第4章-直流电动机调速控制系统.ppt

直流电动机调速控制系统伺服系统第4章内容提要第一节直流电动机概述第二节直流电动机的单闭环调速系统第三节双闭环直流电动机调速系统第四节直流脉宽调速控制系统第五节转速、电流双闭环调速系统的工程设计法第六节伺服控制系统的计算机辅助设计第4章第一节直流电动机概述第一节直流电动机概述一、直流伺服电动机的基本结构直流伺服电动机具有良好的启动、制动和调速特性，可很方便地在宽范围内实现平滑无级调速，故多采用在对伺服电动机的调速性能要求较高的生产设备中。如图4-1所示，直流伺服电动机的结构主要包括三大部分：第一节直流电动机概述(一)定子定子磁极磁场由定子的磁极产生。根据产生磁场的方式，可分为永磁式和他激式。永磁式磁极由永磁材料制成，他激式磁极由冲压硅钢片叠压而成，外绕线圈，通以直流电流便产生恒定磁场。(二)转子又叫电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，通以直流电时，在定子磁场作用下产生带动负载旋转的电磁转矩。第一节直流电动机概述(三)电刷与换向片为使所产生的电磁转矩保持方向不变，转子能沿固定方向均匀地连续旋转，电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接。直流电动机电励磁直流伺服电机直流电机电枢绕组基本形式——单叠绕组第一节直流电动机概述二、永磁直流伺服电动机及工作原理在伺服系统中使用的直流伺服电动机，按转速的高低可分为两类：高速直流伺服电动机和低速大扭矩宽调速电动机。目前在数控机床进给驱动中采用的直流电动机主要是70年代研制成功的大惯量宽调速直流伺服电动机。这种电动机分为电励磁和永久磁铁励磁两种，但占主导地位的是永久磁铁励磁式(永磁式)电动机。图4-2是其基本原理的示意图（请同学们朗读原理）。第一节直流电动机概述图4-2直流伺服电动机工作原理示意图第一节直流电动机概述(一)电动机转矩平衡方程式一般，电磁转矩Te按下式计算：Te=KmΦIa(4-1)对于永磁直流伺服电动机，Km和Φ都是常数，所以上式又可写成：Te=CmIa(4-2)当电动机带着负载匀速旋转时，它的输出转矩必与负载转矩相等。但是，电动机本身具有机械摩擦(例如轴承的摩擦，电刷和换向器的摩擦等)和电枢铁芯中的涡流、磁滞损耗都要引起阻转矩，此阻转矩用T0表示。第一节直流电动机概述这样，电动机的输出转矩Tr就等于电磁转矩Te减去电动机本身的阻转矩T0，所以当电动机克服负载转矩T匀速旋转时，即有：Tr=Te-T0=TL(4-3)上式就是电磁转矩平衡方程式。一般情况下，TLT0，认为Te=TL（匀速时）第一节直流电动机概述在实际中，有些电动机经常运行在转速变化的情况下，例如起动、停转或反转，因此也必须考虑转速改变时的转矩平衡关系。电动机带动工作机械的机电伺服系统如图4-3所示，构成了机电伺服系统。根据动力学得电动机轴上的运动(转矩)平衡方程式为:Te-TL=J(4-4)dtd第一节直流电动机概述在实际工程计算中，经常用转速n代替角速度ω，n=60ω/2π；用一个假想飞轮力矩(也称飞轮转矩)GD2代替转动惯量J（系统等效转动惯量）。GD2和J两者的关系为：J==将这些变换都代入式(4-1-6)中，可得:Te-TL=42mDgGD42dtdnGD.3752Te-TL为动转矩。等于零时？大于零时？小于零时？第一节直流电动机概述(二)电动机的电压平衡方程式根据直流电动机的负载情况和转矩平衡方程式，可以确定电动机的电磁转矩的大小，但这时还不能确定电动机的转速。还需要进一步从电动机内部的电磁规律以及电动机与外部的联系去寻找。电流通过电枢绕组产生电磁力及电磁转矩，这仅仅是电磁现象的一个方面；另一方面，当电枢在电磁转矩的作用下一旦转动后，电枢导体还要切割磁力线，产生感应电动势。根据法拉第电磁感应定律可知：感应电动势的方向与电流方向相反，它有阻止电流流入电枢绕组的作用，因此电动机的感应电动势是一种反电动势。第一节直流电动机概述反电动势E的计算公式是：E=KΦn对于永磁式直流电动机，Ke和Φ都是常数，上式可写成：E=Cen电动机各个电量的方向，如图4-4所示。e第一节直流电动机概述图4-4直流电动机各个电量的方向第一节直流电动机概述外加电压为U时有：U=E+IRa式中，Ra—电枢电阻。上式就是直流电动机的电压平衡方程式。它表明了外加电压与反电动势及电枢内阻压降平衡。或者说，外加电压一部分用来抵消反电动势，一部分消耗在电枢电阻上。第一节直流电动机概述(三)电动机转速与转矩的关系如果把E=Cen代入式(4-8)，便可得出电枢电流Ia的表达式：Ia=由上式可见，直流电动机和一般的直流电路不一样，它的电流不仅取决于外加电压和自身电阻，并且还取决于与转速成正比的反电动势(当为常数)。将式(4-1)代入(4-9)式，可得：n=-Te(4-10)aeRnCUeKU2MeaKKR第一节直流电动机概述式(4-10)称为电动机的固有机械特性，它描述了电动机的转速与转矩之间的关系。图4-5是机械特性曲线族。在这一曲线族中，不同的电枢电压对应于不同的曲线，各曲线是彼此平行的。n0(即)称为“理想空载转速”而n(即Te称为转速降落。eKU2MeKKR第一节直流电动机概述直流电动机机械特性曲线簇第4章第二节直流电动机的单闭环调速系统第二节直流电动机的单闭环调速系统一、调速的定义直流伺服电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广范围内平滑调速，由晶闸管-直流电动机（V-M）组成的直流伺服调速系统是较早普遍应用的一种自动控制系统。它在理论和实践上都比较成熟，而且从闭环控制理论的角度，它又是交流调速系统的基础。所谓调速，是指在某一具体负载情况下，通过改变电动机或电源参数的方法，使机械特性曲线得以改变，从而使电动机转速发生变化或保持不变。即调速包含两方面：其一、在一定范围内“变速”。如图4-6所示。第二节直流电动机的单闭环调速系统图4-6调速与n=f(T)的关系第二节直流电动机的单闭环调速系统当电动机负载不变时，转速可由na变到nb或nc。其二保持“稳速”，在某一速度下运行的生产机械受到外界干扰（如负载增加），为了保证电动机工作速度不受干扰的影响而下降，需要进行调速，使速度接近或等于原来的转速，如图4-6中nd即为负载由T1增加至T2后的速度，与na基本一致。第二节直流电动机的单闭环调速系统二、直流伺服电动机的调速方法直流电动机转速表达式如式4-10所示，由式可知，直流伺服电动机有二种调速方法：调节电枢电压Ud及改变电枢附加电阻R。两种调速方法的机械特性如图4-7所示。图4-7直流伺服电动机人为机械特性曲线Rad为串接的电阻第二节直流电动机的单闭环调速系统改变电枢电压Ud所得的机械特性是一组平行变化的曲线[图4-7a]，采用此种方法，一般在额定转速以下调速，最低转速取决于电机低速时的稳定性。具有调速范围宽，机械特性硬，动态性能好的特点。在连续改变电枢电压时，能实现无级平滑调速，是目前主要调速方法之一。改变电枢电阻即在电枢回路串接不同附加电阻，以调节转速。观察图4-7b发现，外接电阻越大，电阻功耗越大，特性越软，稳定性越差，是有级调速。此法在实际中已很少应用。第二节直流电动机的单闭环调速系统三、调速指标不同的生产机械，其工艺要求电气控制系统具有不同的调速性能指标，概括为静态和动态调速指标。(一)静态调速指标1．调速范围电动机在额定负载下，运行的最高转速nmax与最低转速nmin之比称为调速范围，用D表示，即第二节直流电动机的单闭环调速系统（4-11）注意：对非弱磁的调速系统，电动机的最高转速nmax即为额定负载时的转速nnom。注：转速过低，电机运动不平稳。minmaxnnD第二节直流电动机的单闭环调速系统2．静差率静差率是指电动机稳定运行时，当负载由理想空载增加至额定负载时，对应的额定转差与理想空载转速n0之比，用百分数表示为：（4-12）静差率反映了电动机转速受负载变化的影响程度，它与机械特性有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定性越好。但并非机械特性一致，静差率相同，还与理想空载转速有关。图4-8所示，A点静差率1%，B点静差率10%，那么能满足最低转速时的静差率，其它转速时也必然能满足。nomn%100%100000nnnnnsnomnom第二节直流电动机的单闭环调速系统图4-8不同转速下的静差率第二节直流电动机的单闭环调速系统3．调速范围与静差率的关系在调压调速系统中，以额定转速为最高转速，转差率为最低转速时的转差率，则最低转速：则调速范围与静差率满足下列关系式：snsnsnnnnnomnomnomnom)1(min0minnomnomnssnnnD)1(minmax第二节直流电动机的单闭环调速系统由以上公式可知，当一个调速系统机械特性硬度（）一定时，对静差率要求越高，即静差率越小，允许的调速范围也越小。(二)动态调速指标动态调速性能指标包括跟随性能指标和抗干扰性能指标两类。1．跟随性能指标在给定信号（或称参考输入信号）的作用下，系统输出量的变化情况可用跟随性能指标来描述。当给定信号变化方式不同时，输出响应也不一样。通常以输出量的初始值为零、给定信号阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过程，这时的动态响应又称阶跃响应。nomntrtc第二节直流电动机的单闭环调速系统一般希望在阶跃响应中输出量与其稳态值的偏差越小越好，达到的时间越快越好。具体的跟随性能指标有下列各项：(1)上升时间在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值所经过的时间称为上升时间，它表示动态响应的快速性，见图4-9。在调速系统中采用这个定义就可以了，在一般控制系统中还有更为严格的定义。tcccrt第二节直流电动机的单闭环调速系统(2)超调量在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示，称为超调量：(4-14)超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，则相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。%%100%maxccc图4-9典型阶跃响应曲线和跟随性能指标第二节直流电动机的单闭环调速系统(3)调节时间ts调节时间又称过渡过程时间，它衡量系统整个调节过程的快慢。原则上它应该是从给定量阶跃变化起到输出量完全稳定下来为止的时间。对于线性控制系统来说，理论上要到才真正稳定，但是实际系统由于存在非线性等因素并不是这样。因此，一般在阶跃响应曲线的稳态值附近，取（或）的范围作为允许误差带，以响应曲线达到并不再超出该误差带所需的最短时间，定义为调节时间，见图4-9。t%5%2第二节直流电动机的单闭环调速系统2.抗扰性能指标一般是以系统稳定运行中，突加负载的阶跃扰动F后的动态过程作为典型的抗扰过程，并由此定义抗扰性能指标，见图4-10。(1)动态降落系统稳定运行时，突加一定数值的扰动后引起转速的最大降落值叫做动态降落，用输出量原稳态值的百分数来表示。输出量在动态降落后逐渐恢复，达到新的稳态值，是系统在该扰动作用下的稳态降落。动态降落一般都大于稳态降落（即静差）。调速系统突加额定负载扰动时的动态降落称作动态速降。%maxn%maxn%maxn1n2n21nn第二节直流电动机的单闭环调速系统图4-10突加负载时的动态过程和抗扰性能指标第二节直流电动机的单闭环调速系统(2)恢复时间从阶跃扰动作用开始，到被调量进入离稳态值的或的区域内为止所需要的时间。(3)震荡次数N震荡次数为在恢复时间内被调量在稳态值上下摆动的次数，它代表系统的稳定性和抗扰能力强弱。ft%5%2第二节直流电动机的单闭环调速系统四、单闭环直流调速系统直流伺服电动机由于调速性能好，起动、制动和过载转矩大，便于控制等特点，是许多大容量高性能要求的生产机械的理想的电动机。尽管近年来，交流电动机的控制系统不断普及，但直流电动机仍然在一定场合得到广泛应用。当生产机械对调速性能要求不高时，可采用开环调速系