晶闸管（可控硅）调速系统
晶体管脉宽调制（PWM）调速系统
（1）晶闸管调速系统
1）系统的组成
包括 控制回路：速度环、电流环、触发脉冲发生器等。
主回路：可控硅整流放大器等。
速度环：速度调节（PI），作用：好的静态、动态特性。
电流环：电流调节(P或PI)。作用：加快响应、启动、低频稳定等。
触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移。
可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。 |
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可控硅直流调速速度单元结构框图 |
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2）主回路工作原理 本文来自www.eadianqi.com
组成：由大功率晶闸 管构成的三相全控桥式（三相全波）反并接可逆电路，分成二大部分（ Ⅰ和 Ⅱ ），每部分内按三相桥式连接，二组反并接，分别实现正转 和反转。 |
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三相桥式反并联整流电路 |
原理 ：三相整流器，由二个半波整流电路组成。每部分内又分成共阴极组（1、3、5）和共阳极组（2、4、6）。为构成回路，这二组中必须各有一个可控硅同时导通。 1、3、5在正半周导通， 2、4、6在负半周导通。每组内（即二相间）触发脉冲相位相差120o，每相内二个触发脉冲相差180o。
按管号排列，触发脉冲的顺序：1-2-3-4-5-6，相邻之间相位差60o。为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通，或已截止的相再次导通，采用双脉冲控制。既每个触发脉冲在导通60o后，在补发一个辅助脉冲；也可以采用宽脉冲控制，宽度大于60o，小于120o。 本文来自www.eadianqi.com
只要改变可控硅触发角（即改变导通角），就能改变可控硅的整流输出电压，从而改变速。触发脉冲提前来，增大整流输出电压；触发脉冲延后来，减小整流输出电压。 |
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主回路波形图 |
3）控制回路分析
虽然改变触发角能达到调速目的，但调速范围很小，机械特性很软，这是一种开环方法。为了扩大调速范围，采用带有测速反馈的闭环方案。
① 速度调节器：比例积分PI，高放大（相当C短路）—缓放大—增放大—稳定（相当C开路）无静差。 |
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速度调节器 |
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② 电流调节器:同上，加快电流的反应。 本文来自www.eadianqi.com
③ 触发脉冲发生器：正弦波同步锯齿波触发电路，与F直流信号叠加。 |
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移相触发电路原理图 |
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移相触发电路波形图 |
速度控制的原理：
①调速：当给定的指令信号增大时，则有较大的偏差信号加到调节器的输入端，产生前移的触发脉冲，可控硅整流器输出直流电压提高，电机转速上升。此时测速反馈信号也增大，与大的速度给定相匹配达到新的平衡，电机以较高的转速运行。
②干扰：假如系统受到外界干扰，如负载增加，电机转速下降，速度反馈电压降低，则速度调节器的输入偏差信号增大，其输出信号也增大，经电流调节器使触发脉冲前移，晶闸管整流器输出电压升高，使电机转速恢复到干扰前的数值。 自动控制网www.eadianqi.com版权所有
③电网波动：电流调节器通过电流反馈信号还起快速的维持和调节电流作用，如电网电压突然短时下降，整流输出电压也随之降低，在电机转速由于惯性还未变化之前，首先引起主回路电流的减小，立即使电流调节器的输出增加，触发脉冲前移，使整流器输出电压恢复到原来值，从而抑制了主回路电流的变化。
④启动、制动、加减速：电流调节器还能保证电机启动、制动时的大转矩、加减速的良好动态性能。
（2） 晶体管脉宽调制（PWM）调速系统
1）系统的组成及特点 |
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脉宽调制系统原理图 |
①主回路：大功率晶体管开关放大器；
功率整流器。
② 控制回路：速度调节器；
电流调节器； 本文来自www.eadianqi.com
固定频率振荡器及三角波发生器；
脉宽调制器和基极驱动电路。
区别：与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。
直流脉宽调制：功率放大器中的大功率晶体管工作在开关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期内晶体管导通时间（即改变基极调制脉冲宽度）的方法来改变输出。从而使电机获得脉宽受调制脉冲控制的电压脉冲，由于频率高及电感的作用则为波动很小的直流电压（平均电压）。
脉宽的变化使电机电枢的直流电压随着变化。
直流脉宽调调制的基本原理： |
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2） 脉宽调制器 |
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同向加法放大器电路图 本文来自www.eadianqi.com
USr —速度指令转化过来的直流电压； U△—三角波；
USC— 脉宽调制器的输出（ USr +U△ ） |
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调制波形图 |
3） 开关功率放大器
主回路：可逆H型双极式PWM开关功率放大器。
电路图: 由四个大功率晶体管（GTR）T 1 、T 2 、T 3 、T4及四个续流二极管组成的桥式电路。 |
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Ub1、 Ub2、Ub3、Ub4为调制器输出，经脉冲分配、基极驱动转换过来的脉冲电压。分别加到T1 、T2、T3 、T4的基极。 本文来自www.eadianqi.com
工作原理：
T1 和T4 同时导通和关断，其基极驱动电压Ub1= Ub4。T2和T3同时导通和关断，基极驱动电压Ub2= Ub3 = –Ub1。以正脉冲较宽为例， 既正转时。
负载较重时：
①电动状态：当0≤t ≤ t1时， Ub1、Ub4为正， T1 和T4 导通；Ub2、Ub3为负，T2和T3截止。电机端电压UAB=US，电枢电流id= id1，由US→ T1→ T4 → 地。
②续流维持电动状态：在t1 ≤t ≤ T时， Ub1、Ub4为负， T1 和T4截止； Ub2、Ub3 变正，但T2和T3并不能立即导通，因为在电枢电感储能的作用下，电枢电流id =id2，由D2→ D3续流，在D2、 D3 上的压降使T2 、T3的c-e极承受反压不能导通。UAB=-US。接着再变到电动状态、续流维持电动状态反复进行，如上面左图。 自动控制网www.eadianqi.com版权所有
负载较轻时：
③反接制动状态，电流反向：② 状态中，在负载较轻时，则id小，续流电流很快衰减到零，即t =t2 时（见上面右图），id=0。在t2 ～ T 区段， T2 、T3 在US 和反电动势E的共同作用下导通，电枢电流反向，id= id3由US→ T3 → T2 → 地。电机处于反接制动状态。
④电枢电感储能维持电流反向：在T ～ t3区段时，驱动脉冲极性改变， T2 、T3截止，因电枢电感维持电流， id= id4，由D4→ D1。
⑤电机正转、反转、停止：由正、负驱动电压脉冲宽窄而定。
当正脉冲较宽时，既t1> T/2，平均电压为正，电机正转；
当正脉冲较窄时，既t1< T/2 ，平均电压为负，电机反转；
如果正、负脉冲宽度相等，t1=T/2 ，平均电压为零，电机停转。
⑥电机速度的改变： 自动控制网www.eadianqi.com版权所有
电枢上的平均电压UAB越大，转速越高。它是由驱动电压脉冲宽度决定的。
⑦双极性：
由以上分析表明，可逆H型双极式PWM开关功率放大器，无论负载是重还是轻、电机是正转还是反转，加在电枢上的电压极性在一个开关周期内，都在US和 –US之间变换一次，故称为双极性。
（4）PWM调速系统的特点
①频带宽、频率高：晶体管“结电容”小，开关频率远高于可控（50Hz)，可达2-10KHz。快速性好。
②电流脉动小：由于PWM调制频率高，电机负载成感性对电流脉动由平滑作用，波形系数接近于1。
③电源的功率因数高：SCR系统由于导通角的影响，使交流电源的波形畸变、高次谐波的干扰，降低了电源功率因数。 PWM系统的直流电源为不受控的整流输出，功率因数高。
④动态硬度好：校正瞬态负载扰动能力强，频带宽，动态硬度高。
6.3.2直流主轴驱动的速度控制
1.对直流主轴伺服系统的要求 自动控制网www.eadianqi.com版权所有
⑴ N、M—n 特性，低速恒转矩，高速恒功率。
⑵ 良好的加、减速及换向功能。
⑶ 过载能力，150%（额定电流的1.5倍）。
⑷ 大的调速范围。
⑸ 准停、同步、恒线速度控制功能。
2.直流主轴速度控制单元：没有位置控制，只是速度控制系统。 |
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直流主轴速度控制单元 |
组成：调压部分 — 恒转矩调速，在额定转速以下调速。
调磁部分 — 恒功率调速，在额定转速以上调速。
调压：一般采用晶闸管调速系统，同直流进给系统一样。包括速度环、电流环、可控硅整流主回路等。
调磁： 本文来自www.eadianqi.com
主轴电机为它激式直流电机，激磁绕组与电枢绕组无直接关系，需由另一直流电源供电。
激磁回路由激磁电流设定电路，电枢电压反馈电路、及激磁反馈电路三者的比较输出信号，经电流调节、触发脉冲发生器等，控制激磁电流的大小，完成恒功率调速。
调磁部分的电压反馈的作用：
它激直流主轴电机，调压、调磁是分开独立工作的。在额定转速以下用改变电机电枢端电压调速，此时调磁不工作只是维持额定的磁场，用电压反馈作信号，限制激 磁电流反馈。 当电枢端电压达到额定值时，可以调磁，使电机转速在高速段调整。 |