Idcr时，引入了电流负反馈，静特性变成)1()1(ede*nspKCRIKCUKKn)1()()1()(edcspecom*nspKCIRKKRKCUUKKnIdblIdcrn0IdOn0AB 带电流截止负反馈单闭环调速系统的静特性 DC静特性的两个特点静特性的两个特点（1）电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻 Kp Ks Rs，因而稳态速降极大，特性急剧下垂
8、。（2）比较电压 Ucom 与给定电压 Un*的作用一致，好象把理想空载转速提高到)1()(ecom*nsp0KCUUKKn 这样的两段式静特性常称作下垂特性或挖土机特性。当挖土机遇到坚硬的石块而过载时，电动机停下，电流也不过是堵转电流，在静特性方程式中，令 n=0，得一般 Kp Ks Rs R，因此sspcom*nspdbl)(RKKRUUKKIscom*ndblRUUIv电流截止负反馈环节参数设计Idbl应小于电机允许的最大电流，一般取 Idbl=（1.52）IN从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取 Idcr（1.11.2）IN1、额定励磁
9、下直流他励电动机的数学模型及动态结构图l电枢回路传函电枢回路电压平衡方程为一 闭环调速系统动态数学模型0()dddddldIdIUEI RLR ITdtdt进行拉氏变换得0()()()(1)ddlUsE sRIsTs0()1()()(1)ddlIsUsE sRTsl 电动机传动系统传函电动机传动系统运动方程式为2375MlGD dnTTdtMmdLmLTC ITC I221375375edLmmmeCGDdnGD RdndEIITCdtC CRdtRdt对上式两端取拉氏变换得()()()dLME sRIsIsT sId(s)IL(s)E(s)n(s)Ud0(s)-MRT s11LRT s1eC
10、 将上面两环节输入输出量连接起来。并考虑 即可得到额定励磁下他励直流电动机动态结构图 eEnC干扰量 的综合点前移，化简得LIIL(s)n(s)Ud0(s)-(1)LR T s1(1)1emLCT s T s2、触发器和晶闸管整流装置数学模型及动态结构图晶闸管触发导通后，在尚未关断之前，改变控制电压Uct的值，但整流电压的瞬时波形和 角并不能立即跟随Uct的变化，通常把这个滞后时间称作整流装置的失控时间，用Ts来表示。u2udUctt10Uc1Uc21tt00022Ud01Ud02TSOOOO晶闸管触发与整流失控时间分析晶闸管触发与整流失控时间分析 晶闸管触发与整流装置的失控时间晶闸管触发器和
11、整流装置输入输出关系为0()dsctsUK UtT两端进行拉氏变换得0()()1dsctsUsKUsT s晶闸管触发器和整流装置动态结构图为1ssKT sUctUd03、比例放大器传函（输出响应可认为是瞬时变化的）()()ctpUsKU s4、测速发电机传函（输出响应可认为是瞬时变化的）()()nUsn s将上述四个环节按系统中的相互关系连接在一起，便得到单闭环调速系统动态结构图。IL(s)n(s)Ud0(s)-(1)LR T s1(1)1emLCT s T s1ssKT sUctU*nUPKnU单闭环调速系统动态结构图令 得闭环系统传函为：0dLI3211()()1111PseclmLsmL
12、smsK KCKWsT T TT TTTTsssKKK二 闭环调速系统稳定性分析系统闭环传函特征方程为0111)(123sKTTsKTTTsKTTTSmSlmSlm由劳斯判据，得系统的稳定条件为mmssLLTTTKTTT上式表明：在系统参数Tm、TL、Ts确定的前提下，从动态稳定性考虑，闭环系统的开环放大系数K必须满足上式，K超过此值，系统将不稳定。按静态调速指标确定的K值还必须按动态稳定性进行验算。当二者发生矛盾时，还要采取动态校正措施加以改造。直流脉宽调速控制系统直流脉宽调速控制系统 n 概述概述nPWM调速系统的控制电路调速系统的控制电路 概述概述 n脉宽调制的理论 n不可逆PWM变换器
13、 n可逆PWM变换器 n PWM伺服系统的开环机械特性 脉宽调制的理论n许多工业传动系统都是由公共直流电源或蓄电池供电的。在多数情况下，都要求把固定的直流电源电压变换为不同的电压等级，例如地铁列车、无轨电车或由蓄电池供电的机动车辆等，它们都有调速的要求，因此，要把固定电压的直流电源变换为直流电动机电枢用的可变电压的直流电源。n由脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）变换器向直流电动机供电的系统称为脉冲宽度调制调速控制系统，简称PWM调速系统。n图4-34是脉宽调制型调速控制系统原理图及输出电压波形。不可逆PWM变换器 图4-35是简单的不可逆PWM变换器的主电路原理图，它
14、实际上就是所谓的直流斩波器。电源Us一般由不可控整流电源提供，采用大电容滤波，脉宽调制器的负载为电动机电枢，它可被看成电阻电感反电动势负载。二极管在功率管IGBT关断时为电枢回路提供释放电感储能的续流回路。图4-35所示的简单不可逆变换器中，电流ia不能反向，因此不能产生制动作用，只能作单象限运行。需要制动时必须具有反向电流ia的通路，因此应该设置控制反向通路的第二个IGBT，如图 4-36a)所示。这种电路组成的PWM伺服系统可在一、二两个象限运行。可逆PWM变换器 可逆PWM变换器电路的结构形式有H型和T型等类，这里主要讨论常用的H型变换器，它是由四个功率管和四个续流二极管组成的桥式电路。
15、如图4-38a)所示，图中功率管选用IGBT。H型电路在控制方式上分双极式、单极式两种工作制。下面着重分析双极式工作制，然后再简述单极式工作制的特点。n 双极性可逆PWM变换器 n 单极式可逆PWM变换器 PWM伺服系统的开环机械特性 PWM调速系统的控制电路调速系统的控制电路 PWM开环传动系统的简单原理图如图4-41所示，其控制电路主要由脉宽调制器、功率开关器的驱动电路和保护电路组成，其中最关键的部件是脉宽调制器。n脉宽调制器 n集成PWM控制器 脉宽调制器n脉宽调制器是一个电压脉冲变换装置。由控制电压Uct进行控制，为PWM变换器提供所需的脉冲信号。n脉宽调制器的基本原理是将直流信号和一
16、个调制信号比较，调制信号可以是三角波，也可以是锯齿波。锯齿波脉宽调制器电路如图4-42所示，由锯齿波发生器和电压比较器组成。锯齿波发生器采用最简单的单结晶体管多谐振荡器4-42a)，为了控制锯齿波的线性度，使电容器充电电流恒定，由晶体管VT1和稳压管VST构成恒流源。集成PWM控制器 n系统框图 n线路简介 现结合PWM控制电路(图4-44)及PWM主电路原理图(图4-45)，对线路作一简介。nIR2110高性能MOSFET和IGBT驱动集成电路 主要设计特点和性能 封装、引脚、功能及用法 工作原理简介(IR2110的原理框图见图4-47)应用注意事项 nTL494、TL495集成电路及其应用简单介绍 TL494和TL495是美国德克萨斯仪器公司的产品，原是为开关电源设计的脉冲宽度调节器作为双端输出类型的脉冲宽度调制器。国标规定为CW494，图4-49所示为TL494、TL495单片PWM集成电路的等效方框图和管脚排列图。TL495（CW495）是TL494（CW494）的增强型，其方框电路示于图4-52。它比TL494增加了一个齐纳管VDZ和VZ电压输出端（15脚）。在触发器上设置一个VD输入端并引出作为掌舵控制端（13脚）。其结构为双列直插式18引线。
