【文章內(nèi)容簡介】 方便得多。調(diào)速后，因 I 增加得多，If 減少得不多，電源輸入功率1 ()afnUP I I??還是增加了。電磁功率并不降低，這是它的優(yōu)點。 圖 減小磁通轉(zhuǎn)速的變化圖 改變電樞供電電壓 U 當(dāng)勵磁電流、電樞回路總電阻都不變，僅改變電樞端電壓 U時，機械特性曲線是一組與固有機械特性想平行的直線，如圖 所示 。 改變電樞端電壓 U 調(diào)速時，輸入功率 P1=UI，與電壓 U 成正比。電磁功率與轉(zhuǎn)速成正比。而電樞感應(yīng)電動勢 Ea 差不多等于端電壓 U,并且正比于 n。所以調(diào)速時效率基本不變。 M a aP E I? 式（ ） 改變電樞端電壓目前主要有兩種方法：一種是可控整流供電 。一種是直流斬波器供電。 圖 是可控整流器降壓的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)。如果要求電動機能正反轉(zhuǎn)，可用反并聯(lián)整流電路，是用直流斬波器降壓調(diào)速的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)， 它利用電力半導(dǎo)體元件的開關(guān)作用控制加在電動機兩端得通電時間，從而控制電動機的輸入電壓。電動機電壓隨時間的變化電動機輸入電壓的平均值 avU 可表示為 本科畢業(yè)設(shè)計 2 電動機直流調(diào)速工作原理 7 onav t UUU T? ? ? 式（ ） 式中， ont 是斬波器開通時間； T 是斬波器的通電周期； ? 是斬波 器的占空比 . 1112TTTTT? ? ?? 式（ ） 圖 改變電壓轉(zhuǎn)速的變化圖 直流電機 PWM(脈寬調(diào)制 )調(diào)速工作原理 在直流調(diào)速系統(tǒng)中，開關(guān)放大器提供驅(qū)動電機所需要的電壓和電流，通過改變加在電動機上的電壓的平均值來控制電機的運轉(zhuǎn)。在開關(guān)放大器中，常采用晶體管作為開關(guān)器件，晶體管如同開關(guān)一樣，總是處在接通和斷開的狀態(tài)。一種比較簡單的開關(guān)放大器是按照一個固定的頻率去接 通和斷開放大器，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”的相位寬窄，這樣的放大器被稱為脈沖調(diào)制放大器。 在圖 中假定 IGBT 先導(dǎo)通 T1（忽略其的管壓降，這期間電源電壓 U 全部加到電樞上），然后關(guān)斷 T2，電樞失去電源，經(jīng)二極管 VD 續(xù)流。如此周而復(fù)始，則電樞端電壓波形如圖 所示。電動機電樞端 U0 為其平均值： 10 12 SStU U Utt? ? ?? 式（ ） 式中 ? 為一個周期 T 中， IGBT 導(dǎo)通時間 與 T 的比率，稱為 PWM 電壓的占空比。使用下面三種方法中的任何一種，都可以改變 ? 的值，從而達(dá)到調(diào)壓的目的，實現(xiàn)電動機的平滑調(diào)速： ○ 1 定寬調(diào)頻法 :保持 1t 不變，改變 2t ，從而改變周期 T （或頻率）。 ○ 2 調(diào)寬調(diào)頻法：保持 2t 不變，改變 1t ，從而改變周期 T （或頻率）。 ○ 3 定頻調(diào)寬法：保持周期 T （或頻率）不變，同時改變 1t 、 2t 。 本科畢業(yè)設(shè)計 2 電動機直流調(diào)速工作原理 8 iU t t 2t T 0U SU 圖 PWM調(diào)速控制原理圖 圖 輸入輸出電壓波形圖 前 2種方法由于在調(diào)速時改變了控制脈沖的周期（或頻率），當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時，將會引起振蕩，因此應(yīng)用較少。目前，在直流電動本科畢業(yè)設(shè)計 2 電動機直流調(diào)速工作原理 9 機的控制中，主要使用第 3 種方法。 PWM 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)控制電路主要由脈寬調(diào)制器，功率開關(guān)器的驅(qū)動電路和保護電路組成，其中最關(guān)鍵的部件是脈寬調(diào)制器。 脈沖調(diào)制器是一個電壓 脈沖變換裝置。由控制電壓 ctU 進(jìn)行控制，為 PWM 變換器提供所需的脈沖信號。脈寬調(diào)制器的基本原理是將直流信號和一個調(diào)制信號比較，調(diào)制信號可以是三角波，也可以是鋸齒波。脈寬調(diào)制信號也可方便地由數(shù)字方法來產(chǎn)生，目前有許多專用集成 PWM 控制電路，它們?yōu)槊}寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計提供了方便，而且提高了系統(tǒng)的可靠性。 產(chǎn)生 PWM 控制信號的方法有 4種，分別為： ○ 1 分立電子元件組成的 PWM 信號發(fā)生器 這種方法是用分立的邏輯電子元件組成 PWM 信號電路。它是最早期的方式，現(xiàn)在已經(jīng)被淘汰了。 ○ 2 軟件模擬法 利用單片機的一個 I/O 引腳，通過軟件對該引腳不斷地輸出高低電平來實現(xiàn)PWM 信號輸出。這種方法要占用 CPU 大量時間，需要很高的單片機性能，易于實現(xiàn)，目前也逐漸被淘汰。 ○ 3 專用 PWM 集成電路 從 PWM 控制技術(shù)出現(xiàn)之日起，就有芯片制造商生產(chǎn)專用的 PWM 集成電路芯片，現(xiàn)在市場上已有許多種。這些芯片除了由 PWM 信號發(fā)生功能外，還有“死區(qū)”調(diào)節(jié)功能、保護功能等。在單片機控制直流電動機系統(tǒng)中，使用專用 PWM 集成電路可以減輕單片機負(fù)擔(dān)，工作也更可靠。 ○ 4 單片機 PWM 口 新一代的單片機增加了許多功能，其中包括 PWM 功能。單片機通過初始化設(shè)置，使其能自動地發(fā)出 PWM 脈沖波，只能在改變占空比時 CPU 才進(jìn)行干預(yù)。 其中常用后兩中方法獲得 PWM 信號。實驗中使用方法 ○ 4 獲得 PWM 信號。 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理 不同的生產(chǎn)機械，其工藝要求電氣控制系統(tǒng)具有不同的調(diào)速性能指標(biāo)，概括為靜態(tài)和動態(tài)調(diào)速指標(biāo)。 靜態(tài)調(diào)速指標(biāo) ○ 1 調(diào)速范圍 電動機在額定負(fù)載下，運行 的最高轉(zhuǎn)速 maxn 與最低轉(zhuǎn)速 minn 之比稱為調(diào)速范圍，用 D 表示。即 本科畢業(yè)設(shè)計 2 電動機直流調(diào)速工作原理 10 maxminnD n? 式（ ） ○ 2 靜差率 靜差率是指電動機穩(wěn)定運行時，當(dāng)負(fù)載由理想空載增加至額定負(fù)載時，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 nomn? 與理想空載轉(zhuǎn)速 0n 之比，表示為 000nom nomn n nS nn???? 式 () 靜差率反映了電動機轉(zhuǎn)速受負(fù)載變化的影響程度，它與機械特性有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性越好。 ○ 3 調(diào)速范圍與靜差率的關(guān)系 在調(diào)速系統(tǒng)中，額定電壓為最高轉(zhuǎn)速，靜差率為最低轉(zhuǎn)速時的靜差率，則最低轉(zhuǎn)速 m in 0 m in ( 1 )nomn o m n o m n o mSnn n n n nSS??? ? ? ? ? ? ? ? 式 () 則調(diào)速范圍與靜差率滿足下列關(guān)系式： (1 )nomnom SnD Sn? ?? 式（ ） 由以上公式可知，當(dāng)一個調(diào)速系統(tǒng)機械特性硬度一定時，對靜差 率要求越高，即靜差率越小，允許的調(diào)速范圍也越小。 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 只通過改變觸發(fā)或驅(qū)動電路的控制電壓來改變功率變換電路的輸出平均電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的目的，稱為開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。但開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有局限性： ○ 1 通過控制可調(diào)直流電源的輸入信號 cU ，可以連續(xù)調(diào)節(jié)直流電動機的電樞電壓dU ，實現(xiàn)直流電動機的平滑無極調(diào)速，但是，在啟動或大范圍階躍升速時，電 樞電流可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電機額定電流，可能會損壞電動機，也會使直流可調(diào)電源因過流而燒毀。因此必須設(shè)法限制電樞動態(tài)電流的幅值。 ○ 2 開環(huán)系統(tǒng)的額定速降一般都比較大，使得開環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍 D 都很小，對于大部分需要調(diào)速的生產(chǎn)機械都無法滿足要求。因此必須采用閉環(huán)反饋控制的方法減小額定動態(tài)速降，以增大調(diào)速范圍。 ○ 3 開環(huán)系統(tǒng)對于負(fù)載擾動是有靜差的。必須采用閉環(huán)反饋控制消除擾動靜差 為克服其缺點，提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量，必須采用帶有負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，方框圖如圖 所示 。在閉環(huán)系統(tǒng)中，把系統(tǒng)輸出量通過檢測裝置（傳感器）引向本科畢業(yè)設(shè)計 2 電動機直流調(diào)速工作原理 11 系統(tǒng)的輸入端，與系統(tǒng)的輸入量進(jìn)行比較，從而得到反饋量與輸入量之間的偏差信號。利用此偏差信號通過控制器（調(diào)節(jié)器）產(chǎn)生控制作用，自動糾正偏差。因此，帶輸出量負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)能提高系統(tǒng)抗擾性，改善控制精度的性能，廣泛用于各類自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。 圖 閉環(huán)系統(tǒng)方框圖 對于調(diào)速系統(tǒng)來說，輸出量是轉(zhuǎn)速，通常引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。在電動機軸上安裝一臺測速發(fā)電機 TG，引出與輸出量 —— 轉(zhuǎn)速成正 比的負(fù)反饋電壓 nU ，與轉(zhuǎn)速給定電壓 *nU 進(jìn)行比較，得到偏差電壓 nU? ，經(jīng)過放大器 A，產(chǎn)生驅(qū)動或觸發(fā)裝置的控制電壓 ctU ，去控制電動機的轉(zhuǎn)速，這就組成了反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，如圖 所示。 圖 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)框圖 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性 為分析系統(tǒng)的靜特性 ，突出主要矛盾，作如下假定：典型環(huán)節(jié)輸入輸出呈線性關(guān)系；系統(tǒng)在電流連續(xù)段工作；忽略直流電源和電位器內(nèi)阻。 由此系統(tǒng)各環(huán)節(jié)輸入輸出量得靜態(tài)關(guān)系如下： 電壓比較環(huán)節(jié)： n n fnU U U? ? ? 式 (） 比例放大器： Pct nUUK?? 式（ ） 調(diào)節(jié)器 被控對象 擾動量 檢測裝置 輸 出量 反饋量 偏差 輸入量 + － 本科畢業(yè)設(shè)計 2 電動機直流調(diào)速工作原理 12 晶閘管整流裝置與觸發(fā)裝置： 112fn nR nnUCRR? ? ?? 式（ ） 系統(tǒng)開環(huán)機械特性： 0 ddeRU In C?? 式 (） 以上各式中 ， PK —— 速度調(diào)節(jié)器放大系數(shù) SK —— 晶閘管整流與觸發(fā)裝置的電壓放大系數(shù) ? —— 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) x alR RR?? —— 電樞回路總電阻 x i lR R R?? —— 整流器內(nèi)阻 +電抗器電阻 aR —— 電動機電樞電阻 利用疊加原理，將給定電壓 nU 和擾動作用 dRI? 分別單獨作用時的響應(yīng)進(jìn)行疊加，可得系統(tǒng)的靜特性方程。 *(1 ) (1 )PSLnee RKKn U IkkCC???? 式（ ） 如果沒有測速反饋回路，可得上述系統(tǒng)開環(huán)機械特性方程 0 0d P Sdn d o p o pe e eRRUUI K Kn nnIC C C?? ? ? ? ? ? 式（ ） 式中， 0opn 為開環(huán)理想空載轉(zhuǎn)速， opn? 開環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)速降。而閉環(huán)靜特性 0( 1 ) ( 1 )PS n d c l c lee RUKKn nnIkkCC? ? ? ? ??? 式 (） 式中， 0cln 為閉環(huán)理想空載轉(zhuǎn)速， cln? 為 閉環(huán)穩(wěn)態(tài)速降 。 dnn = +1 + + RU I對 給 定 前 向 通 道 各 環(huán) 節(jié) 乘 積 對 擾 動 量 前 向 各 環(huán) 節(jié) 乘 積開 環(huán) 放 大 倍 數(shù) 1 開 環(huán) 放 大 倍 數(shù)本科畢業(yè)設(shè)計 2 電動機直流調(diào)速工作原理 13 圖 開、閉環(huán)系統(tǒng)靜特性 以上兩種形式上相似，但本質(zhì)上卻有很大不同，觀察圖 ，把兩者作一比較。在開環(huán)系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載電流增大