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1、电力拖动控制系统电力拖动控制系统2022/9/211本讲稿第一页，共十四页第八章第八章 直流脉宽调速系统直流脉宽调速系统PWMPWM：采用门极可关断晶闸管，全控电力晶体管：采用门极可关断晶闸管，全控电力晶体管GTRGTR，P-P-MOSFETMOSFET等全控式电力电子器件组成等全控式电力电子器件组成PWMPWM系统。系统。特点：特点：1 1、主电路线路简单，需用的功率器件少；、主电路线路简单，需用的功率器件少；2 2、开关频率高，电流易连续谐波少，电机损耗和发热较少；、开关频率高，电流易连续谐波少，电机损耗和发热较少；3 3、低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；、低速性能好，稳速精度高，
2、因而调速范围宽；4 4、系统频带宽，快速响应好，动态抗扰能力强；、系统频带宽，快速响应好，动态抗扰能力强；5 5、主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率高；、主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率高；6 6、直流电源采用不控三相整流时，电网功率因数高。、直流电源采用不控三相整流时，电网功率因数高。适用范围：电动车辆和电动机车上。适用范围：电动车辆和电动机车上。内容：脉宽调制变换器内容：脉宽调制变换器 ；脉宽调制原理；脉宽调制原理；脉宽调速系统的机械特性脉宽调速系统的机械特性 2022/9/212本讲稿第二页，共十四页8181脉宽调制变换器脉宽调制变换器一、脉宽调制变换器（适用于
3、中、小功率的系统）一、脉宽调制变换器（适用于中、小功率的系统）采用脉宽调制的直流斩波器采用脉宽调制的直流斩波器VMVM系统的缺点：系统的缺点：1 1、存在电流的谐波分量，深调速时转矩脉动大，限制了调速、存在电流的谐波分量，深调速时转矩脉动大，限制了调速范围范围2 2、深调速时功率因数低，也限制了调速范围，、深调速时功率因数低，也限制了调速范围，3 3、大电感又限制了快速性。、大电感又限制了快速性。PWMPWM变换器分为可逆的和不可逆的。可逆的又分为双极式单变换器分为可逆的和不可逆的。可逆的又分为双极式单极式和受限单极式。极式和受限单极式。简单的不可逆变换器简单的不可逆变换器2022/9/213
4、本讲稿第三页，共十四页工作原理工作原理VbVb为正，为正，VTVT饱和导通，饱和导通，VbVb为负，为负，VTVT截止，二极管续流，截止，二极管续流，电动机平均端电压：电动机平均端电压：其中其中为为PWMPWM电压电压的占空比。的占空比。2022/9/214本讲稿第四页，共十四页二、可逆变换器二、可逆变换器型变换器：四个三极电力晶体管和四个续流管组成的型变换器：四个三极电力晶体管和四个续流管组成的桥式电路，从控制方式分：双极式、单极式和受限单极桥式电路，从控制方式分：双极式、单极式和受限单极式三种。式三种。（一）双极式可逆变换器（一）双极式可逆变换器工作原理：工作原理：U Ub1b1=U=Ub
5、4b4，U Ub2b2=U=Ub3b3=U=Ub1b1 ；，VT1VT1、VT4VT4饱和导通，饱和导通，U UABAB=U=US S；，VTVT1 1、VTVT4 4截止，经截止，经VDVD2 2、VDVD3 3续流，续流，U UABAB=-U=-US S；idid的波形有两种：的波形有两种：电动机负载较重时情况电动机负载较重时情况-续流时始终为第一象限工作。续流时始终为第一象限工作。电动机负载很轻的情况电动机负载很轻的情况-续流时续流时idid很快到零很快到零,V,VT2T2和和V VT3T3导通。导通。负载电流反向时负载电流反向时,电机处于制动之后电机处于制动之后,沿回路沿回路3 3流通
6、流通,可逆可逆主要体现在正、负脉冲的宽窄上。主要体现在正、负脉冲的宽窄上。2022/9/215本讲稿第五页，共十四页 U Ud d0 0 电枢两端电压为正电枢两端电压为正,电动机正转电动机正转 Ud0 Ud00时时,电动机正转电动机正转;0;0时时,电动机反转电动机反转;=0;=0时时,电动机停止电动机停止2022/9/216本讲稿第六页，共十四页在在=0=0时时,虽然电机停止虽然电机停止,但电枢两端瞬时电压和瞬时电流都不是零但电枢两端瞬时电压和瞬时电流都不是零,而而是交变的是交变的,但交变电流的平均值为零但交变电流的平均值为零,不产生平均转矩不产生平均转矩,只增大了电机损只增大了电机损耗耗,
7、但却使电机有高频微振但却使电机有高频微振,起着起着“动力润滑动力润滑”的作用的作用,清除正、反向时清除正、反向时的静摩擦死区。的静摩擦死区。双极式变换器的优点：电流连续；可以四象限运行，电机停止时双极式变换器的优点：电流连续；可以四象限运行，电机停止时有微振电流，可消除摩擦死区；工作可靠；调速范围宽。有微振电流，可消除摩擦死区；工作可靠；调速范围宽。缺点：开关损耗大；上下管易直通。应设置逻辑延时缺点：开关损耗大；上下管易直通。应设置逻辑延时。（二）、单极式可逆变换器（二）、单极式可逆变换器电路同上：同双极式电路同上：同双极式原理：原理：Ub1=Ub1=Ub2Ub2，VT1VT1、VT2VT2交
8、替导通。交替导通。正转时正转时:Ub3(:Ub3()；Ub4(+)Ub4(+)；反转时；反转时 Ub3(Ub3()；Ub4(Ub4()；VT3VT3和和VT4VT4因电机转向而施加不同的直流控制信号。因电机转向而施加不同的直流控制信号。（三）、受限式单极单极式可逆变换器（三）、受限式单极单极式可逆变换器避避VTVT1,1,VTVT2 2直通电机正转直通电机正转,U,Ub2b2恒为负恒为负,U,Ub3b3恒为负恒为负,U,Ub4b4恒为正；恒为正；电机反转时电机反转时,U,Ub1b1=U=Ub4b4,恒为负恒为负,Ub3,Ub3恒为正恒为正,转载时使特性变软。转载时使特性变软。2022/9/21
9、7本讲稿第七页，共十四页82 82 脉宽调制原理脉宽调制原理 一、脉宽调速系统一、脉宽调速系统电路组成：电路组成：GMGM调制波发生器调制波发生器UPWUPW脉宽调制器脉宽调制器DLDDLD逻辑延时环节逻辑延时环节GDGD基极驱动器基极驱动器PWMPWM脉宽调制变换器脉宽调制变换器FAFA瞬时动作的限流保护瞬时动作的限流保护二、脉宽调制原理二、脉宽调制原理以锯齿波脉宽调制器为例，以锯齿波脉宽调制器为例，GMGM提供调制发生波，提供调制发生波，ACRACR的输出的输出为为UcUc为控制信号。为控制信号。UPWUPW的输出电压为的输出电压为UPWUPW，然后经过逻辑延时，然后经过逻辑延时及基极驱动
10、器加到及基极驱动器加到PWMPWM上去。改变上去。改变UcUc的极性，也就改变了的极性，也就改变了PWMPWM输出平均电压的极性，也就改变了电动机的转向；改变了输出平均电压的极性，也就改变了电动机的转向；改变了UcUc的大小，调节了输出脉冲电压的宽度，从而改变了电动机的的大小，调节了输出脉冲电压的宽度，从而改变了电动机的转速。转速。ACRUPWGMDLDGDPWM2022/9/218本讲稿第八页，共十四页三、三、PWMPWM变换器的传函变换器的传函控制电压控制电压UcUc改变时，改变时，PWMPWM变换器的输出电压要到下一个周变换器的输出电压要到下一个周期方能改变。期方能改变。其传函近似为；其
11、传函近似为；条件条件 K KWPMWPM=Ud/Uc Ud=Ud/Uc Ud：PWMPWM变换器的输出电压，变换器的输出电压，UcUc脉宽调制器的控制电压。脉宽调制器的控制电压。2022/9/219本讲稿第九页，共十四页第九章第九章 位置随动系统位置随动系统一、位置随动系统简介一、位置随动系统简介 伺服系统又称为随动系统或跟踪系统，是一种自动伺服系统又称为随动系统或跟踪系统，是一种自动控制系统。在这种系统中，执行元件能以一定的精度自控制系统。在这种系统中，执行元件能以一定的精度自动地按照输入信号的变化规律动作。位置随动系统就是动地按照输入信号的变化规律动作。位置随动系统就是实现执行机构对位置指
12、令（给定量）的准确跟踪，被控实现执行机构对位置指令（给定量）的准确跟踪，被控制量和给定量都是位移量，当给定量随机变化时，系统制量和给定量都是位移量，当给定量随机变化时，系统能使被控制量准确无误地跟随并复现给定量。能使被控制量准确无误地跟随并复现给定量。有定值控制系统、程序控制系统和伺服控制系统三类。有定值控制系统、程序控制系统和伺服控制系统三类。当系统输入信号为定值时，称为定值控制系统，其当系统输入信号为定值时，称为定值控制系统，其基本任务是提高系统的抗干扰能力。如调速系统给定量基本任务是提高系统的抗干扰能力。如调速系统给定量是恒值，不管外界如何扰动，希望输出量能够稳定，因是恒值，不管外界如何
13、扰动，希望输出量能够稳定，因而抗扰能力特别重要；当系统的输入信号按预先给定的而抗扰能力特别重要；当系统的输入信号按预先给定的规律变化时，称为程序控制系统。规律变化时，称为程序控制系统。2022/9/2110本讲稿第十页，共十四页 伺服系统也称为随动系统，其输入信号是时间的未知伺服系统也称为随动系统，其输入信号是时间的未知函数，输出量能够准确、迅速地复现输入量的变化规函数，输出量能够准确、迅速地复现输入量的变化规律，如位置随动系统，在系统中位置指令是经常变化律，如位置随动系统，在系统中位置指令是经常变化的，是一个随机量，要求输出准确跟随给定量的变化，的，是一个随机量，要求输出准确跟随给定量的变化
14、，系统的跟随性能成了主要指标。系统的跟随性能成了主要指标。按输入信号介质分类：有机液伺服系统、电液伺服系统、按输入信号介质分类：有机液伺服系统、电液伺服系统、气液伺服系统等。气液伺服系统等。按输出物理量分类：有位置伺服系统、速度伺服系统、按输出物理量分类：有位置伺服系统、速度伺服系统、力（或压力）伺服系统等。力（或压力）伺服系统等。二、位置随动系统的分类二、位置随动系统的分类1模拟式随动系统：系统中的参量都是连续变化的模拟模拟式随动系统：系统中的参量都是连续变化的模拟量，通常是在调速系统的基础上外加一个位置环。量，通常是在调速系统的基础上外加一个位置环。2022/9/2111本讲稿第十一页，共
15、十四页2 2数字式随动系统：仍采用模拟的电流环和速度环以保数字式随动系统：仍采用模拟的电流环和速度环以保证系统的快速响应，但位置环是数字式的。可以提高其证系统的快速响应，但位置环是数字式的。可以提高其精度。精度。又分为以下三种：又分为以下三种：数字式相位控制随动系统数字式相位控制随动系统数字式脉冲控制随动系统数字式脉冲控制随动系统数字式编码控制随动系统数字式编码控制随动系统三、数字随动系统三、数字随动系统数字随动实验系统是一个由计算机控制的位置跟踪系统。数字随动实验系统是一个由计算机控制的位置跟踪系统。它将计算机预先给定的在时间上不连续的数字量，变成它将计算机预先给定的在时间上不连续的数字量，
16、变成在时间上连续的并且有一定输出功率的模拟量（角位移在时间上连续的并且有一定输出功率的模拟量（角位移或转角）。当给定量发生变化时，输出的模拟量也随之或转角）。当给定量发生变化时，输出的模拟量也随之发生相应的变化。发生相应的变化。2022/9/2112本讲稿第十二页，共十四页 实验系统配有电动机（执行机构）、测速发电机、光实验系统配有电动机（执行机构）、测速发电机、光电编码器，减速齿轮，通过电编码器，减速齿轮，通过PCPC机做控制器，构成数字随机做控制器，构成数字随动系统。动系统。工作原理：计算机从内存专用单元取出数字量给定，工作原理：计算机从内存专用单元取出数字量给定，与数字反馈量相减，得到误
17、差量，根据误差量，经过计与数字反馈量相减，得到误差量，根据误差量，经过计算机实现某种控制规律（算机实现某种控制规律（P P或或PDPD算法等），得到数字调节算法等），得到数字调节器的输出量。该输出量经过数器的输出量。该输出量经过数/模转换，得到相应的模拟模转换，得到相应的模拟量（电压）量（电压）Un*,Un*Un*,Un*即作为双环调速系统调节器的输即作为双环调速系统调节器的输入信号，经过入信号，经过ASRASR、ACRACR以及以及PWMPWM功率放大器，驱动电机功率放大器，驱动电机旋转，通过减速箱带动光电编码器和刻度盘转动逐渐向旋转，通过减速箱带动光电编码器和刻度盘转动逐渐向控制目标接近，当刻度盘转过一定的角度，到达数字量控制目标接近，当刻度盘转过一定的角度，到达数字量反馈信号与数字量给定信号一致的位置时，误差量为反馈信号与数字量给定信号一致的位置时，误差量为零，输出零，输出Un*Un*也等于零，电机停止，完成位置追踪过程。也等于零，电机停止，完成位置追踪过程。2022/9/2113本讲稿第十三页，共十四页原理框图原理框图PC测 速 电机光电码盘减速器直 流 电机功率放大器电流调节器速度调节器2022/9/2114本讲稿第十四页，共十四页