機電驅動技術 第一章 直流驅動技術

機電驅動技術第一章直流驅動技術第1頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一參考書目1.《電力拖動自動控制系統(tǒng)》（第2版）陳伯時，機械工業(yè)出版社，20062.《電力拖動自動控制系統(tǒng)習題例題集》

童福堯，機械工業(yè)出版社，20003.《機電傳動控制學習輔導與題解》

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劉延俊，高等教育出版社，20076.《液壓與氣壓傳動》

（第2版）姜繼海，高等教育出版社，20097.《液壓與氣壓傳動學習指導與習題集》

陳堯明，機械工業(yè)出版社，2004

第2頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一成績構成平時10%（考勤5%、作業(yè)5%)、實驗10%

半期考試20%期末考試60%（一頁紙開卷）第3頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一輔導答疑答疑時間：周三14:30-15:30答疑地點：C1-209第4頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一電磁驅動概論一、涉及學科

電機及電力拖動技術、控制工程基礎、傳感與測量技術、計算機控制技術等。二、核心知識

電機（電磁結構、模型、工作原理），調速與控制技術。第5頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一

三、電機的定義、分類

定義：根據(jù)電信號的指令，將電網(wǎng)的電能轉換成旋轉或直線運動等方式的

機械能的裝置或元件。直流電機（Direct

CurrentMotor）交流電機（AlternatingCurrentMotor）步進電機（StepMotor）直接驅動電機（Direct

DriveMotor）直線電機（LinearMotor）特種電機（Special

Motor）

分類：第6頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一四、電磁驅動基本原理

1.直流電機建立工作磁場（磁鋼、勵磁線圈）

→電機饋電（轉子線圈有直流電流）→左手定則（產(chǎn)生電磁力）F=BLi

2.交流電機建立交變磁場（定子線圈通交流電）→右手定則（轉子線圈內產(chǎn)生感應電勢

E=Keφn,繼而有感應電流）→左手定則（產(chǎn)生電磁力）F=BLi第7頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一第一章直流驅動技術直流電機

直流調速技術

模型—

特性公式動/靜態(tài)特性調速方式

單閉環(huán)（有靜差/無靜差)雙閉環(huán)PWM技術本章兩大主要內容：第8頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一一.應用場合：直流伺服系統(tǒng)（ServoSystem）Servo—

輸出應連續(xù)、平穩(wěn)地跟隨輸入的變化規(guī)律。

二.核心知識：直流伺服電機及驅動方式三.直流伺服電機的基本要求

區(qū)別于一般的直流電機：①調速范圍（）廣而平滑適應于輸入量的變化；第9頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一②機械特性硬→輸出/輸入的靜態(tài)特性好T～n；調節(jié)特性好→控制效果佳Ua～n

；

③快速響應特性→暫態(tài)（過渡）過程短，時間常數(shù)T↓④空載始動電壓小→對驅動電路要求降低；⑤轉動慣量小→,J↓，↑能快速啟/停。第10頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一四.直流伺服電機的特點①體積小，起動轉矩大；②易控制（電樞控制），調速范圍寬，機械特性和線性較好；③有電刷和換向器，難維護（嬌氣、火花危險）。第11頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一1.1直流伺服電機1.1.1結構與原理四大件結構：定子（磁極）轉子（電樞）電刷換向器

第12頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一第13頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一直流電機的電磁工作原理：永磁材料——永磁式DC電機電磁繞組——電磁式DC電機①定子勵磁②轉子（硅鋼片+繞組）通過電刷和換向器與外接電源形成回路(電樞回路)→磁場中有線圈電流通過③則——電磁感應力使轉子轉動④控制電樞繞組中電流大小和方向，可調速和換向

第14頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一1.1.2靜態(tài)特性定義：穩(wěn)態(tài)條件下，電機的轉速n、轉矩T、電樞電壓三者的關系。導出關系：電樞回路的電路分析+

（與時間t無關）反電勢

(切割磁力線)電磁轉矩

電機模型（4-1）（4-2）（4-3）第15頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一特性公式(電機調速模型)：電勢常數(shù)轉矩常數(shù)可見電機轉速n～、Φ

、Ia

有關。①通常采用電樞控制（即為常值，n～

,

）→機械特性公式(轉矩-轉速特性）:

第16頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一

隨著負載↑,↑則n↓，呈下降特性。（為常量，控制電壓恒定即不外加控制，僅看直流電機本身的固有特性)(i)空載（=0）時的轉速稱為理想空載轉速(ii)起動或堵轉狀態(tài)(n=0)下的電機輸出轉矩稱為起動轉矩或堵轉轉矩（注意：起動轉矩=堵轉轉矩）其中:第17頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一相同電樞電壓下，電機轉速n↓轉矩↑②電樞作為控制變量→調節(jié)特性公式→轉速-電壓特性（轉速n與電樞電壓關系）→了解電機調速能力為常量(負載恒定)第18頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一負載恒定時，恒定則～n呈線性關系；負載波動時，為了恒定轉速，需調節(jié)電樞電壓，此時呈非線性關系。第19頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一1.1.3靜態(tài)特性分析1.功率放大電路使機械特性變軟原因：功放電路有內阻，使電樞電壓≠控制電壓

,→曲線變陡使機械特性曲線變陡，則負載變化時，轉速變化較大，機械特性變軟→功放內阻盡量小。第20頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一2.電機內部摩擦→起動時存在死區(qū)（克服摩擦轉矩）3.負載波動→～n呈非線性關系

第21頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一1.1.4動態(tài)特性定義：當給電機電樞繞組加上階躍電壓時，轉速隨時間變化的規(guī)律。

導出關系：①.電樞回路的電路分析（與時間t有關,

時域方程）與靜態(tài)特性公式中不同是：瞬時值

②.考慮過渡過程第22頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一③.傳遞函數(shù)分析方法動態(tài)關系式第23頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一在負載恒定（假設不存在異常波動）和空載（即，只看電機這個單元）下進行拉氏變換，求得電機的傳遞函數(shù)。

通常則當控制電壓為階躍輸入信號時，轉速響應為：第24頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一因此：電機的機電時間常數(shù)決定了電機起動的過渡過程．且，稱為力矩－慣性比，電機設計時應盡量加大力矩－慣性比，使↑，既縮短過渡過程．又避免振蕩．第25頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一1.1.5直流伺服電機的控制→調速和換向

1.調速(1)電樞電壓控制（轉子控制）—恒轉矩→適用額定轉速以下調速①控制電壓→電樞電壓→轉速n變化②由機械特性可知定子磁場不變時，當負載不波動時（電樞電流Ia

可達到額定值→輸出轉矩即達到額定值）→恒轉矩調速方式第26頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一

①只適用于電磁式直流伺服電機

②通過改變激磁電流→改變定子磁場③通常在額定條件下減弱磁場，則n↑,

T↓，輸出功率不變→恒功率調速方式

2.換向

電樞電壓換向→電樞繞組接線端對調→轉子改變磁場方向→激磁繞組接線端的對調→定子(2)激磁磁場控制(定子控制,弱磁調速)—恒功率→適用于額定轉速以上調速第27頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一1.1.6技術指標掌握常見8大指標的概念。第28頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一1.2直流調速系統(tǒng)

直流調速系統(tǒng)啟/停良好、寬調速，是現(xiàn)代交流調速系統(tǒng)的基礎。第29頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一1.2.1單閉環(huán)（有靜差）調速系統(tǒng)1.開環(huán)調速原理

直流伺服電機的調速特性方程第30頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一可見:①調速的控制變量②晶閘管整流的饋電方式（常見）③小功率直流電機→功率晶體管驅動較大功率直流電機→晶閘管驅動PWM驅動第31頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一2.單閉環(huán)調速系統(tǒng)方案第32頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)→只有速度環(huán)①速度指令（直流電壓信號）：斜坡輸入②比較和放大環(huán)節(jié)（運放原理，諸如輸入阻抗大M?級，輸入端共地等）→將速度偏差信號放大。第33頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一③整流和晶閘管觸發(fā)環(huán)節(jié)：實現(xiàn)一定的功率放大，該環(huán)節(jié)是非線性環(huán)節(jié)，應取觸發(fā)整流環(huán)節(jié)輸入/輸出特性的近似線性范圍作為工作區(qū)域。④檢測反饋環(huán)節(jié)：TG—

測速發(fā)電機3.（單閉環(huán)調速系統(tǒng)）系統(tǒng)靜態(tài)分析①穩(wěn)態(tài)指標a.調速范圍（額定負載下）第34頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一b.靜差率S—

負載變化時轉速的穩(wěn)定程度轉速降落:負載從理想空載增加至滿載時的速度變化（負載變化最大時的轉速變化）

通常用百分比表示，且機械特性硬則靜差率小。

c.

D與S關系：，當S↓則D↓二者是一對矛盾第35頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一②穩(wěn)定性分析

由單閉環(huán)框圖:負載波動→↑→↑→↓→↓→→取決于速度反饋環(huán)節(jié)的精度和響應時間前向通道的實時性和誤差影響穩(wěn)速，反之亦然第36頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一③靜態(tài)特性分析第37頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一

閉環(huán)為開環(huán)下的,因此靜態(tài)特性更佳,特性更硬b.靜差率：單閉環(huán)為開環(huán)的c.調速范圍：單閉環(huán)為開環(huán)的（1+K）倍a.比較開環(huán)與單閉環(huán)的轉速降落,單比純電機調速更優(yōu)第38頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一4.(單閉環(huán)調速系統(tǒng))限流保護—電流截止負反饋①原因:起動或堵轉時電樞電流可能過大?允許值,若采用過流繼電器或熔斷器保護,則跳閘無法正常工作。電流過大原因：突然加上給定電壓時，瞬時幾乎是穩(wěn)態(tài)下的(1+K)倍,使晶閘管整流電壓達到最大值→很大,沖擊電流過大,而晶閘管過載能力較低。第39頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一②限流措施僅在起動或堵轉時作用,正常運行時取消(使～負載變化),因此限制大到一定值—截流反饋作用③引入點:電樞回路接一小電阻，則在電樞回路中為該電阻壓降。同時外加比較電壓～截止電流當>就引入電流截止負反饋→當<不引入電流截止負反饋→第40頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一引入電流截止負反饋的兩種方式：第41頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一截流負反饋特性→非線性特性帶截流負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)(P18圖13)“轉速負反饋實質上是采用電樞(電壓)控制調速,是直流調速的最基本、最直接的有效方式,能實現(xiàn)較高精度的寬調速。”5.兩種簡易的單閉環(huán)調速方案電壓負反饋電流正反饋第42頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一6.單閉環(huán)調速動態(tài)分析過渡過程的評價，傳遞函數(shù)分析手段。

思路方法:建立各環(huán)節(jié)運動微分方程→得出相應的傳遞函數(shù)→單閉環(huán)調速系統(tǒng)的數(shù)學模型第43頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一①直流電機數(shù)學模型(額定勵磁)電樞電壓～轉速模型→二階振蕩環(huán)節(jié)

②晶閘管(觸發(fā)+整流)環(huán)節(jié)數(shù)學模型

(觸發(fā)電路)控制電壓～理想空載整流電壓模型→慣性環(huán)節(jié)～③比例放大器數(shù)學模型第44頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一④測速發(fā)電機模型理想空載()時的閉環(huán)傳遞函數(shù)→高階振蕩環(huán)節(jié)（3階）⑤單閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖～第45頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一

⑥穩(wěn)定性分析

可見，若靜差率↓（是開環(huán)的倍），則K↑；

若穩(wěn)定性↑，則K↓

因此，單閉環(huán)無法兼顧調速精度和穩(wěn)定性。第46頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一1.2.2單閉環(huán)(無靜差)調速系統(tǒng)區(qū)別：單閉環(huán)有靜差調速系統(tǒng)→比例調節(jié)器單閉環(huán)無靜差調速系統(tǒng)→比例積分調節(jié)器1.積分控制的規(guī)律①實現(xiàn)偏差積累效應,注重全部時間歷程→產(chǎn)生足夠控制電壓,但存在滯后,動態(tài)響應差。②比例控制:只注重偏差瞬時值,但響應快。第47頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一2.比例-積分(PI)控制方式PI調節(jié)器輸出P調節(jié)器I調節(jié)器迭加而成

①輸入變化劇烈時,電容短路→P調節(jié)方式,

匹配于動態(tài)響應場合；②輸入變化為漸進時,電容充電,電阻不起作用→I調節(jié)方式,匹配于時間歷程的偏差積累情況,最終達到穩(wěn)態(tài)且消除靜差。

第48頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一

3.單閉環(huán)（無靜差）調速系統(tǒng)的體系結構

電路結構圖I<截止電流,即無電流截止措施時→動態(tài)結構圖第49頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一1.2.3轉速/電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)起因:單閉環(huán)的局限性①單閉環(huán):有靜態(tài)誤差(靜差),調速范圍

D～靜差率S是一對矛盾,啟動/堵轉沖擊電流過大；

②單閉環(huán)+電流截止負反饋:只能限制啟動這個過渡過程的電流最大值(設置門檻),即在超過這個指標時才起作用,實際上可能使電樞電流難以較大值運行（原因:↑,第50頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一反電勢↑

↓電機轉矩↓(),導致難以較大轉矩平衡負載而達到工作轉速,使過渡過程延長。③單閉環(huán)(無靜差):

單閉環(huán)+電流截止負反饋+PI調節(jié)器。雖然能清除靜差，但屬于在同一調節(jié)器的輸入端進入兩個反饋，屬于非獨立調節(jié)，不能兼顧過渡過程（穩(wěn)定無振蕩）和穩(wěn)態(tài)（靜差）特性。

第51頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一1.雙閉環(huán)的體系結構

改善過渡過程指標(動態(tài)特性)第52頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一①轉速環(huán)：測速發(fā)電機轉速調節(jié)器

ASR（具有限幅特性規(guī)定了后面的電流調節(jié)器給定電壓最大值）②電流環(huán)：交流互感器TA→形成檢測電流電流調節(jié)器ACR（亦具有限幅特性，規(guī)定了晶閘管的輸出電壓最大值）

③ASR和ACR調節(jié)器的限幅作用→運放限幅電路④本質：是將轉速負反饋和電流截止負反饋分別引入兩個不同的調節(jié)器，即獨立調節(jié)

作用，又形成串接關系（內、外環(huán)關系）第53頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一

2.雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜態(tài)特性分析①分析要點—內環(huán)（電流環(huán)ACR）→永遠不會飽和（設計保證）限幅特性的PI調節(jié)器飽和時→輸出達到限幅值(即恒值)→與輸入變化無關,相當于隔離不飽和時→PI調節(jié)器的作用→直至第54頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一

②靜特性圖

第55頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一③a.轉速調節(jié)器ASR不飽和→轉速PI調節(jié)作用→即,或轉速無靜差b.轉速調節(jié)器ASR飽和轉速PI調節(jié)器不產(chǎn)生作用，相當于轉速環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)單閉環(huán)（電流截止負反饋）

AB段急下降特性:電流無靜差c.上述a、b都在內環(huán)（電流環(huán)）PI調節(jié)器不飽和狀態(tài)下（即電流環(huán)永遠都起作用）第56頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一

3.穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)

穩(wěn)態(tài)工作時,通常兩個調節(jié)器都不飽和（雙閉環(huán)）,則:轉速給定電壓轉速環(huán)PI調節(jié),

使

ASR輸出電流環(huán)PI調節(jié),

使形成電樞回路控制電壓ACR輸出第57頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一4.雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)特性分析主要分析啟動過渡過程:第58頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一第一階段（初啟動）:轉速ASR由不飽和→飽和,該過程轉速環(huán)閉環(huán),電流環(huán)閉環(huán),強迫電流迅速上升，但由于系統(tǒng)慣性作用,升速不快,但該過程時間很短;第二階段（主啟動）:轉速ASR飽和→轉速環(huán)開環(huán)→恒流升速的單環(huán)過程(電流環(huán)閉環(huán)),轉速呈線性增長,是起動過渡過程的主要階段;第59頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一第三階段（啟動過程的結尾）:轉速ASR退飽和→n達到時,由于積分作用(滯后),仍在加速→轉速超調→使ASR退飽和（相當于施加反向輸入）→↓→轉速調節(jié)至。該階段是轉速超調和轉速調節(jié)特性,但不是啟動的主要階段。第60頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一1.2.4脈寬調速系統(tǒng)（前面內容）相控觸發(fā)整流（晶閘管）→調壓調速PAM方式（大功率）全波不