智能機(jī)器人與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)3.直流電機(jī)調(diào)速原理與機(jī)械特性直流電機(jī)的調(diào)速方式直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的原理直流PWM開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性直流電機(jī)的調(diào)速方式直流電機(jī)的調(diào)速方式

直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)機(jī)械特性

直流電機(jī)的調(diào)速方式1.調(diào)阻調(diào)速

帶某負(fù)載時(shí)的電樞電流直流電機(jī)的調(diào)速方式1.調(diào)阻調(diào)速

帶某負(fù)載時(shí)的電樞電流有級調(diào)速

在工程中，電機(jī)回路的功率通常較大，因此調(diào)阻調(diào)速通常的做法是在電機(jī)回路中串入不同阻值的大功率電阻來調(diào)整電機(jī)回路中的阻值，以達(dá)到調(diào)速的目的。

由于大多數(shù)情況下電阻的阻值不能連續(xù)變化，因此大多數(shù)情況下調(diào)阻調(diào)速是有級調(diào)速，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性差，調(diào)速效率低。在實(shí)際應(yīng)用中有更好的調(diào)速方案時(shí)，通常不會(huì)使用調(diào)阻調(diào)速。直流電機(jī)的調(diào)速方式2.調(diào)磁調(diào)速

帶某負(fù)載時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩

直流電機(jī)的調(diào)速方式2.調(diào)磁調(diào)速

帶某負(fù)載時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩

弱磁調(diào)速的關(guān)鍵在于，電機(jī)所帶的負(fù)載轉(zhuǎn)矩必須隨著速度的升高而反比下降。在弱磁調(diào)速范圍內(nèi)，磁通越弱，轉(zhuǎn)速越高，所容許的輸出轉(zhuǎn)矩越小，而容許輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積不變，即容許功率不變，為“恒功率調(diào)速方式”。該調(diào)速方式適合負(fù)載較輕的應(yīng)用場景。

相比于有級的調(diào)阻調(diào)速，弱磁調(diào)速雖然能實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，只能在基速（即額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速，在基速以下會(huì)引起輸出轉(zhuǎn)矩減小。因此在實(shí)際應(yīng)用中有更好的調(diào)速方案時(shí)，通常也不會(huì)使用弱磁調(diào)速的方法進(jìn)行電機(jī)調(diào)速。直流電機(jī)的調(diào)速方式3.調(diào)壓調(diào)速

帶某負(fù)載時(shí)的電樞電流直流電機(jī)的調(diào)速方式3.調(diào)壓調(diào)速

帶某負(fù)載時(shí)的電樞電流

在調(diào)壓調(diào)速范圍內(nèi)，勵(lì)磁磁通不變，容許的輸出轉(zhuǎn)矩也不變，稱為“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式”。這種調(diào)速方式高速時(shí)輸出功率大，低速時(shí)輸出功率小，多用于負(fù)載較重的場合。

相比于只能在基速以上作小范圍的弱磁調(diào)速，調(diào)壓調(diào)速得到的機(jī)械特性與電機(jī)的固有機(jī)械特性平行，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性好，能在較大范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速。因此，直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，只有當(dāng)轉(zhuǎn)速需要達(dá)到基速以上時(shí)才會(huì)結(jié)合弱磁調(diào)速。直流電機(jī)的調(diào)速方式三種調(diào)速方式的性能與比較改變電阻只能有級調(diào)速減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，在基速以上作小范圍的弱磁升速。在基速以下會(huì)引起輸出轉(zhuǎn)矩減小。調(diào)壓調(diào)速能在較大的范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速。

因此，直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的原理直流PWM變換器

PWM調(diào)制：把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列，從而可以改變平均輸出平均電壓的大小。

雙極式控制的可逆PWM變換器

根據(jù)PWM變換器主電路的形式可以將其分為可逆和不可逆兩大類。由于我們只關(guān)心可逆調(diào)速系統(tǒng)的特性，故本節(jié)只介紹可逆PWM變換器。

可逆PWM變換器的主電路有多種形式，最常用的是橋式（也稱為H形）電路。電動(dòng)機(jī)M兩端電壓的極性隨開關(guān)器件柵極驅(qū)動(dòng)電壓極性的變化而改變，其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多種，這里只著重分析最常用的雙極式控制的可逆PWM變換器。

H形主電路結(jié)構(gòu)+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT413AB4MVT1VT2VT32UgoUgoUgotonTUgotonT雙極式控制方式第1階段:在0≤

t≤

ton

期間，

Ug1、

Ug4為正，VT1、VT4導(dǎo)通，

Ug2、Ug3為負(fù)，VT2、VT3截止，電流id

沿回路1流，電機(jī)M兩端電壓

UAB=+Us

（1）正向運(yùn)行+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT41ABMVT1VT2VT3Ug14otonTUg23otonT雙極式控制方式（1）正向運(yùn)行第2階段:在ton

≤

t≤T期間，Ug1

、Ug4

為負(fù)，VT1

、VT4截止，

VD2

、VD3續(xù)流，并鉗位使VT2、VT3

保持截止，電流id

沿回路2流，電機(jī)M兩端電壓UAB=–Us

。+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT4ABMVT1VT2VT32Ug14otonTUg23otonT雙極式控制方式同一個(gè)周期內(nèi)，UAB獲得正負(fù)相同的脈沖波形故為雙極性正脈沖較寬（非輕載時(shí)）雙極式控制方式第1階段:在ton≤t≤T期間，Ug2、Ug3

為正，VT2、VT3導(dǎo)通，

Ug1、Ug4為負(fù)，使VT1、VT4保持截止，電流–id

沿回路3流通，電機(jī)M兩端電壓UAB=–Us

+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT43ABMVT1VT2VT3（2）反向運(yùn)行Ug23tonTUg14tonT雙極式控制方式第2階段:在0≤

t≤

ton

期間，Ug2、Ug3為負(fù)，VT2、VT3截止，VD1、VD4

續(xù)流，并鉗位使VT1、VT4截止，電流–id

沿回路4流通，電機(jī)M兩端電壓UAB=+Us

；（2）反向運(yùn)行+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT4AB4MVT1VT2VT3Ug23tonTUg14tonT輸出波形(1)正向電動(dòng)運(yùn)行波形輸出平均電壓雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為

輸出平均電壓

調(diào)速時(shí)，

的可調(diào)范圍為0~1，–1<

<+1。當(dāng)

>0.5時(shí)，

為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)當(dāng)

<0.5時(shí)，

為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)當(dāng)

=0.5時(shí)，

=0，電機(jī)停止雙極式控制的可逆PWM變換器雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）電流一定連續(xù)；（2）可使電機(jī)在四象限運(yùn)行；（3）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)

1:20000左右。（4）電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；（5）低速時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。雙極式控制的可逆PWM變換器

雙極式控制方式的不足之處是：在工作過程中，4個(gè)開關(guān)器件可能都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且在切換時(shí)可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。直流PWM開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性雙極式可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)雙極式可逆PWM調(diào)速系統(tǒng)是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，原理圖如下

直流PWM開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性

由于采用脈沖寬度調(diào)制，嚴(yán)格地說，即使在穩(wěn)態(tài)情況下，PWM調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速也都是脈動(dòng)的。因此接下來所提到的“穩(wěn)態(tài)”，是指平均電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)，“機(jī)械特性”則是指平均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩（或電流）的關(guān)系。

一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)：

直流PWM開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性

平均電流和轉(zhuǎn)矩分別用Id

和Te表示，平均轉(zhuǎn)速n=E/Ce，而電樞電感壓降的平均值Ldid

/dt在穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)為零，其平均值方程都可寫成

機(jī)械特性方程