直流电机驱动控制讲述.ppt

第三节　直流传动控制系统  　 在直流电机的动力驱动中，尤其是在大功率驱动中，通常采用晶闸管驱动。当晶闸管用于直流电机的控制中时，最常用的形式是采用可控整流的方式，通过控制晶闸管的导通角而将交流电直接转换成电压或电流可调的直流电，从而实现对电机的电枢电流进行控制，获得高性能的直流拖动控制。 　在许多工业和商业应用中，直流电机是由直流电压直接供电的，如无轨电车、电动叉车、电瓶拖车等，需要将这些直流电转换成不同的直流电压来满足直流电机的调速要求。有许多方法可以完成这种功能，而其中比较先进的技术是采用晶闸管的直流斩波器。 直流斩波器（D.C.Chopper）又称为截波器，它是将电压值固定的直流电，转换为电压值可变的直流电源装置，是一种直流对直流的转换器（DC to DC Converter）。 直流斩波器能直接将一种电压的直流电根据直流电机拖动的需要而转换成另一种电压的直流电，从而实现对电机的高性能控制。优点： 　　斩波器是一种将负载与电源接通继而又断开的晶闸管通断开关，其作用是把固定的电源电压转换成满足负载变化要求的可变电压。其原理如图6－1所示，斩波器用虚线框内的一晶闸管代表。 图6－1　降压直流斩波器原理 　　设一个工作周期为T，在ton时间内，晶闸管导通，负载与电源接通。在toff时间内，斩波器断开，负载依靠续流二极管VD续流，以保持负载电流的连续性。就这样依靠电动机电枢自身的滤波作用，在负载两端得到经过斩波的直流电压。其平均电压可由下式表示： 　　由式（1）可见，负载电压受斩波工作率的控制。工作率的变更方法有两种： 频率调制有以下缺点： ①频率调制必须在宽范围内改变，以满足输出电压范围的要求，变频调制滤波器设计比较难，对信号传输和通信干扰的可能性比较大； ②在输出电压很低的情况下，较长的关断时间会使直流电动机的负载电流断续。 因此，对于斩波器转动系统，恒频调制是最优的选用方案。 图6－1中直流斩波器的电路结构所产生的输出电压低于所用电源的电压。然而，若将电路设计为如图6－2所示的结构，则可以得到较高的负载电压。 　　当斩波器导通时，电感器与电源接通，来自电源的电能被储存在电感中。当斩波器关断时，就强制电流通过二极管和负载，此时电感器两端的电压EL为负，这个电压加在电源上，强制电感器的电流进入负载。　　如果忽略电源电流脉动，那么在斩波器导通期间由电源输入给电感器的电能为 　假设系统无损耗，则在稳态时这两项电能相等，即 　　斩波器最主要的用途是工业或交通运输传动用直流电动机的转速控制。下面讨论斩波器供电的串激和他激电动机的工作特性。　　斩波器供电的串激直流电动机的基本电路如图 6－1所示。假设电动机电流ia是连续的，ton、toff分别是一个控制周期内的导通时间和关断时间，并且转速是固定不变的。在0tton时，晶闸管导通，电压方程为 式中：C1 ——串激电动机励磁绕组系数；　　 E ——直流电源电压；　　 Ra ——电枢及励磁线圈电阻；　　 ia ——电枢电流；　　 La ——电枢及励磁线圈电感；　　 n ——电机转速；　　 C2 ——串激电动机机械刚度系数。 　　而当晶闸管关断时，即tonttoff，晶闸管关闭，电压方程为 当tonttoff时， 　　在直流电机的伺服驱动控制中，通常采用全控型的驱动元件，如大功率晶体管、MOSFET、IGBT等。与晶闸管之类的半控元件相比，这些元件具有驱动电路简单、开关频率高、体积小等优点，随着功率的增加其价格也非常昂贵。但在伺服驱动中，通常功率较小，因此价格因素并不影响对这些全控元件的选用。 　　在伺服驱动中，最常用的控制方式为调压调速控制方式。在这种控制方式中，当负载一定时，电机的转速与电枢电压成线性关系，这种关系决定了直流电机具有优良的控制性能。根据他励直流电机原理，电机运行的决定因素是电枢电流。电枢电流与电机驱动转矩成正比，因此，只要控制电机的电枢电流，就能对电机的驱动转矩进行控制，进而控制机电传动系统的动态响应过程。 　　有多种控制电路可以实现直流电机电枢电流的控制，包括电机的正、反转控制。其中，最常用的当属T型桥驱动和H型桥驱动电路，如图6－3所示。T型桥驱动需要有正、负电源，两个功率元件必须是互补的；H型桥驱动只需要单一电源，但需要4个功率元件。目前，H型桥由于只需要单电源而获得了更广泛的应用，虽然其驱动比T型桥复杂，但由于避免了采用更复杂的正负电源结构，因此在成本上还是合算的。 图6－3　直流电机驱动原理 线性功率放大可使电机在四象限下工作。 但因调速时两只晶体管工作在放大状