第2章轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

1、第第1篇篇直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速 式中 n轉(zhuǎn)速（r/min）; U電樞電壓（V）； I電樞電流（A）； R電樞回路總電阻(）； 勵(lì)磁磁通（Wb）； Ke 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。eKIRUn調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法 （1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓； （2）減弱勵(lì)磁磁通； （3）改變電樞回路電阻。自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。第第2章章 轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)內(nèi) 容 提 要n直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源

2、n穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)和直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性 n轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) n直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制 n轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的限流保護(hù) n轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真2.1 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源n晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) n直流PWM變換器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 2.1.1 晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)圖21 晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖在理想情況下，Ud和Uc之間呈線性關(guān)系：（2-1）式中， Ud平均整流電壓， Uc 控制電壓， Ks晶閘管整流器放大系數(shù)。csdUKU1觸發(fā)脈沖相位控制n調(diào)節(jié)控制電壓Uc， n移動(dòng)觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，n改變可控整流器VT輸出瞬時(shí)電壓u

3、d的波形，以及輸出平均電壓Ud的數(shù)值。 dtdiLRiEuddd0(2-2)式中 E電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)(V)； id整流電流瞬時(shí)值(A)； L主電路總電感(H)； R主電路總電阻(), ；圖2-2 V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖 n對(duì)于一般的全控整流電路，當(dāng)電流波形連續(xù)時(shí)， 可用下式表示)(0fUdcossin0mUmUmd(2-3) 式中，從自然換相點(diǎn)算起的觸發(fā)脈沖控制角； Um=0時(shí)的整流電壓波形峰值； m交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)。mU22U22U26U0dUcos9 . 02Ucos17. 12Ucos34. 22U整流電路 單相全波 三相半波三相橋式（全波）m236表2-1不同整流電路

4、的整流電壓波峰值、脈沖數(shù)及平均整流電壓2電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)n在整流變壓器二次側(cè)額定相電壓u2的瞬時(shí)值大于反電動(dòng)勢(shì)E時(shí)，晶閘管才可能被觸發(fā)導(dǎo)通。n導(dǎo)通后如果u2降低到E以下，靠電感作用可以維持電流id繼續(xù)流通。n由于電壓波形的脈動(dòng)，造成了電流波形的脈動(dòng)。 圖2-3 帶負(fù)載單相全控橋式整流電路的輸出電壓和電流波形在Id上升階段，電感儲(chǔ)能；在Id下降階段，電感中的能量將釋放出來維持電流連續(xù)。圖24 V-M系統(tǒng)的電流波形(a) 電流連續(xù)圖24 V-M系統(tǒng)的電流波形 （b）電流斷續(xù)當(dāng)負(fù)載電流較小時(shí)，電感中的儲(chǔ)能較少，等到Id下降到零時(shí)，造成電流波形斷續(xù)。抑制電流脈動(dòng)的措施 （1）增加整流電路相

5、數(shù)，或采用多重化技術(shù)；（2）設(shè)置電感量足夠大的平波電抗器。3晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性n當(dāng)電流波形連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為（2-7）式中，Ce電動(dòng)機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢(shì) 系數(shù))RIU(C1nd0deNeeKC圖2-5 電流連續(xù)時(shí)V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性圖26 V-M系統(tǒng)機(jī)械特性在電流連續(xù)區(qū)，顯示出較硬的機(jī)械特性；在電流斷續(xù)區(qū)，機(jī)械特性很軟，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。 n當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，由于非線性因素，機(jī)械特性方程要復(fù)雜得多。 n電流斷續(xù)區(qū)與電流連續(xù)區(qū)的分界線是 的曲線，當(dāng) 時(shí)，電流便開始連續(xù)了。 一個(gè)電流脈波的導(dǎo)通角。 3232 4晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù) 和傳遞函數(shù)n晶閘管觸

6、發(fā)電路和整流電路的特性是非線性的。n在設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，只能在一定的工作范圍內(nèi)近似地看成線性環(huán)節(jié)，n得到了它的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)后，用線性控制理論分析整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)。放大系數(shù)的計(jì)算圖2-7 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入輸出特性和Ks的測(cè)定cdsUUK（2-12） n晶閘管觸發(fā)和整流裝置的輸入量是Uc，輸出量是Ud，晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)Ks可由工作范圍內(nèi)的特性斜率決定 。n如果沒有得到實(shí)測(cè)特性，也可根據(jù)裝置的參數(shù)估算。失控時(shí)間和純滯后環(huán)節(jié) n滯后作用是由晶閘管整流裝置的失控時(shí)間引起的。n失控時(shí)間是個(gè)隨機(jī)值。n最大失控時(shí)間是兩個(gè)相鄰自然換相點(diǎn)之間的時(shí)間，它與交流電源頻率和晶閘管整流器的類型有關(guān)

7、。圖28 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時(shí)間 最大失控時(shí)間 mf1Tmaxs(2-13) 平均失控時(shí)間 maxssT21T 式中，f 交流電源頻率(Hz)， m 一周內(nèi)整流電壓的脈 波數(shù)。整流電路形式最大失控時(shí)間 Tsmax(ms)平均失控時(shí)間 Ts(ms)單相半波單相橋式（全波）三相半波三相橋式20106.673.331053.331.67表2-2 晶閘管整流器的失控時(shí)間（f=50Hz）晶閘管觸發(fā)電路與整流裝置的傳遞函數(shù) n滯后環(huán)節(jié)的輸入為階躍信號(hào)1(t)，輸出要隔一定時(shí)間后才出現(xiàn)響應(yīng)1(t-Ts)。n輸入輸出關(guān)系為： )( 10scsdTtUKUn 傳遞函數(shù)為sTscdsseKsUsUsW)(

8、)()(0（214） 傳遞函數(shù)的近似處理n按泰勒級(jí)數(shù)展開，可得 33s22ssssTssTsssT! 31sT! 21sT1KeKeK)s(Wssn 依據(jù)工程近似處理的原則，可忽略高次項(xiàng)，把整流裝置近似看作一階慣性環(huán)節(jié) sT1K)s(Wsss（2-16） 圖29 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖準(zhǔn)確的近似的5. 晶閘管整流器運(yùn)行中存在的問題（1）晶閘管是單向?qū)щ姷摹?（2）晶閘管對(duì)過電壓、過電流和過高的du/dt與di/dt都十分敏感。（3）晶閘管的導(dǎo)通角變小時(shí)會(huì)使得系統(tǒng)的功率因數(shù)也隨之減少，稱之為“電力公害”。 2.1.2 直流直流PWM變換器變換器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)n全控型電力電子器件問

9、世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關(guān)控制方式, 形成了脈寬調(diào)制變換器-直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。n與V-M系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性。n直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的高動(dòng)態(tài)性能系統(tǒng)中，已經(jīng)完全取代了V-M系統(tǒng)。 1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形n脈寬調(diào)制變換器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，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序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。nPWM變換器電路有多種形式，總體上可分為不可逆與可逆兩大類。圖2-10 簡單的不可逆PWM變換器-直

10、流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電路原理圖 圖2-10 簡單的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電壓和電流波形 n在一個(gè)開關(guān)周期T內(nèi)，n當(dāng) 時(shí)，Ug為正，VT飽和導(dǎo)通，電源電壓Us通過VT加到直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端。n當(dāng) 時(shí)， Ug為負(fù)， VT關(guān)斷，電樞電路中的電流通過續(xù)流二極管VD續(xù)流，直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓近似等于零。 ontt0Tttonn直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端的平均電壓為 （2-17） n改變占空比 ，即可實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。n令 為PWM電壓系數(shù)，則在不可逆PWM變換器中 （2-18）ssondUUTtU10sdUUn不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)不允許電流反向，n續(xù)流二極管VD的作用只是為id提供一個(gè)續(xù)

11、流的通道。n如果要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)，必須為其提供反向電流通道 。圖2-11 有制動(dòng)電流通路的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電路原理圖 圖2-11 有制動(dòng)電流通路的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)一般電動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形 一般電動(dòng)狀態(tài)n在一般電動(dòng)狀態(tài)中，id始終為正值（其正方向示于圖2-11(a)中）。n在0tton期間，VT1導(dǎo)通，VT2關(guān)斷。電流id沿圖中的回路1流通。n在tontT期間，VT1關(guān)斷，id沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流。nVT1和VD2交替導(dǎo)通， VT2和VD1始終關(guān)斷。 圖2-11 有制動(dòng)電流通路的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)1gU的正脈沖比負(fù)脈沖窄 ， dUE

12、 di始終為負(fù)。 制動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形 制動(dòng)狀態(tài) n在tontT期間，Vg2為正，VT2導(dǎo)通，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的作用下，反向電流沿回路3能耗制動(dòng)。n在TtT+ton（即下一周期的0tton）期間，Vg2為負(fù)， VT2關(guān)斷，-id沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流，向電源回饋能量。nVT2和VD1交替導(dǎo)通， VT1和VD2始終關(guān)斷。 圖2-11 有制動(dòng)電流通路的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) (d) 輕載電動(dòng)狀態(tài)的電流波形 VT1、VD2、VT2和VD1四個(gè)管子輪流導(dǎo)通。 輕載電動(dòng)狀態(tài) n在VT1關(guān)斷后，id經(jīng)VD2續(xù)流。n還沒有到達(dá)周期T，電流已經(jīng)衰減到零，n在t=t2時(shí)刻，VT2導(dǎo)通，使電流反向，產(chǎn)

13、生局部時(shí)間的制動(dòng)作用。n輕載時(shí)，電流可在正負(fù)方向之間脈動(dòng)，平均電流等于負(fù)載電流，一個(gè)周期分成四個(gè)階段。 有制動(dòng)電流通路的不可逆PWM-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) n圖2-11(a)所示電路之所以為不可逆是因?yàn)槠骄妷篣d始終大于零，電流雖然能夠反向，而電壓和轉(zhuǎn)速仍不能反向。n如果要求轉(zhuǎn)速反向，需要再增加VT和VD，構(gòu)成可逆的PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，在第4章中將進(jìn)一步討論。 2.直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性n對(duì)于帶制動(dòng)電流通路的不可逆電路，其電壓平衡方程式分兩個(gè)階段：n (2-19)n (2-20)式中R、L分別為電樞電路的電阻和電感。)0(onddsttEdtdiLRiUEdtdiLRidd0)(T

14、tton電壓平均值方程電壓平均值方程 平均電壓平均電壓 平均電流平均電流 電樞電感壓降的均值電樞電感壓降的均值 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速nCRIERIUeddssdUUdI0dtdiLd eCEn （2-21） 機(jī)械特性 n機(jī)械特性方程式為 (2-22)n或用轉(zhuǎn)矩表示， (2-23)式中， 電動(dòng)機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)； 理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比。dedeesICRnICRCUn0emeemeesTCCRnTCCRCUn0NmmKCesCUn0圖2-12直流PWM調(diào)速系統(tǒng)（電流連續(xù)）的機(jī)械特性3PWM控制器與變換器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型控制器與變換器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型圖2-13 PWM控制器與變換器框圖 傳遞函數(shù)

15、n傳遞函數(shù)為 (2-24)式中：KsPWM裝置的放大系數(shù) TsPWM裝置的延遲時(shí)間，n近似的傳遞函數(shù) (2-25)sTscdsseKsUsUsW)()()(1)(sTKsWsss4直流直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的電能回饋和泵升電壓調(diào)速系統(tǒng)的電能回饋和泵升電壓nPWM變換器的直流電源通常由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容C濾波，以獲得恒定的直流電壓。n當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在回饋制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電能不可能通過整流裝置送回交流電網(wǎng)，只能向?yàn)V波電容充電，n形成直流PWM變換器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)特有的電能回饋問題。n對(duì)濾波電容充電的結(jié)果造成直流側(cè)電壓升高，稱作“泵升電壓”。n系統(tǒng)在制動(dòng)時(shí)釋放的動(dòng)能將表現(xiàn)為電容儲(chǔ)能

16、的增加，n要適當(dāng)?shù)剡x擇電容的電容量，或采取其它措施，以保護(hù)電力電子開關(guān)器件不被泵升電壓擊穿。 2.2 穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)和穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)和 直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性n對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求：（1）調(diào)速在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；（2）穩(wěn)速以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)；（3）加、減速頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求加、減速盡量快；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起、制動(dòng)盡量平穩(wěn)。2.2.1轉(zhuǎn)速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)轉(zhuǎn)速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)1、調(diào)速范圍、調(diào)速范圍n生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nm

17、in之比稱為調(diào)速范圍，用字母D表示，即（2-27）nnmax和nmin是電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速，n對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，也可用實(shí)際負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速。minmaxnnD 2、靜差率、靜差率sn當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落nN與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比：（2-28）n用百分?jǐn)?shù)表示（2-29）0nnsN%1000nnsN圖2-14 不同轉(zhuǎn)速下的靜差率n特性a和b的硬度相同，n特性a和b額定速降相同，n特性a和b的靜差率不相同。 3. 調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系（2-30）n對(duì)于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，nN值是定值。n要求s值越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允

18、許的調(diào)速范圍D也越小。n一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。)1 (snsnDNN例題例題2-1 n某直流調(diào)速系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為nN=1430r/min，額定速降nN=115r/min， 當(dāng)要求靜差率s30%時(shí)，允許多大的調(diào)速范圍？ 如果要求靜差率s 20%，則調(diào)速范圍是多少？ 如果希望調(diào)速范圍達(dá)到10，所能滿足的靜差率是多少？ 解解 在要求s 30%時(shí)，允許的調(diào)速范圍為 若要求s 20%，則允許的調(diào)速范圍只有 若調(diào)速范圍達(dá)到10，則靜差率只能是3 . 5)3 . 01 (1153 . 01430)1 (snsnDNN1 . 3)2 . 01 (1152

19、. 01430D%6 .44446. 011510143011510NNNnDnnDs2.2.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性n開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，即無反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。n調(diào)節(jié)控制電壓Uc就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。n晶閘管整流器和PWM變換器都是可控的直流電源，用UPE來統(tǒng)一表示可控直流電源， 圖215 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖機(jī)械特性機(jī)械特性 n開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：電力電子變換器直流電動(dòng)機(jī) n開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性為 csdUKU0ed0dCRIUnedecsed0dCRICUKCRIUn（2-31） 圖2-16 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖2-17 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的

20、機(jī)械特性例題例題2-2 某龍門刨床工作臺(tái)拖動(dòng)采用直流電動(dòng)機(jī)，其額定數(shù)據(jù)如下：60kW，220V，305A，1000r/min，采用V-M系統(tǒng)，主電路總電阻R=0.18，電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ce=0.2Vmin/r。如果要求調(diào)速范圍D=20，靜差率s5%，采用開環(huán)調(diào)速能否滿足？若要滿足這個(gè)要求，系統(tǒng)的額定速降nN最多能有多少？ 解解:當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的額定速降為開環(huán)系統(tǒng)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率為如要求 ， ，即要求3050.18=275r/min0.2dNNeIRnC2750.21621.6%1000275NNNNnsnn 10000.052.63 /min(1)20(10.05)NNn snr

21、Ds20D%5s2.3 轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)n根據(jù)自動(dòng)控制原理，將系統(tǒng)的被調(diào)節(jié)量作為反饋量引入系統(tǒng)，與給定量進(jìn)行比較，用比較后的偏差值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以有效地抑制甚至消除擾動(dòng)造成的影響，而維持被調(diào)節(jié)量很少變化或不變，這就是反饋控制反饋控制的基本作用。 2.3.1 轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型n在負(fù)反饋基礎(chǔ)上的“檢測(cè)誤差，用以糾正誤差”這一原理組成的系統(tǒng)，其輸出量反饋的傳遞途徑構(gòu)成一個(gè)閉合的環(huán)路，因此被稱作閉環(huán)控制系統(tǒng)。n在直流調(diào)速系統(tǒng)中，被調(diào)節(jié)量是轉(zhuǎn)速，所構(gòu)成的是轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。1轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性圖2-18 帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 n

22、電壓比較環(huán)節(jié)n比例調(diào)節(jié)器n測(cè)速反饋環(huán)節(jié) n電力電子變換器 n直流電動(dòng)機(jī) n*nnUUUnpcUKUnUncsdUKU0ed0dCRIUnKp比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（Vmin/r）靜特性方程式 *(1/)(1)(1)psndpsndepseeeK K UI RK K URInCK KCCKCK（2-32） 式中: 閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán) 放大系數(shù) n閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。 espCKKK圖2-19轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（b）只考慮給定作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng) 圖2-19轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（c）只考慮擾動(dòng)作

23、用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)圖2-19轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（a）閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 2轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型n一個(gè)帶有儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的線性物理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程可以用線性微分方程描述，n微分方程的解即系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程，它包括兩部分：動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)解。n在動(dòng)態(tài)過程中，從施加給定輸入值的時(shí)刻開始，到輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值以前，是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；n系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，可用穩(wěn)態(tài)解來描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。n比例放大器的傳遞函數(shù) n電力電子變換器的傳遞函數(shù)n測(cè)速反饋的傳遞函數(shù)1)(sTKsWsss(2-33) pncaKsUsUsW)()()(（2-42） )()()(snsUsWnfn(2-43) 圖2-20 他勵(lì)

24、直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下的等效電路n假定主電路電流連續(xù)，動(dòng)態(tài)電壓方程為(2-34)n忽略粘性摩擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程為(2-35)EdtdILRIUddd0dtdnGDTTLe3752n額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩分別為 (2-36) (2-37) 包括電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，（Nm） 電力拖動(dòng)裝置折算到電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量，(Nm2) 電動(dòng)機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，(Nm/A)n再定義下列時(shí)間常數(shù)： 電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)(s) 電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)(s)nCEedmeICT LT2GDemCC30RLTlmemCCRGDT3752n整理后得 (2-38) (2-39)

25、式中， 負(fù)載電流（A）。)(0dtdITIREUdldddtdERTIImdLdmLdLCTIn在零初始條件下，取拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù) (2-40)n電流與電動(dòng)勢(shì)間的傳遞函數(shù) (2-41)11)()()(10sTRsEsUsIddsTRsIsIsEmdLd)()()(圖2-21 額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖(a)電壓電流間的結(jié)構(gòu)框圖 (b)電流電動(dòng)勢(shì)間的結(jié)構(gòu)框圖 (c）直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖n直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)輸入量，n一個(gè)是施加在電樞上的理想空載電壓Ud0，是控制輸入量，n另一個(gè)是負(fù)載電流IdL。擾動(dòng)輸入量。n如果不需要在結(jié)構(gòu)圖中顯現(xiàn)出電流，可將擾動(dòng)量的綜合點(diǎn)移前，再進(jìn)行

26、等效變換，得圖2-22。 n額定勵(lì)磁下的直流電動(dòng)機(jī)是一個(gè)二階線性環(huán)節(jié)，n時(shí)間常數(shù)Tm表示機(jī)電慣性n時(shí)間常數(shù)Tl表示電磁慣性。 圖2-22 直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的變換 圖2-23 轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù) ) 1)(1()()()(2sTsTTsTKsUsUsWmlmsnn(2-44) 式中 espCKKK/轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù) KsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsUsnsWmlmsespmlmsespmlmsespncl) 1)(1(/) 1)(1(/1) 1)(1(/)()()(222*11

27、1)(1)1 (23sKTTsKTTTsKTTTKCKKsmslmslmesp（2-45） 2.3.2 比例控制的直流調(diào)速系統(tǒng)1開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和比例控制閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系n開環(huán)機(jī)械特性為 (2-46) 式中， 表示開環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速， 表示開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。n比例控制閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性為 (2-47) 式中， 表示閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速， 表示閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。opopedenspeddnnCRICUKKCRIUn0*0clcledenspnnKCRIKCUKKn0*)1 ()1 (opn0opn0clncln（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開環(huán)系統(tǒng) 機(jī)械特性硬得多n在同樣的負(fù)載擾動(dòng)下，

28、開環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落 閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落n它們的關(guān)系是 (2-48)edopCRIn)1 (KCRInedclKnnopcl1（2）閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要比開環(huán)系統(tǒng) 小得多n閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率為n開環(huán)系統(tǒng)的靜差率為n當(dāng) 時(shí)， （2-49）clclclnns0opopopnns0clopnn00Kssopcl1（3）如果所要求的靜差率一定，則 閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍n如果電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是nN，最低速靜差率都是s，可得 開環(huán)時(shí)， 閉環(huán)時(shí)， n得到 （2-50）)1 (snsnDopNop)1 (snsnDclNclopclDKD)1 ( 圖2-24 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性的關(guān)系n開環(huán)系

29、統(tǒng) Id n 例如：在圖2-24中工作點(diǎn)從A An 閉環(huán)系統(tǒng) Id n Un Un Uc n Ud0 例如：在圖2-24中工作點(diǎn)從A Bn比例控制直流調(diào)速系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實(shí)質(zhì)在于它的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變電樞電壓，以補(bǔ)償電樞回路電阻壓降的變化。例題2-3 在例題2-2中，龍門刨床要求D=20，s5%，已知 Ks=30,= 0.015Vmin/r，Ce=0.2Vmin/r，采用比例控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)滿足上述要求時(shí)，比例放大器的放大系數(shù)應(yīng)該有多少？ 解: n開環(huán)系統(tǒng)額定速降為 =275 r/min，n閉環(huán)系統(tǒng)額定速降須為 2.63 r/min，由式（2-48）可得n則

30、得n即只要放大器的放大系數(shù)等于或大于46。opncln6 .103163. 22751clopnnK462 . 0/015. 0306 .103/espCKKK2反饋控制規(guī)律（1）比例控制的反饋控制系統(tǒng)是被調(diào)量有）比例控制的反饋控制系統(tǒng)是被調(diào)量有靜差的控制系統(tǒng)靜差的控制系統(tǒng)n 比例控制反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)值越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好。n但只要比例放大系數(shù)Kp常數(shù)，開環(huán)放大系數(shù)K，反饋控制就只能減小穩(wěn)態(tài)誤差，而不能消除它，n這樣的控制系統(tǒng)叫做有靜差控制系統(tǒng)。（2）反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動(dòng)）反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動(dòng), 服服從給定從給定n反饋控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它能有效地抑制

31、一切被負(fù)反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動(dòng)作用，n對(duì)于給定作用的變化唯命是從。圖2-25 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動(dòng)作用（3）系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測(cè)的）系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測(cè)的精度精度n反饋控制系統(tǒng)無法鑒別是對(duì)給定電壓的正常調(diào)節(jié)還是不應(yīng)有的給定電壓的電源波動(dòng)。n反饋檢測(cè)裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無法克服的。n現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是用數(shù)字給定和數(shù)字測(cè)速來提高調(diào)速系統(tǒng)的精度。 3比例控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性n比例控制閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程為 (2-51)n根據(jù)三階系統(tǒng)的勞斯-古爾維茨判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是n整理后得 (2-52)0111)(123sKTTsKTTTsK

32、TTTsmslmslm0111)(KTTTKTTKTTTslmsmslmslsslmTTTTTTK2)(例題2-4 在例題2-3中，系統(tǒng)采用的是三相橋式可控整流電路，已知電樞回路總電阻 ，電感量 3mH，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分的飛輪慣量 ，試判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。0.18R L 2260mNGD解 ：n電磁時(shí)間常數(shù)n機(jī)電時(shí)間常數(shù) n晶閘管裝置的滯后時(shí)間常數(shù)為 n為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，應(yīng)滿足的穩(wěn)定條件：n閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和例題2-3中穩(wěn)態(tài)性能要求 是矛盾的。sRLTl0167. 018. 0003. 0sCCRGDTmem075. 02 . 0302 . 037518. 0603752sTs00167. 05

33、.4900167. 00167. 000167. 0)00167. 00167. 0(075. 0)(22slsslmTTTTTTK103.5K 例題2-5 在上題的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，若改用全控型器件的PWM調(diào)速系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)不變，電樞回路參數(shù)為： ， ， ，PWM開關(guān)頻率為8 。按同樣的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo) ， ，該系統(tǒng)能否穩(wěn)定？如果對(duì)靜差率的要求不變，在保證穩(wěn)定時(shí)，系統(tǒng)能夠達(dá)到的最大調(diào)速范圍有多少？0.1R 1LmH44sK kHz20D 5%s 解 ：0.0010.01 s0.1lLTR2600.10.0417 s375375 0.20.230memGD RTC C10.000125 s8000

34、sT 4 .339000125. 001. 0000125. 0)000125. 001. 0(0417. 0)(22slsslmTTTTTTKn按照穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo) 、 要求 n nPWM調(diào)速系統(tǒng)能夠在滿足穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)要求下穩(wěn)定運(yùn)行。 20D 5%s 2.63 r/mincln（見例題2-2） 3050.1152.5 r/min0.2NopeI RnC152.511572.63opclnKn 0，積分調(diào)節(jié)器的輸出Uc便一直增長；只有達(dá)到Un=0時(shí)， Uc才停止上升；只有到Un變負(fù)， Uc才會(huì)下降。n當(dāng)Un=0時(shí)， Uc并不是零，而是某一個(gè)固定值Ucf n突加負(fù)載時(shí)，由于Idl的增加，轉(zhuǎn)速n下降，

35、導(dǎo)致Un變正，n在積分調(diào)節(jié)器的作用下，Uc上升，電樞電壓Ud上升，以克服Idl增加的壓降，最終進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài) 。*nnUU0nU2dLdII2ccUU 圖2-27積分控制無靜差調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)過程積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的根本區(qū)別：n比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀，而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。n積分調(diào)節(jié)器到穩(wěn)態(tài)時(shí)Un =0，只要?dú)v史上有過Un ，其積分就有一定數(shù)值，足以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)運(yùn)行所需要的控制電壓。2比例積分控制規(guī)律n比例積分調(diào)節(jié)器（PI調(diào)節(jié)器）的輸入輸出關(guān)系為 （2-55）式中，UinPI調(diào)節(jié)器的輸入，UexPI調(diào)節(jié)器的輸出。n其傳遞函數(shù)為 （2-56）

36、式中，KpPI調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)， PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)。n令1=Kp，則PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)也可寫成如下形式 （2-57）表明，PI調(diào)節(jié)器也可用積分和比例微分兩個(gè)環(huán)節(jié)表示，式中，1微分項(xiàng)中的超前時(shí)間常數(shù)。tininpexdtUUKU01ssKsKsWppPI11)(ssKsWpPI111)(n用運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器的輸入極性和輸出極性是反相的； (2-58)n式中 Rbal為運(yùn)算放大器同相輸入端的平衡電阻。圖2-28 比例積分（PI）調(diào)節(jié)器線路圖dtUUKdtUCRURRUininpininex11100101RRKp10CRnPI控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，又克

37、服了各自的缺點(diǎn)。n比例部分能迅速響應(yīng)控制作用，n積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。n在t=0時(shí)就有Uex(t)=KpUin，實(shí)現(xiàn)了快速控制；n隨后Uex(t)按積分規(guī)律增長， 。n在t=t1時(shí)，Uin=0， 。 圖2-29 PI調(diào)節(jié)器的輸入輸出特性ininpexUtUKtU)(in1exUtUn在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，采用PI調(diào)節(jié)器輸出部分Uc由兩部分組成，n比例部分和Un成正比，n積分部分表示了從t=0到此時(shí)刻對(duì)Un(t)的積分值，nUc是這兩部分之和。圖2-30 閉環(huán)系統(tǒng)中PI調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動(dòng)態(tài)過程2.3.4 直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析圖2-31 比例積分控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

38、器用ASR表示） n使用比例調(diào)節(jié)器時(shí)，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 （2-44） 式中 n使用積分調(diào)節(jié)器時(shí)，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 （2-59） 式中 n使用比例積分調(diào)節(jié)器時(shí)，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 （2-60） 式中 ) 1)(1()(2sTsTTsTKsWmlmsespCKKK/) 1)(1()(2sTsTTsTsKsWmlmsesCKK) 1)(1() 1()(2sTsTTsTssKKsWmlmspesCKKn根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)中積分環(huán)節(jié)的數(shù)目劃分控制系統(tǒng)的類型， 比例控制的調(diào)速系統(tǒng)是0型系統(tǒng)， 積分控制、比例積分控制的調(diào)速系統(tǒng)是型系統(tǒng)。n穩(wěn)態(tài)誤差定義為輸入量和反饋量的差值，即 （2-61）n衡量

39、系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確度的是系統(tǒng)對(duì)給定輸入U(xiǎn)n*的跟隨能力；n衡量系統(tǒng)抑制干擾能力的是系統(tǒng)抑制負(fù)載電流IdL的抗擾能力。)()()(*tUtUtUnnn1階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差n在分析階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)，令I(lǐng)dL(s)=0。比例調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為 （2-62）n階躍給定輸入 的穩(wěn)態(tài)誤差是 ) 1)(1(11)()(2*sTsTTsTKsUsUmlmsnnsUsUnn*)(KUsTsTTsTKsUssUsUnmlmsnsnsn1) 1)(1(11)(*2*00limlim（2-65） n積分調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為 （2-63）n階躍給定輸入 的穩(wěn)態(tài)誤差是 sUsUnn*)(（2-66）

40、 ) 1)(1(11)()(2*sTsTTsTsKsUsUmlmsnn0) 1)(1(11)(2*00limlimsTsTTsTsKsUssUsUmlmsnsnsnn比例積分調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為 （2-64）n階躍給定輸入 的穩(wěn)態(tài)誤差是 sUsUnn*)(（2-67） ) 1)(1() 1(11)()(2*sTsTTsTssKKsUsUmlmspnn0) 1)(1() 1(11)(2*00limlimsTsTTsTssKKsUssUsUmlmspnsnsnn在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，n0型系統(tǒng)對(duì)于階躍給定輸入穩(wěn)態(tài)有差，被稱作有差調(diào)速系統(tǒng)；n型系統(tǒng)對(duì)于階躍給定輸入穩(wěn)態(tài)無差，被稱作無差調(diào)速系統(tǒng)。2

41、擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)誤差n在分析由擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)，令Un*(s)=0。比例調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差為 （2-68）n階躍擾動(dòng) 引起的的穩(wěn)態(tài)誤差是 (2-72) ) 1)(1(1) 1() 1()()(22sTsTTsTKsTsTTCsTRsIsUmlmsmlmeldLn)1 () 1)(1(1) 1() 1()(2200limlimKCRIsTsTTsTKsTsTTCsTRsIssUsUedLmlmsmlmeldLsnsnsIsIdLdL)(n積分調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差為 （2-70）n階躍擾動(dòng) 引起的的穩(wěn)態(tài)誤差是 (2-73) sIsIdLdL)() 1)(1(1) 1() 1()()(22sTsTTsT

42、sKsTsTTCsTRsIsUmlmsmlmeldLn0) 1)(1(1) 1() 1()(2200limlimsTsTTsTsKsTsTTCsTRsIssUsUmlmsmlmeldLsnsnn比例積分調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差為 （2-71）n階躍擾動(dòng) 引起的的穩(wěn)態(tài)誤差是 (2-74) sIsIdLdL)() 1)(1() 1(1) 1() 1()()(22sTsTTsTssKKsTsTTCsTRsIsUmlmspmlmeldLn0) 1)(1() 1(1) 1() 1()(2200limlimsTsTTsTssKKsTsTTCsTRsIssUsUmlmspmlmeldLsnsnn由擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)誤差

43、取決于誤差點(diǎn)與擾動(dòng)加入點(diǎn)之間的傳遞函數(shù)。n比例控制的調(diào)速系統(tǒng)，該傳遞函數(shù)無積分環(huán)節(jié)，故存在擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)誤差，稱作有靜差調(diào)速系統(tǒng)；n積分控制或比例積分控制的調(diào)速系統(tǒng)，該傳遞函數(shù)具有積分環(huán)節(jié)，所以由階躍擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)誤差為0，稱作無靜差調(diào)速系統(tǒng)。2.4 直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制n以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)（簡稱微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)）硬件電路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移的影響；n其控制軟件能夠進(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律，而且更改起來靈活方便。 2.4.1微機(jī)數(shù)字控制的特殊問題圖2-32 微型計(jì)算機(jī)采樣控制系統(tǒng)框圖 n

44、微機(jī)控制的調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)字采樣系統(tǒng)。其中K1是給定值的采樣開關(guān)，K2是反饋值的采樣開關(guān)，K3是輸出的采樣開關(guān)。若所有的采樣開關(guān)是等周期地一起開和閉，則稱為同步采樣。n微型計(jì)算機(jī)只有在采樣開關(guān)閉合時(shí)才能輸入和輸出信號(hào)。只能在采樣時(shí)刻對(duì)模擬的連續(xù)信號(hào)進(jìn)行采樣，把連續(xù)信號(hào)變成脈沖信號(hào)，即離散的模擬信號(hào)。n信號(hào)的離散化是微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的第一個(gè)特點(diǎn)。n采樣后得到的離散模擬信號(hào)本質(zhì)上還是模擬信號(hào)，不能直接送入計(jì)算機(jī)，還須經(jīng)過數(shù)字量化。n用一組數(shù)碼（如二進(jìn)制數(shù)）來逼近離散模擬信號(hào)的幅值，將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。n信號(hào)的數(shù)字化是微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的第二個(gè)特點(diǎn)。n根據(jù)香農(nóng)（Shannon）采樣定理： 如果模擬信號(hào)

45、的最高頻率為fmax ，只要按照f2fmax采樣頻率進(jìn)行采樣，取出的樣品序列就可以代表（或恢復(fù)）模擬信號(hào)。n在電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，控制對(duì)象是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流，是快速變化的物理量，必須具有較高的采樣頻率。n微型計(jì)算機(jī)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是一種快速數(shù)字采樣系統(tǒng)，要求微型計(jì)算機(jī)在較短的采樣周期之內(nèi)，完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換、采集，完成按某種控制規(guī)律實(shí)施的控制運(yùn)算，完成控制信號(hào)的輸出。2.4.2轉(zhuǎn)速檢測(cè)的數(shù)字化圖2-33 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器示意圖 1旋轉(zhuǎn)編碼器n光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是檢測(cè)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的元件，旋轉(zhuǎn)編碼器與電動(dòng)機(jī)相連，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)編碼器旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角信號(hào)。n旋轉(zhuǎn)編碼器可分為絕對(duì)式和增量式兩種。n

46、絕對(duì)式編碼器常用于檢測(cè)轉(zhuǎn)角。n增量式編碼器在碼盤上均勻地刻制一定數(shù)量的光柵，在接收裝置的輸出端便得到頻率與轉(zhuǎn)速成正比的方波脈沖序列，從而可以計(jì)算轉(zhuǎn)速。n增加一對(duì)發(fā)光與接收裝置，使兩對(duì)發(fā)光與接收裝置錯(cuò)開光柵節(jié)距的1/4。n正轉(zhuǎn)時(shí)A相超前B相；反轉(zhuǎn)時(shí)B相超前A相。n采用簡單的鑒相電路可以分辨出轉(zhuǎn)向。 圖2-34 區(qū)分旋轉(zhuǎn)方向的A、B兩組脈沖序列 2數(shù)字測(cè)速方法的精度指標(biāo)n（1）分辨率）分辨率n用改變一個(gè)計(jì)數(shù)值所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化量來表示分辨率，用符號(hào)Q表示。n當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)速由n1變?yōu)閚2時(shí)，引起記數(shù)值增量為1，則該測(cè)速方法的分辨率是 （2-75）n分辨率Q越小，說明測(cè)速裝置對(duì)轉(zhuǎn)速變化的檢測(cè)越敏感，從而測(cè)速

47、的精度也越高。12nnQn（2）測(cè)速誤差率）測(cè)速誤差率n轉(zhuǎn)速實(shí)際值和測(cè)量值之差與實(shí)際值之比定義為測(cè)速誤差率，記作 （2-76）n測(cè)速誤差率反映了測(cè)速方法的準(zhǔn)確性，越小，準(zhǔn)確度越高。100%nn3M法測(cè)速n記取一個(gè)采樣周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)來算出轉(zhuǎn)速的方法稱為M法測(cè)速，又稱頻率法測(cè)速。 (2-77)式中: n轉(zhuǎn)速，單位為r/min； M1時(shí)間Tc內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)； z旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)輸出的脈沖個(gè)數(shù); Tc采樣周期，單位為s。r/min 601cZTMn n由系統(tǒng)的定時(shí)器按采樣周期的時(shí)間定期地發(fā)出一個(gè)采樣脈沖信號(hào)，n計(jì)數(shù)器記錄下在兩個(gè)采樣脈沖信號(hào)之間的旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖個(gè)數(shù)。圖235 M法測(cè)速原理

48、示意圖nM法測(cè)速分辨率為 （2-78）nM法測(cè)速的分辨率與實(shí)際轉(zhuǎn)速的大小無關(guān)。nM法的測(cè)速誤差率的最大值為 （2-79）nmax與M1成反比。轉(zhuǎn)速愈低，M1愈小，誤差率愈大。 cccZTZTMZTMQ6060) 1(6011%100M1%100ZTM60 ZT)1M(60 ZTM601c1c1c1max4T法測(cè)速nT法測(cè)速是測(cè)出旋轉(zhuǎn)編碼器兩個(gè)輸出脈沖之間的間隔時(shí)間來計(jì)算轉(zhuǎn)速，又被稱為周期法測(cè)速。n與M法測(cè)速不同的是， T法測(cè)速所計(jì)的是計(jì)算機(jī)發(fā)出的高頻時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)，以旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的相鄰兩個(gè)脈沖的同樣變化沿作為計(jì)數(shù)器的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)。圖2-36T法測(cè)速原理示意圖n準(zhǔn)確的測(cè)速時(shí)間是用所得的高頻時(shí)

49、鐘脈沖個(gè)數(shù)M2計(jì)算出來的，即 ，n電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 （2-80）02/ fMTt026060tfnZTZMnT法測(cè)速的分辨率定義為時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)由M2變成(M2-1)時(shí)轉(zhuǎn)速的變化量， （2-81）n綜合式（2-80）和式（2-81），可得 (2-82)nT法測(cè)速的分辨率與轉(zhuǎn)速高低有關(guān)，轉(zhuǎn)速越低，Q值越小，分辨能力越強(qiáng)。) 1(6060) 1(602202020MZMfZMfMZfQZnfZnQ0260nT法測(cè)速誤差率的最大值為 （2-83）n低速時(shí)，編碼器相鄰脈沖間隔時(shí)間長，測(cè)得的高頻時(shí)鐘脈沖M2個(gè)數(shù)多，誤差率小，測(cè)速精度高。nT法測(cè)速更適用于低速段。0022max0226060 (1)1100%1

50、00%601ffZ MZMfMZM5M/T法測(cè)速n在M法測(cè)速中，隨著電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的降低，計(jì)數(shù)值減少，測(cè)速裝置的分辨能力變差，測(cè)速誤差增大。nT法測(cè)速正好相反，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，計(jì)數(shù)值減小，測(cè)速裝置的分辨能力越來越差。n綜合這兩種測(cè)速方法的特點(diǎn)，產(chǎn)生了M/T測(cè)速法，它無論在高速還是在低速時(shí)都具有較高的分辨能力和檢測(cè)精度。圖2-37 M/T法測(cè)速原理示意圖n關(guān)鍵是和計(jì)數(shù)同步開始和關(guān)閉，實(shí)際的檢測(cè)時(shí)間與旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖一致，能有效減小測(cè)速誤差。n采樣時(shí)鐘Tc 由系統(tǒng)的定時(shí)器產(chǎn)生，其數(shù)值始終不變。n檢測(cè)周期由采樣脈沖Tc的邊沿之后的第一個(gè)脈沖編碼器的輸出脈沖的邊沿來決定，即T= Tc T1+

51、T2 。 n檢測(cè)周期T內(nèi)被測(cè)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角為 (2-84)n旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出Z個(gè)脈沖，在檢測(cè)周期T內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)是M1，則 (2-85)n若時(shí)鐘脈沖頻率是f0，在檢測(cè)周期T內(nèi)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)值為M2 ，則 (2-86)n綜合式(2-74)、式(2-75)和式(2-76)便可求出被測(cè)的轉(zhuǎn)速為： (2-87)260nTZM2102fMT 210ZMMf60n n在高速段，TcT1，TcT2，可看成TTc： (2-88)nM2f0Tf0Tc，代入式（2-78)可得： (2-89) n在高速段，與M法測(cè)速的分辨率完全相同。n在低速段，M11，M2隨轉(zhuǎn)速變化，分辨率與T法測(cè)速完全相同。nM/T法測(cè)速

52、無論是在高速還是在低速都有較強(qiáng)的分辨能力。202102106060) 1(60ZMfZMMfZMMfQcZT60Q n在M/T法測(cè)速中，檢測(cè)時(shí)間是以脈沖編碼器的輸出脈沖的邊沿為基準(zhǔn)，計(jì)數(shù)值M2最多產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘脈沖的誤差。nM2的數(shù)值在中、高速時(shí)，基本上是一個(gè)常數(shù) M2Tf0Tcf0，其測(cè)速誤差率為 ，n在低速時(shí)， M2 Tf0 Tcf0 ，nM/T法測(cè)速具有較高的測(cè)量精度。 %1001M122.4.3數(shù)字PI調(diào)節(jié)器nPI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)列出如下： （2-56） n輸出函數(shù)和輸入誤差函數(shù)關(guān)系的時(shí)域表達(dá)式為 （2-90） 式中 Kp 為比例系數(shù)，KI 為積分系數(shù)。n轉(zhuǎn)換為差分方程，其第k拍輸出為

53、（2-91） 式中Tsam為采樣周期。1( )pPIKsWssdtteKteKdtteteKtuIPp)()()(1)()() 1()()()()()()()(1kukeTKkeKkukeKieTKkeKkuIsamIPIPkisamIPn數(shù)字PI調(diào)節(jié)器有位置式和增量式兩種算法，n位置式算法中，u(k)為第k拍的輸出值。比例部分只與當(dāng)前的偏差有關(guān)，積分部分則是系統(tǒng)過去所有偏差的累積。n增量式算法只需要當(dāng)前的和上一拍的偏差即可計(jì)算輸出值。 )() 1()() 1()()(keTKkekeKkukukusamIP( )(1)( )(1)( )(1)( )PIsamu ku ku ku kKe ke

54、 kK Te k（2-93） （2-94） n在數(shù)字控制算法中，要對(duì)u限幅，須在程序內(nèi)設(shè)置限幅值 um，當(dāng)|u(k)|um時(shí)，便以限幅值 um作為輸出。n增量式PI調(diào)節(jié)器算法只需輸出限幅，n位置式算法必須同時(shí)設(shè)積分限幅和輸出限幅，缺一不可。若沒有積分限幅，積分項(xiàng)可能很大，將產(chǎn)生較大的退飽和超調(diào)。2.5 轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的 限流保護(hù)2.5.1 轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的過流問題轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的過流問題n在轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)上突加給定電壓時(shí)，電樞電壓立即達(dá)到它的最高值，對(duì)電動(dòng)機(jī)來說，相當(dāng)于全壓起動(dòng)，會(huì)造成電動(dòng)機(jī)過流。n當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)被堵轉(zhuǎn)時(shí)，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。如果只依靠過

55、流繼電器或熔斷器來保護(hù)，過載時(shí)就跳閘。n系統(tǒng)中必須有自動(dòng)限制電樞電流的環(huán)節(jié)。n引入電流負(fù)反饋，可以使它不超過允許值。但這種作用只應(yīng)在起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)存在，在正常的穩(wěn)速運(yùn)行時(shí)又得取消。n當(dāng)電流大到一定程度時(shí)才出現(xiàn)的電流負(fù)反饋，叫做電流截止負(fù)反饋。2.5.2帶電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的 直流調(diào)速系統(tǒng)圖2-38電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)（a）利用獨(dú)立直流電源作比較電壓（b）利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓1電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)n電流反饋信號(hào)取自串入電動(dòng)機(jī)電樞回路中的小阻值電阻Rs，IdRc正比于電流。n圖2-38(a)中用獨(dú)立的直流電源作為比較電壓Ucom，其大小可用電位器調(diào)節(jié)，n在IdRc與Ucom之間串接一個(gè)二極管VD，當(dāng)I

56、dRc Ucom時(shí)，二極管導(dǎo)通，電流負(fù)反饋信號(hào)Ui即可加到放大器上去；當(dāng)IdRc Ucom時(shí)，二極管截止， Ui消失。n圖2-38(b)中利用穩(wěn)壓管VST的擊穿電壓Ubr作為比較電壓Ucom 。n截止電流 Idcr=Ucom/Rsn當(dāng)輸入信號(hào)IdRc-Ucom0時(shí)，輸出Ui=IdRc-Ucom，n當(dāng)IdRc-Ucom 0時(shí)，輸出Ui=0。 圖2-39 電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的輸入輸出特性圖2-40 帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2帶電流截止負(fù)反饋比例控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性n當(dāng)IdIdcr時(shí)，電流負(fù)反饋被截止，靜特性與只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性相同， （2-3

57、2）n當(dāng)IdIdcr后，引入了電流負(fù)反饋，靜特性變成 （2-95）)1 ()1 (*KCRIKCUKKnedensp)1 ()()1 ()()1 ()()1 ()1 (*KCIRKKRKCUUKKKCRIUIRKCKKKCUKKnedsspecomnspedcomdsespensp圖2-41帶電流截止負(fù)反饋比例控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性nCA段 : 電流負(fù)反饋被截止 nAB段 : 電流負(fù)反饋起作用 n電流負(fù)反饋的作用相當(dāng)于在主電路中串入一個(gè)大電阻 。n比較電壓與給定電壓的作用一致，好象把理想空載轉(zhuǎn)速提高到 )1 ()(*0KCUUKKnecomnsp（2-96） sspRKKn令n=0，得到

58、堵轉(zhuǎn)電流Iabl ， （2-97）n一般KpKsRsR，因此 （2-98）nIabl應(yīng)小于電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，一般為 Iabl =（1.52）INn截止電流應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的額定電流，取 Idcr= （ 1.11.2 ）INscomndblRUUI*sspcomnspdblRKKRUUKKI)(*3帶電流截止的無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)圖2-42 無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)nTA為檢測(cè)電流的交流互感器，經(jīng)整流后得到電流反饋信號(hào)Ui。n當(dāng)電流達(dá)到截止電流Idcr時(shí)， Ui高于穩(wěn)壓管VS的擊穿電壓，使晶體三極管VBT導(dǎo)通，n忽略晶體三極管VBT導(dǎo)通壓降，則PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓Uc為零，n電力電子變換器UPE的輸出電壓Ud=0，達(dá)到限制電流的目的。 圖2-43 無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（IdIdcr）n轉(zhuǎn)