运动控制系统-3

MotionControlSystem南京理工大学自动化学院NanjingUniversityofScience&TechnologyDepartmentofAutomation第3章直流脉宽调速系统MotionControlSystem第3章直流脉宽调速系统本章提要直流脉宽调速系统出现的历史背景直流斩波器的基本结构与工作原理几种典型PWM变换器的基本结构及工作原理直流PWM调速系统的开环机械特性PWM系统控制电路PWM变换器的数学模型MotionControlSystem第3章直流脉宽调速系统3.0.1直流脉宽调速系统出现的历史背景20世纪70年代以前，以晶闸管为基础组成的相控整流装置是运动控制系统直流传动中主要使用的变流装置，但由于晶闸管属于半控型器件，使其构成的V－M系统的性能受到一定的限制；20世纪70年代以后，随着电力电子技术的发展，出现了全控型器件－－门极可关断晶闸管（GTO）、电力场效应晶体管（Power－MOSFET）、绝缘栅极双极晶体管（IGBT）；直流电机控制领域向高精度方向发展；PWM驱动装置在中小功率场合，有着晶闸管驱动装置无法比拟的优点，例如：调速范围宽、快速性好、电流波形系数好、功率因数好等。MotionControlSystem第3章直流脉宽调速系统3.0.1直流斩波器的基本结构与工作原理1.直流斩波器的基本结构b）电压波形图tOuaUsUdTton图3.0直流斩波器－电动机系统原理图和电压波形iaSa）原理图+MUsVD+--MotionControlSystem第3章直流脉宽调速系统2.斩波器的基本工作原理在原理图中，VT表示电力电子开关器件，VD表示续流二极管。当VT导通时，直流电源电压Us加到电动机上；当VT关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢电流经VD续流，两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如图(3-1b)，好像是电源电压Us在ton时间内被接上，又在T–ton时间内被斩断，故称“斩波”。MotionControlSystem第3章直流脉宽调速系统3.输出电压计算电动机得到的平均电压为：ssondUUTtU式中T—电力电子开关器件的开关周期；ton—开通时间；—占空比，=ton/T=tonf,其中f为开关频率。MotionControlSystem第3章直流脉宽调速系统4.斩波电路三种控制方式根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分，有三种控制方式：T不变，变ton—脉冲宽度调制（PWM）；ton不变，变T—脉冲频率调制（PFM）；ton和T都可调—混合型。MotionControlSystem第3章直流脉宽调速系统5.PWM变换器的作用采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路---脉宽调制变换器（PWM－－PulseWidthModulation）。PWM变换器的作用是：用PWM调制的方法，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序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。MotionControlSystem第3章直流脉宽调速系统3.1脉宽调制变换器PWM变换器分类不可逆可逆有制动作用不可逆PWM变换器无制动作用不可逆PWM变换器双极式可逆PWM变换器单极式可逆PWM变换器受限单极式可逆PWM变换器MotionControlSystem第3章直流脉宽调速系统0转矩T(电流I)转速n+T，+n正向电动状态-T，+n正向制动状态-T，-n反向电动状态+T，-n反向制动状态电动机的4个运行象限MotionControlSystem第3章直流脉宽调速系统3.1.1不可逆PWM变换器（1）无制动作用的不可逆PWM变换器图3-1(a)无制动作用的不可逆PWM变换器－直流电动机系统a）主电路原理图VDUs+UbCVTidM+__E21UdOtUbMotionControlSystem第3章直流脉宽调速系统b）工作状态与波形当ton≤tT时，Ub为负，VT关断，电枢失去电源，电枢电流经VD续流。当0≤tton时，Ub为正，VT导通，电源电压通过VT加到电动机电枢两端；在一个开关周期内：图3-1(b)系统稳态时电枢的电压和电流波形U,iUdEidUsttonT0MotionControlSystem第3章直流脉宽调速系统1）电机两端得到的平均电压ssondUUTtU式中=ton/T为PWM波形的占空比，改变（0≤1）即可调节电机的转速c)相关方程：MotionControlSystem第3章直流脉宽调速系统2）一个周期内电路电压平衡方程当0≤tton时当ton≤tT时sdddiURiLEdt0dddiRiLEdt式中：R、L－－电枢回路的电阻和电感E－－电机反电动势MotionControlSystem第3章直流脉宽调速系统图3-2a有制动电流通路的不可逆PWM变换器电路M+﹣VD2Ub2Ub1VT2VT1VD1ECUs+Ｕｄ（2）有制动的不可逆PWM变换器a）主电路原理图MotionControlSystem第3章直流脉宽调速系统1）一般电动状态M+﹣VD2Ub1VD1ECUs+VT2Ub2VT1Ｕｄ12idb）工作状态与波形VT1VD2VT1Ub1=-Ub2UsUidUdEaidtonT121ttMotionControlSystem第3章直流脉宽调速系统在ton≤tT期间，Ub1和Ub2都改变极性，VT1关断，但VT2却不能立即导通，因为id沿回路2经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加反压，使它失去导通的可能。在0≤tton期间，Ub1为正，VT1导通，Ub2为负，VT2关断。此时，电源电压Us加到电枢两端，电流id沿图中的回路1流通。因此，实际上是由VT1和VD2交替导通，虽然电路中多了一个功率开关器件，但并没有被用上。MotionControlSystem第3章直流脉宽调速系统2）制动状态M+﹣VD2Ub2VD1ECUs+VT2VT1Ub1Ｕｄ43idVD1VT2Ub1=-Ub2UsUidUdEaidtonT343ttVD2VT240T+tonMotionControlSystem第3章直流脉宽调速系统在0≤tton期间，VT2关断，-id沿回路4经VD1续流，向电源回馈制动，与此同时，VD1两端压降钳住VT1使其不能导通。在ton≤tT期间，Ub2变正，于是VT2导通，反向电流-id沿回路3流通，产生能耗制动作用。因此，在制动状态下，VT2和VD1轮流导通，而VT1始终处于关断状态，此时的电压和电流波形示于图3-3c。MotionControlSystem第3章直流脉宽调速系统3）轻载电动状态VT1VT2M+﹣VD2VD1ECUs+Ub2Ub1Ｕｄ43id12MotionControlSystem第3章直流脉宽调速系统轻载电动状态，一个周期分成四个阶段：第1阶段，VD1续流，电流-id沿回路4流通；第2阶段，VT1导通，电流id沿回路1流通；第3阶段，VD2续流，电流id沿回路2流通；第4阶段，VT2导通，电流–id沿回路3流通；在1、4阶段，电动机流过负方向电流，电机工作在制动状态；在2、3阶段，电动机流过正方向电流，电机工作在电动状态。因此，在轻载时，电流可在正负方向之间脉动，平均电流等于负载电流，其输出波形见图3-2d。MotionControlSystem第3章直流脉宽调速系统图3-2d轻载电动状态的电流波形U,iUdEidUsttonT041234123TtonidtOt4t2MotionControlSystem第3章直流脉宽调速系统3.1.2可逆PWM变换器T型可逆PWM变换器双极式（主电路的结构形式）H型单极式（控制方式）受限单极式MotionControlSystem第3章直流脉宽调速系统（1）双极式可逆PWM变换器1234MVT1AVD2Ub2VD1VT2VT3Ub3VT4Ub4VD3VD4BUsMotionControlSystem第3章直流脉宽调速系统工作状态与波形第1阶段，在0≤tton期间，Ub1、Ub4为正，VT1、VT4导通，Ub2、Ub3为负，VT2、VT3截止，电流id沿回路1流通，电动机M两端电压UAB=+Us；第2阶段，在ton≤tT期间，Ub1、Ub4为负，VT1、VT4截止，VD2、VD3续流，并钳位使VT2、VT3保持截止，电流id沿回路2流通，电动机M两端电压UAB=–Us；U,iUdEid+UsttonT-UsO(1)正向电动运行时电压、电流波形（a）正向运行MotionControlSystem第3章直流脉宽调速系统（b）反向运行第1阶段，在0≤t≤ton期间，Ub2、Ub3为负，VT2、VT3截止，VD1、VD4续流，并钳位使VT1、VT4截止，电流–id沿回路4流通，电动机M两端电压UAB=+Us；第2阶段，在ton≤t≤T期间，Ub2、Ub3为正，VT2、VT3导通，Ub1、Ub4为负，使VT1、VT4保持截止，电流–id沿回路3流通，电动机M两端电压UAB=–Us；(2)反向电动运行波形UdEid+UsttonT0-UsU,iMotionControlSystem第3章直流脉宽调速系统电机两端得到的平均电压:ssonsonsond)12()12(UUTtUTtTUTtU＝式中=ton/T为PWM波形的占空比；调速时，的可调范围为0~1，定义＝2－1，则当0.5时，为正当0.5时，为负当=0.5时，=0电机正转电机反转电机停止相关方程：MotionControlSystem第3章直流脉宽调速系统性能评价1）电流一定连续；2）可使电机在四象限运行；3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；4）低速平稳性好，系统的调速范围可达1:20000左右；5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。双极式控制方式的不足之处：在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。双极式H型PWM变换器有下列优点：MotionControlSystem第3章直流脉宽调速系统（2）单极式可逆PWM变换器单极式可逆PWM变换器电路仍和双极式一样，不同之处仅在驱动脉冲信号。左边两个管子的驱动脉冲具有和双极式时一样的正负交替的脉冲波形，使VT1和VT2交替导通。右边两管VT3与VT4的驱动信号改成因电机的转向而施加不同的直流控制信号。电机正转时：VT3截止而VT4常通；电机反转时：VT3常通而VT4截止。因此可以看出，当电动机朝一个方向旋转时，PWM变换器只在一个阶段中输出某一极性的脉冲电压，而在另一阶段中UAB=0，这就是它之所以称为“单极式”变换器的原因。与双极式相比，优点在于：开关损耗减小，装置的可靠性有所提高。MotionControlSystem第3章直流脉宽调速系统（3）受限单极式可逆PWM变换器受限单极式可逆变换器在电机正转时：VT2一直截止，电机反转时：VT1一直截止，其它驱动信号都和一般单极式变换器相同。MotionControlSystem第3章直流脉宽调速系统3.2直流PWM调速系统的开环机械特性由于采用脉宽调制，严格地说，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，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，机械特性是平均转速与平均转矩（电流）的关系。采用不同形式的PWM变换器，系统的机械特性也不一样。对于带制动电流通路的不可逆电路和双极式控制的可逆电路，电流的方向是可逆的，无论是重载还是轻载，电流波形都是连续的，因而机械特性关系式比较简单，下面就分析这种情况。MotionControlSystem第3章直流脉宽调速系统（1）带制动的不可逆电路电压方程对于带制动电流通路的不可逆电路，电压平衡方程式分两个阶段：dddsdiURiLE