PWM直流调速系统简介
概 述
直流电机脉冲宽度调制(Pulse Width Modwtated-简称PWM)调速系统产生于70年代中期.最早用于不可逆、小功率驱动,例如自动跟踪天文望远镜、自动记录仪表等 。近十多年来,由于晶体管器件水平的提高及电路 技术的发展,同时又因出现了宽调速永磁直流电机, 它们之间的结合促使PWM技术的高速发展,并使电气驱动技术推进到一个新的高度.
在国外,PWM最早是在军事工业以及空间技术中应用。它以优越的性能,满足那些高速度、高精度随动跟踪系统的需求。近八、九年来,进一步扩散到民用工业,特别是在机床行业、自动生产线及机器人等领域中广泛应用。
可以这样说,六十年代中期发展起来的晶体管OTL电路、OCL电路,特别是桥型无变压器输出的BTL电路,为PWM系统的发展奠定了电路基础,而各种先进的功率器件(如GTR,IGBT模块等)及宽调速直流电机的出现,更为PWM技术的应用提供了良好的条件。
PWM系统的特点 (相对于SCR系统而言)
1)开关损耗小,变流器效率高。
2)系统主回路电源是经过整流及大容量电容器虑波后供电,因而不会因电网电压波形的失真而影响调节质量。
3)以1KHZ-8KHZ的高频脉冲电流给电机的电枢供电,由于是感性负载,脉冲电流得以滤平,所以波系数小,电机发热量小,可以减小机械变形,从而能提高工作机械的精度。也正是由于波形系数小,电机利用率高,从相同发热量的角度考虑,PWM系统获得可以比SCR系统高1.3-1.8倍的转矩,因此PWM系统可以选用较小容量的电机.特别是工作在正反转频繁的伺服系统中,其优点尤为突出。
4)系统的响应频带很宽,可达到100-200HZ以上。因此起制动非常快,而且超调量小,可以大大提高高冲击率机械的生产效率。
5)因系统采样频率高,频带宽,所以抗负载扰动的性能好,动态速度下降小,恢复时间快,因此动态硬度好,加工零件表面光洁度高。
6)同样由于采样频率高,避开了电机及传动机械的共振点,所以运动平稳,这也是提高加工光洁度的一个有利因素。
7)PWM系统很容易地实现四象限运行。当用于2千瓦以下的电机时,在再生制动的情况下,再生的能量可储存在功率电容器中,2千瓦以上的电机,再采用特殊电子线路,让能量馈送到再生负载电阻上去,以加快制动过程,并防止电子元件因过压而造成损坏。
8)PWM系统调速范围宽,最低速度可达到1转/24小时。这特别适用于自动记录系统。例如地震监测站的地磁变化曲线的记录等。而在机床伺服驱动系统中应用时,1转/分钟即够用。PWM系统的最低速度实际取决于速度调节器的零点飘移量、速度给定电压的精度与分辩率、以及测速电机的纹波系数和电动机的波动力矩等。从PWM伺服单元本身看,其潜力是很大的。
9)有于PWM本身性能的优越,因此不必象SCR系统那样,为了提高系统性能而费尽心机,添加了许多环节,增加了系统的复杂性。例如各种滤波环节、电抗器之类的惯性环节、电流自适应环节以及函数发生器环节等等。使驱动系统的结构更加简单可靠,调整于维护都十分方便。同时对个种参数不同的直流电机均有很好的适应性。
作为小结,用表1列出PWM系统于SCR系统的主要性能对比。
参数项目 供电方式
晶体管PWM SCR
单相、三相全波
速
度
环 有效出力电机额定输出
95%以上 50%-60% 70%-85%
调节误差 0．01-0．03% 0.4% 0.1%
无效时间 =0 10ms 3-5ms
频率响应 环行电机-100Hz小惯量电机-50Hz
10-30Hz
位置环 位置回路增益KP
环行电机-100s小惯量电机-500s
10-30s
主要性能特点
1) 采用新一代"IGBT"功率模块和霍尔电流传感器提高可靠性.
2) 完整的"板式盒"外形设计减少系统元件和故障排除时间.
3) 具有过压,欠压,超温,过流,失速保护显示电路.
4) 对高再生能量设计有旁路调节器可供用户选用.
5) 可调峰值电流10%-250% ,保证电机合理工作, 同时使电机具有良好的动态性能.
6) 提供线性加/减速电路,可以将阶跃速度指令转换为滑坡输出,此输出应用于控制器,可产生光滑的加/减速响应.
7) 提供±15VDC(50ma)基准电源,可用于速度指令控制.