第一章閉環(huán)控制

1、直流調(diào)速系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)第 1 篇云懷中云懷中E: 緒論一 學(xué)科性質(zhì)是一門與生產(chǎn)緊密相關(guān)的專業(yè)課程，是電氣傳動及其自動化學(xué)科（研究方向）的基礎(chǔ)性課程。也叫運動控制系統(tǒng)。二 課程任務(wù)為電力拖動機械設(shè)備選擇配套的電氣傳動系統(tǒng)及其自動控制裝置?，F(xiàn)代運動控制技術(shù)現(xiàn)代運動控制技術(shù)電機學(xué)、電力電子技電機學(xué)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、術(shù)、微電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)、計算機控制技術(shù)、控制理論、信號檢控制理論、信號檢測與處理技術(shù)等多測與處理技術(shù)等多門學(xué)科相互交叉的門學(xué)科相互交叉的綜合性學(xué)科綜合性學(xué)科 。圖圖1-1運動控制及其相關(guān)學(xué)科運動控制及其相關(guān)學(xué)科運動控制系統(tǒng)及其組成運動控制系統(tǒng)及其組成 圖圖1-2 運動控制

2、系統(tǒng)及其組成運動控制系統(tǒng)及其組成運動控制系統(tǒng)的控制對象運動控制系統(tǒng)的控制對象電動機電動機n從類型上分從類型上分n直流電動機、交流感應(yīng)電動機（交流異步直流電動機、交流感應(yīng)電動機（交流異步電動機）和交流同步電動機。電動機）和交流同步電動機。n從用途上分從用途上分n用于調(diào)速系統(tǒng)的拖動電動機和用于伺服系用于調(diào)速系統(tǒng)的拖動電動機和用于伺服系統(tǒng)的伺服電動機。統(tǒng)的伺服電動機。運動控制系統(tǒng)的功率放大與變運動控制系統(tǒng)的功率放大與變換裝置換裝置n電力電子型功率放大與變換裝置電力電子型功率放大與變換裝置n 半控型向全控型發(fā)展半控型向全控型發(fā)展n 低頻開關(guān)向高頻開關(guān)發(fā)展低頻開關(guān)向高頻開關(guān)發(fā)展n 分立的器件向具有復(fù)合功

3、能的功率模分立的器件向具有復(fù)合功能的功率模塊發(fā)展塊發(fā)展運動控制系統(tǒng)的控制器運動控制系統(tǒng)的控制器n模擬控制器模擬控制器n物理概念清晰、控制信號流向直觀物理概念清晰、控制信號流向直觀n控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路n線路復(fù)雜、通用性差線路復(fù)雜、通用性差n控制效果受到器件性能、溫度等因控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響素的影響運動控制系統(tǒng)的控制器運動控制系統(tǒng)的控制器n以微處理器為核心的數(shù)字控制器以微處理器為核心的數(shù)字控制器n硬件電路標準化程度高硬件電路標準化程度高n控制規(guī)律體現(xiàn)在軟件上，修改靈活控制規(guī)律體現(xiàn)在軟件上，修改靈活方便方便n擁有信息存儲、數(shù)據(jù)通信和故障診擁有信息存儲、數(shù)據(jù)

4、通信和故障診斷等功能斷等功能運動控制系統(tǒng)的控制器運動控制系統(tǒng)的控制器n模擬控制器模擬控制器n 并行運行，控制器的滯后時間小。并行運行，控制器的滯后時間小。n微處理器數(shù)字控制器微處理器數(shù)字控制器n 串行運行方式，其滯后時間比模擬控串行運行方式，其滯后時間比模擬控制器大得多，在設(shè)計系統(tǒng)時應(yīng)予以考慮。制器大得多，在設(shè)計系統(tǒng)時應(yīng)予以考慮。運動控制系統(tǒng)的信號檢測與處理運動控制系統(tǒng)的信號檢測與處理n信號檢測信號檢測n 電壓、電流、轉(zhuǎn)速和位置等信號電壓、電流、轉(zhuǎn)速和位置等信號n信號轉(zhuǎn)換信號轉(zhuǎn)換n 電壓匹配、極性轉(zhuǎn)換、脈沖整形等電壓匹配、極性轉(zhuǎn)換、脈沖整形等n數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理n 信號濾波信號濾波三、調(diào)速系統(tǒng)

5、n直流電動機具有良好的起、制動性能，宜直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣和快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。泛的應(yīng)用。n由于直流拖動控制系統(tǒng)在理論上和實踐上由于直流拖動控制系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，而且從控制的角度來看，它都比較成熟，而且從控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，為又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，為了保持由淺入深的教學(xué)順序，應(yīng)該首先很了保持由淺入深的教學(xué)順序，應(yīng)該首先很好地掌握直流拖動控制系統(tǒng)。好地掌握直流拖動控制系統(tǒng)。四、四、 自動控制系

6、統(tǒng)的發(fā)展概況自動控制系統(tǒng)的發(fā)展概況n直流傳動和交流傳動在直流傳動和交流傳動在19世紀中期以后誕生；世紀中期以后誕生；n20世紀前、中期形成公認的格局：世紀前、中期形成公認的格局：80%的不變速的不變速系統(tǒng)都采用交流傳動，系統(tǒng)都采用交流傳動，20%調(diào)速系統(tǒng)一般采用直流調(diào)速系統(tǒng)一般采用直流調(diào)速；調(diào)速；n20世紀世紀70年代的能源危機促使世界各國開始重點年代的能源危機促使世界各國開始重點研究交流調(diào)速系統(tǒng)；研究交流調(diào)速系統(tǒng)；n隨著三大技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)在性價比上也隨著三大技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)在性價比上也逐漸優(yōu)于直流調(diào)速系統(tǒng)，目前，新的格局已經(jīng)形成：逐漸優(yōu)于直流調(diào)速系統(tǒng)，目前，新的格局已經(jīng)形成

7、：交流調(diào)速系統(tǒng)上升到主導(dǎo)地位，并將逐步取代直流交流調(diào)速系統(tǒng)上升到主導(dǎo)地位，并將逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)速系統(tǒng)。1、發(fā)展歷史、發(fā)展歷史2 2、直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)的比較、直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)的比較n直流電機的弱點：存在機械式換向器和電刷直流電機的弱點：存在機械式換向器和電刷na. 制造工藝復(fù)雜，費時費料，成本增加；制造工藝復(fù)雜，費時費料，成本增加；nb. 換向器的換向能力限制了電機的容量和速度；換向器的換向能力限制了電機的容量和速度；nc. 電刷火化和環(huán)火限制了直流電機的安裝環(huán)境；電刷火化和環(huán)火限制了直流電機的安裝環(huán)境；nd. 轉(zhuǎn)子散熱條件差，電機效率低；轉(zhuǎn)子散熱條件差，電機效率低；

8、ne. 換向器和電刷的磨損使電機可靠性低，維修換向器和電刷的磨損使電機可靠性低，維修量大。量大。交流調(diào)速系統(tǒng)較直流調(diào)速系統(tǒng)的主要優(yōu)點：交流調(diào)速系統(tǒng)較直流調(diào)速系統(tǒng)的主要優(yōu)點：n交流電動機在低成本、高速、大容量、惡劣交流電動機在低成本、高速、大容量、惡劣環(huán)境可使用、維修量小等方面明顯優(yōu)于直流環(huán)境可使用、維修量小等方面明顯優(yōu)于直流電動機；電動機；n隨著功率器件的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)的成本隨著功率器件的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)的成本也會大幅度降低；也會大幅度降低；n實際上，直流電動機較交流電動機僅存在調(diào)實際上，直流電動機較交流電動機僅存在調(diào)速性能好，控制簡單等優(yōu)點。速性能好，控制簡單等優(yōu)點。交流電機的數(shù)學(xué)模型

9、造成了轉(zhuǎn)矩控制的困難交流電機的數(shù)學(xué)模型造成了轉(zhuǎn)矩控制的困難;na.交流電機是一個多輸入、多輸出、非線性、交流電機是一個多輸入、多輸出、非線性、強耦合且時變的控制對象強耦合且時變的控制對象nb.轉(zhuǎn)矩公式：轉(zhuǎn)矩公式：TdCTmIrcosrn調(diào)速裝置中器件的發(fā)展階段的限制了交流調(diào)調(diào)速裝置中器件的發(fā)展階段的限制了交流調(diào)速的發(fā)展；速的發(fā)展；n交流調(diào)速系統(tǒng)精度和成本的限制；交流調(diào)速系統(tǒng)精度和成本的限制；na.很難在短期內(nèi)達到直流調(diào)速系統(tǒng)的精度很難在短期內(nèi)達到直流調(diào)速系統(tǒng)的精度nb.高成本、高價格往往使新用戶望而卻步高成本、高價格往往使新用戶望而卻步3 3、交流調(diào)速系統(tǒng)的難點和復(fù)雜性、交流調(diào)速系統(tǒng)的難點和復(fù)

10、雜性n高性能速度控制的電力拖動場合高性能速度控制的電力拖動場合n以節(jié)能為目的改恒速為調(diào)速以節(jié)能為目的改恒速為調(diào)速n高精度機床、大型起重設(shè)備高精度機床、大型起重設(shè)備n軋鋼機、卷揚機軋鋼機、卷揚機n電力機車電力機車n五、調(diào)速系統(tǒng)的主要應(yīng)用方向五、調(diào)速系統(tǒng)的主要應(yīng)用方向六、學(xué)習(xí)重點 以基本概念、基本原理和實驗的基本技以基本概念、基本原理和實驗的基本技能的學(xué)習(xí)為重點，側(cè)重于系統(tǒng)的組成和工作能的學(xué)習(xí)為重點，側(cè)重于系統(tǒng)的組成和工作過程、特性分析的理解和掌握。過程、特性分析的理解和掌握。七、七、 教材的選用教材的選用 電力拖動自動控制系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng)第第4版版 陳伯時教授主編陳伯時教授主編 機械工業(yè)

11、出版社出版機械工業(yè)出版社出版特點：特點：n精辟、簡約；精辟、簡約；n偏重于直流部分；偏重于直流部分；n交流部分以變頻調(diào)速為重點，符合調(diào)速的交流部分以變頻調(diào)速為重點，符合調(diào)速的發(fā)展方向。發(fā)展方向。本章內(nèi)容提要本章內(nèi)容提要n直流調(diào)速方法直流調(diào)速方法n直流調(diào)速電源直流調(diào)速電源n直流調(diào)速控制直流調(diào)速控制根據(jù)直流電機轉(zhuǎn)速方程根據(jù)直流電機轉(zhuǎn)速方程 eKIRUnq 直流調(diào)速方法直流調(diào)速方法nUIR Ke式中式中 轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)速（r/min）；）； 電樞電壓（電樞電壓（V）；）； 電樞電流（電樞電流（A）；）； 電樞回路總電阻（電樞回路總電阻（ ）； 勵磁磁通（勵磁磁通（Wb）； 由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。由電

12、機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。（1-1） 由式（由式（1-1）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速：動機的轉(zhuǎn)速： （1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U； （2）減弱勵磁磁通）減弱勵磁磁通 ； （3）改變電樞回路電阻）改變電樞回路電阻 R。（1）調(diào)壓調(diào)速）調(diào)壓調(diào)速n工作條件：工作條件： 保持保持勵磁勵磁 = N ； 保持電阻保持電阻 R = Ran調(diào)節(jié)過程：調(diào)節(jié)過程： 改變電壓改變電壓 UN U U n ， n0 n調(diào)速特性：調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機械特性轉(zhuǎn)速下降，機械特性曲線平行下移。曲線平行下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲

13、線調(diào)壓調(diào)速特性曲線（2）調(diào)阻調(diào)速）調(diào)阻調(diào)速n工作條件：工作條件： 保持保持勵磁勵磁 = N ； 保持電壓保持電壓 U =UN ；n調(diào)節(jié)過程：調(diào)節(jié)過程： 增加電阻增加電阻 Ra R R n ，n0不變；不變；n調(diào)速特性：調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機械特性轉(zhuǎn)速下降，機械特性曲線變軟。曲線變軟。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線調(diào)阻調(diào)速特性曲線（3）調(diào)磁調(diào)速）調(diào)磁調(diào)速n工作條件：工作條件： 保持電壓保持電壓 U =UN ； 保持電阻保持電阻 R = R a ；n調(diào)節(jié)過程：調(diào)節(jié)過程： 減小減小勵磁勵磁 N n ， n0 n調(diào)速特性：調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速上升，機械特性轉(zhuǎn)速上升

14、，機械特性曲線變軟。曲線變軟。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3調(diào)磁調(diào)速特性曲線調(diào)磁調(diào)速特性曲線 三種調(diào)速方法的性能與比較三種調(diào)速方法的性能與比較 對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級調(diào)速；減弱磁為最好。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，通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（即電機往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（即電機額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。 因此，自動控制的

15、直流調(diào)速系統(tǒng)往往以因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速調(diào)壓調(diào)速為主。為主。第1章 閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 本章著重討論基本的閉環(huán)控制系統(tǒng)及其分析與設(shè)計方法。本章提要本章提要1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源1.2 晶閘管晶閘管-電動機系統(tǒng)的特殊問題電動機系統(tǒng)的特殊問題1.3 反反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計1.4 反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析和設(shè)計反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析和設(shè)計1.5 無靜差調(diào)速系統(tǒng)和積分、比例積分控制規(guī)律無靜差調(diào)速系統(tǒng)和積分、比例積分控制規(guī)律1.6 電壓反饋電流補償控制的調(diào)速系統(tǒng)電壓反饋電流補

16、償控制的調(diào)速系統(tǒng)1.1 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源 根據(jù)前面分析，調(diào)壓調(diào)速是直根據(jù)前面分析，調(diào)壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方法，而調(diào)節(jié)電流調(diào)速系統(tǒng)的主要方法，而調(diào)節(jié)電樞電壓需要有專門向電動機供電的樞電壓需要有專門向電動機供電的可控直流電源可控直流電源。 本節(jié)介紹幾種主要的可控直流本節(jié)介紹幾種主要的可控直流電源。電源。常用的可控直流電源有以下三種常用的可控直流電源有以下三種n旋轉(zhuǎn)變流機組旋轉(zhuǎn)變流機組用交流電動機和直流發(fā)用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調(diào)的直流電壓。電機組成機組，以獲得可調(diào)的直流電壓。n靜止式可控整流器靜止式可控整流器用靜止式的可控整用靜止式的

17、可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。n直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器用恒定用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開關(guān)器件斬波或進行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)電子開關(guān)器件斬波或進行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)生可變的平均電壓。生可變的平均電壓。1.1.1 旋轉(zhuǎn)變流機組旋轉(zhuǎn)變流機組圖1-1旋轉(zhuǎn)變流機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)） G-M系統(tǒng)工作原理 由原動機（柴油機、交流異步或同步電動機）拖動直流發(fā)電機 G 實現(xiàn)變流，由 G 給需要調(diào)速的直流電動機 M 供電，調(diào)節(jié)G 的勵磁電流 if 即可改變其輸出電壓 U，從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速

18、 n 。 這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡稱G-M系統(tǒng)，國際上通稱Ward-Leonard系統(tǒng)。 G-M系統(tǒng)特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限圖1-2 G-M系統(tǒng)機械特性 1.1.2 靜止式可控整流器靜止式可控整流器圖1-3 晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)） V-M系統(tǒng)工作原理 晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)，又稱靜止的Ward-Leonard系統(tǒng)），圖中VT是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓 Uc 來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud ，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。 V-M系統(tǒng)的特點 與G-M系統(tǒng)相比較：n晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)

19、濟性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在10 4 以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制，不再像直流發(fā)電機那樣需要較大功率的放大器。n在控制作用的快速性上，變流機組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，這將大大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。 V-M系統(tǒng)的問題n由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。n晶閘管對過電壓、過電流和過高的dV/dt與di/dt 都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內(nèi)損壞器件。n由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成“電力公害”。1.1.3 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器直流斬波

20、器或脈寬調(diào)制變換器 在干線鐵道電力機車、工礦電力機車、城市有軌和無軌電車和地鐵電機車等電力牽引設(shè)備上，常采用直流串勵或復(fù)勵電動機，由恒壓直流電網(wǎng)供電，過去用切換電樞回路電阻來控制電機的起動、制動和調(diào)速，在電阻中耗電很大。a）原理圖b）電壓波形圖tOuUsUdTton控制電路控制電路M 1. 直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)圖1-5 直流斬波器-電動機系統(tǒng)的原理圖和電壓波形 2. 斬波器的基本控制原理 在原理圖中，VT 表示電力電子開關(guān)器件，VD 表示續(xù)流二極管。當(dāng)VT 導(dǎo)通時，直流電源電壓 Us 加到電動機上；當(dāng)VT 關(guān)斷時，直流電源與電機脫開，電動機電樞經(jīng) VD 續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，電樞端

21、電壓波形如圖1-5b ，好像是電源電壓Us在ton 時間內(nèi)被接上，又在 T ton 時間內(nèi)被斬斷，故稱“斬波”。這樣，電動機得到的平均電壓為 3. 輸出電壓計算ssondUUTtU(1-2)式中 T 晶閘管的開關(guān)周期； ton 開通時間； 占空比， = ton / T = ton f ；其中 f 為開關(guān)頻率。 為了節(jié)能，并實行無觸點控制，現(xiàn)在多用電力電子開關(guān)器件，如快速晶閘管、GTO、IGBT等。 采用簡單的單管控制時，稱作直流斬波器，后來逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度調(diào)制開關(guān)的電路，脈寬調(diào)制變換器（PWM-Pulse Width Modulation）。 4. 斬波電路三種控制方式n根據(jù)對輸出電

22、壓平均值進行調(diào)制的方式不同而劃分，有三種控制方式：nT 不變，變 ton 脈沖寬度調(diào)制（PWM）；nton不變，變 T 脈沖頻率調(diào)制（PFM）；nton和 T 都可調(diào)，改變占空比混合型。 PWM系統(tǒng)的優(yōu)點（1）主電路線路簡單，需用的功率器件少；（2）開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較??；（3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達1:10000左右；（4）若與快速響應(yīng)的電機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強；PWM系統(tǒng)的優(yōu)點（續(xù)）（5）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；（6）直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功

23、率因數(shù)比相控整流器高。小小 結(jié)結(jié) 三種可控直流電源，V-M系統(tǒng)在上世紀6070年代得到廣泛應(yīng)用，目前主要用于大容量系統(tǒng)。 直流PWM調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技術(shù)，發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的系統(tǒng)中，已取代V-M系統(tǒng)成為主要的直流調(diào)速方式。返回目錄返回目錄1.2 晶閘管晶閘管-電動機系統(tǒng)的特殊問題電動機系統(tǒng)的特殊問題 本節(jié)討論V-M系統(tǒng)的幾個主要問題：（1）觸發(fā)脈沖相位控制；（2）電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)；（3）抑制電流脈動的措施；（4）晶閘管-電動機系統(tǒng)的機械特性；（5）晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和 傳遞函數(shù)。 在如圖可控整流電路中，調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 輸出脈沖的相位，即可很方

24、便地改變可控整流器 VT 輸出瞬時電壓 ud 的波形，以及輸出平均電壓 Ud 的數(shù)值。a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)+ + +OOOOO1.2.1 觸發(fā)脈沖相位控制觸發(fā)脈沖相位控制Ud0IdE 等效電路分析 如果把整流裝置內(nèi)阻移到裝置外邊，看成是其負載電路電阻的一部分，那么，整流電壓便可以用其理想空載瞬時值 ud0 和平均值 Ud0 來表示，相當(dāng)于用圖示的等效電路代替實際的整流電路。圖1-7 V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖 式中 電動機反電動勢； 整流電流瞬時值； 主電路總電感； 主電路等效電阻；且有 R = Rrec +

25、 Ra + RL；EidLR 瞬時電壓平衡方程tiLRiEuddddd0(1-3) 對ud0進行積分，即得理想空載整流電壓平均值Ud0 。 用觸發(fā)脈沖的相位角 控制整流電壓的平均值Ud0是晶閘管整流器的特點。 Ud0與觸發(fā)脈沖相位角 的關(guān)系因整流電路的形式而異，對于一般的全控整流電路，當(dāng)電流波形連續(xù)時，Ud0 = f () 可用下式表示 式中 從自然換相點算起的觸發(fā)脈沖控制角； = 0 時的整流電壓波形峰值； 交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)；對于不同的整流電路，它們的數(shù)值如表1-1所示。Umm 整流電壓的平均值計算cossinmd0mUmU(1-5)表1-1 不同整流電路的整流電壓值* U2

26、是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。1.2.2 電流脈動的影響極其抑制措施電流脈動的影響極其抑制措施 由于電流波形的脈動，可能出現(xiàn)電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，這是V-M系統(tǒng)不同于G-M系統(tǒng)的又一個特點。當(dāng)V-M系統(tǒng)主電路有足夠大的電感量，而且電動機的負載也足夠大時，整流電流便具有連續(xù)的脈動波形。當(dāng)電感量較小或負載較輕時，在某一相導(dǎo)通后電流升高的階段里，電感中的儲能較少；等到電流下降而下一相尚未被觸發(fā)以前，電流已經(jīng)衰減到零，于是，便造成電流波形斷續(xù)的情況。n V-M系統(tǒng)主電路系統(tǒng)主電路的輸出的輸出圖1-9 V-M系統(tǒng)的電流波形a）電流連續(xù)b）電流斷續(xù)OuaubucudOiaibicictEUdtO

27、uaubucudOiaibicicEUdudttudididn抑制電流脈動的措施抑制電流脈動的措施 在V-M系統(tǒng)中，脈動電流會產(chǎn)生脈動的轉(zhuǎn)矩，對生產(chǎn)機械不利，同時也增加電機的發(fā)熱。為了避免或減輕這種影響，須采用抑制電流脈動的措施，主要是：n設(shè)置平波電抗器；n增加整流電路相數(shù)；n采用多重化技術(shù)。 （1）平波電抗器的設(shè)置與計算）平波電抗器的設(shè)置與計算n單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路 n三相半波整流電路三相半波整流電路 n三相橋式整流電路三相橋式整流電路 mind287. 2IUL mind246. 1IUL mind2693. 0IUL（1-6）（1-8）（1-7）（2）多重化整流電路M

28、LTVT12c1b1a1c2b2a2LP 如圖電路為由2個三相橋并聯(lián)而成的12脈波整流電路，使用了平衡電抗器來平衡2組整流器的電流。并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的12脈波整流電路M1.2.3 晶閘管晶閘管-電動機系統(tǒng)的機械特性電動機系統(tǒng)的機械特性 當(dāng)電流連續(xù)時，當(dāng)電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的機械特性方程式為系統(tǒng)的機械特性方程式為 式中式中 Ce = Ke N 電機在額定磁通下的電動勢系數(shù)。電機在額定磁通下的電動勢系數(shù)。式（式（1-9）等號右邊）等號右邊 Ud0 表達式的適用范圍如第表達式的適用范圍如第1.2.1節(jié)節(jié)中所述。中所述。)cossin(1)(1dmed0deRImUmCRIUCn（1-9）（1）電流連續(xù)

29、情況）電流連續(xù)情況 改變控制角改變控制角 ，得，得一族平行直線，這和一族平行直線，這和G-M系統(tǒng)的特性很系統(tǒng)的特性很相似，如圖相似，如圖1-10所示。所示。 圖中電流較小的圖中電流較小的部分畫成虛線，表明部分畫成虛線，表明這時電流波形可能斷這時電流波形可能斷續(xù)，公式（續(xù)，公式（1-9）已）已經(jīng)不適用了。經(jīng)不適用了。圖圖1-10 電流連續(xù)時電流連續(xù)時V-M系統(tǒng)的機械特性系統(tǒng)的機械特性 n = Id R/CenIdILO n上述分析說明：只要電流連續(xù)，晶閘管上述分析說明：只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個可控整流器就可以看成是一個線性的可線性的可控電壓源控電壓源。 當(dāng)電流斷續(xù)時，由于非

30、線性因素，機械特性方程當(dāng)電流斷續(xù)時，由于非線性因素，機械特性方程要復(fù)雜得多。以三相半波整流電路構(gòu)成的要復(fù)雜得多。以三相半波整流電路構(gòu)成的V-M系統(tǒng)系統(tǒng)為例，電流斷續(xù)時機械特性須用下列方程組表示為例，電流斷續(xù)時機械特性須用下列方程組表示 (1-10) (1-11)式中式中 ； 一個電流脈波的導(dǎo)通角。一個電流脈波的導(dǎo)通角。2)6cos()6cos(2232e2dnUCRUI)e1 (e )6sin()6sin(cos2ctgectg2CUnRLarctg（2）電流斷續(xù)情況）電流斷續(xù)情況（3）電流斷續(xù)機械特性計算）電流斷續(xù)機械特性計算 當(dāng)阻抗角當(dāng)阻抗角 值已知時，對于不同的控值已知時，對于不同的控制

31、角制角 ，可用數(shù)值解法求出一族電流斷，可用數(shù)值解法求出一族電流斷續(xù)時的機械特性。續(xù)時的機械特性。 對于每一條特性，求解過程都計算到對于每一條特性，求解過程都計算到 = 2 /3為止，因為為止，因為 角再大時，電流便角再大時，電流便連續(xù)了。對應(yīng)于連續(xù)了。對應(yīng)于 = 2 /3 的曲線是電流的曲線是電流斷續(xù)區(qū)與連續(xù)區(qū)的分界線斷續(xù)區(qū)與連續(xù)區(qū)的分界線。圖圖1-11 完整的完整的V-M系統(tǒng)機械特性系統(tǒng)機械特性（4）V-M系統(tǒng)系統(tǒng) 機械特性機械特性（5）V-M系統(tǒng)機械特性的特點系統(tǒng)機械特性的特點 圖圖1-11繪出了完整的繪出了完整的V-M系統(tǒng)機械特系統(tǒng)機械特性，分為電流連續(xù)區(qū)和電流斷續(xù)區(qū)。由性，分為電流連續(xù)

32、區(qū)和電流斷續(xù)區(qū)。由圖可見：圖可見：n當(dāng)電流連續(xù)時，特性還比較硬；當(dāng)電流連續(xù)時，特性還比較硬；n斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著的非斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著的非線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。1.3 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的 穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計 本節(jié)提要本節(jié)提要n轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標n開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能和存在的問題n閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性n開環(huán)系統(tǒng)特性和閉環(huán)系統(tǒng)特性的關(guān)系n反饋控制規(guī)律n限流保護電流截止負反饋1.3.1 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標 任何一臺需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對調(diào)速性能都有一定

33、的要求。 歸納起來，對于調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求有以下三個方面：1. 控制要求（1）調(diào)速在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分擋地（有級）或 平滑地（無級）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)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動，以確保產(chǎn)品質(zhì)量；（3）加、減速頻繁起、制動的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機械則要求起，制動盡量平穩(wěn)。2. 調(diào)速指標n調(diào)速范圍：調(diào)速范圍： 生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母 D 表示，即（1-31）minmaxnnD 其中nmin 和nmax 一般都指電機額定負載時的轉(zhuǎn)速，對于少數(shù)負載很輕的機

34、械，例如精密磨床，也可用實際負載時的轉(zhuǎn)速。 n靜差率：靜差率：當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 nN ，與理想空載轉(zhuǎn)速 n0 之比，稱作靜差率 s ，即0Nnns或用百分數(shù)表示 %1000Nnns（1-32） （1-33） 式中 nN = n0 - nN 0TeNTen0an0bab nNa nNb nO圖1-23 不同轉(zhuǎn)速下的靜差率3. 靜差率與機械特性硬度的區(qū)別 然而靜差率和機械特性硬度又是有區(qū)別的。一般調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的機械特性是互相平行的 。對于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定度也就越差。n例如例如：在1000

35、r/min時降落10r/min，只占1%；在100r/min時同樣降落10r/min，就占10%； 如果在只有10r/min時，再降落10r/min，就占100%，這時電動機已經(jīng)停止轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速全部降落完了。 因此，調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標應(yīng)以最低速時所能達到的數(shù)值為準。靜差率與機械特性硬度的區(qū)別（續(xù)）4. 調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系 設(shè)：電機額定轉(zhuǎn)速nN為最高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速降落為nN，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時的靜差率，即NminNmin0Nnnnnns于是，最低轉(zhuǎn)速為 snsnsnnNNNmin)1 (

36、而調(diào)速范圍為 minNminmaxnnnnD將上面的式代入 nmin，得 )1 (NNsnsnD（1-34） 式（1-34）表示調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。對于同一個調(diào)速系統(tǒng)， nN 值一定，由式（1-34）可見，如果對靜差率要求越嚴，即要求 s 值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。 n結(jié)論1： 一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。速時還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。n例題例題1-1 某直流調(diào)速系統(tǒng)電動機額定轉(zhuǎn)速為，額定速降 nN = 115r/min，當(dāng)要求靜差率30%時，允許多大的調(diào)

37、速范圍？如果要求靜差率20%，則調(diào)速范圍是多少？如果希望調(diào)速范圍達到10，所能滿足的靜差率是多少？解解 要求30%時，調(diào)速范圍為 若要求20%，則調(diào)速范圍只有若調(diào)速范圍達到10，則靜差率只能是3 . 5)3 . 01 (1153 . 01430)1 (NNsnsnD1 . 3)2 . 01 (1152 . 01430D%6 .44446. 011510143011510NNNnDnnDs1.3.2 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能和存在的問題開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能和存在的問題 若可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制電壓就可以改變電動機的轉(zhuǎn)速。如果負載的生產(chǎn)工藝對運行時的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

38、都能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速，可以找到一些用途。 但是，許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機械常常對靜差率有一定的要求。在這些情況下，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。 n例題例題1-2 某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機，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，電動機電動勢系數(shù)。如果要求調(diào)速范圍 D = 20，靜差率5%，采用開環(huán)調(diào)速能否滿足？若要滿足這個要求，系統(tǒng)的額定速降最多能有多少？解解 當(dāng)電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的額定速降為開環(huán)系統(tǒng)機械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時的靜差率為 這已大大超過了5%的要求，更不必談?wù){(diào)到最低速了。min/275min/2 . 01

39、8. 0305edNNrrCRIn%6 .21216. 02751000275NNNNnnns 如果要求D = 20，s 5%，則由式（1-29）可知 由上例可以看出，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的額定速降是275 r/min，而生產(chǎn)工藝的要求卻只有2.63r/min，相差幾乎百倍！ 由此可見，開環(huán)調(diào)速已不能滿足要求，需采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來解決這個問題。min/63. 2min/)05. 01 (2005. 01000)1 (NNrrsDsnn1.3.3 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 根據(jù)自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它

40、就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。 調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落正是由負載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)將使調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。 n 系統(tǒng)組成圖1-24 采用轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+-+UnUn U*nUcUPE+-MTGIdUnUdUcUnntgn 調(diào)節(jié)原理 在反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，與電動機同軸安裝一臺測速發(fā)電機 TG ，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負反饋電壓Un ，與給定電壓 U*n 相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓 Un ，經(jīng)過放大器 A，產(chǎn)生電力電子變換器UPE的控制電壓Uc ，用以控制電動機轉(zhuǎn)速 n。n UPE的組成 圖中，UPE是由

41、電力電子器件組成的變換器，其輸入接三組（或單相）交流電源，輸出為可控的直流電壓，控制電壓為Uc 。UcUd0uACDCUd0Ucn UPE的組成（續(xù)） 目前，組成UPE的電力電子器件有如下幾種選擇方案：n對于中、小容量系統(tǒng)，多采用由IGBT或P-MOSFET組成的PWM變換器；n對于較大容量的系統(tǒng)，可采用其他電力電子開關(guān)器件，如GTO、IGCT等；n對于特大容量的系統(tǒng)，則常用晶閘管觸發(fā)與整流裝置。n 穩(wěn)態(tài)分析條件 下面分析閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，以確定它如何能夠減少轉(zhuǎn)速降落。為了突出主要矛盾，先作如下的假定：（1）忽略各種非線性因素，假定系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線性的，或者只取其線性工作

42、段；（2）忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻。轉(zhuǎn)速負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下： 電壓比較環(huán)節(jié) n*nnUUU放大器 npcUKU電力電子變換器 cs0dUKU調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機械特性 ed0dCRIUn測速反饋環(huán)節(jié) nUnn 穩(wěn)態(tài)關(guān)系n 穩(wěn)態(tài)關(guān)系（續(xù)）以上各關(guān)系式中 放大器的電壓放大系數(shù)； 電力電子變換器的電壓放大系數(shù)； 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，（Vmin/r）； UPE的理想空載輸出電壓； 電樞回路總電阻。KpKsRUd0 從上述五個關(guān)系式中消去中間變量，整理后，即得轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式（1-35） )1 ()1 ()/1 (ede*nspesped*nspKCRIKCUKKCK

43、KCRIUKKn n 靜特性方程n 靜特性方程（續(xù)） 式中 閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K為 它相當(dāng)于在測速反饋電位器輸出端把反饋回路斷開后，從放大器輸入起直到測速反饋輸出為止總的電壓放大系數(shù)，是各環(huán)節(jié)單獨的放大系數(shù)的乘積。 電動機環(huán)節(jié)放大系數(shù)為espCKKKnEC en注意：注意： 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機轉(zhuǎn)速與負載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，它在形式上與開環(huán)機械特性相似，但本質(zhì)上卻有很大不同，故定名為“靜特性”，以示區(qū)別。KpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- IdR-UnKsn 閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖1-25 轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖中各方塊內(nèi)的符號

44、代表該環(huán)節(jié)的放大系數(shù)。運用結(jié)構(gòu)圖運算法同樣可以推出式（1-35）所表示的靜特性方程式，方法如下：將給定量和擾動量看成兩個獨立的輸入量，先按它們分別作用下的系統(tǒng)求出各自的輸出與輸入關(guān)系式，b）只考慮給定作用時的閉環(huán)系統(tǒng)c）只考慮擾動作用時 的閉環(huán)系統(tǒng))1(e*nspKCUKKn)1(edKCRInU*nKpKs 1/CeUcUn n Ud0Un+-+KpKs 1/Ce-IdR nUd0+-E 由于已認為系統(tǒng)是線性的，可以把二者疊加起來，即得系統(tǒng)的靜特性方程式（1-35）)1()1(ede*nspKCRIKCUKKn1.3.4 開環(huán)系統(tǒng)機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性開環(huán)系統(tǒng)機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性 的關(guān)

45、系的關(guān)系 比較一下開環(huán)系統(tǒng)的機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，就能清楚地看出反饋閉環(huán)控制的優(yōu)越性。如果斷開反饋回路，則上述系統(tǒng)的開環(huán)機械特性為 opop0ede*nsped0dnnCRICUKKCRIUn(1-36) 而閉環(huán)時的靜特性可寫成 llnnKCRIKCUKKncc0ede*nsp)1 ()1 (1-37) 比較式（1-36）和式（1-37）不難得出以下的論斷：（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜性可以比開環(huán)系統(tǒng)機械特性硬得多。 在同樣的負載擾動下，兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為 和它們的關(guān)系是 Knnl1opc(1-38) edopCRIn)1 (edcKCRInln 系統(tǒng)特性比較n 系統(tǒng)特性比較（續(xù)）（2）如果比較同

46、一的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，則閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多。 閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為 和 當(dāng) n0op =n0cl 時，（1-39）lllnnsc0ccop0opopnnsKssl1opc（3）當(dāng)要求的靜差率一定時，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。 如果電動機的最高轉(zhuǎn)速都是nmax；而對最低速靜差率的要求相同，那么： 開環(huán)時， 閉環(huán)時， 再考慮式（1-38），得 opc)1 (DKDl(1-40) )1 (opNopsnsnD)1 (cNcsnsnDlln 系統(tǒng)特性比較（續(xù)）n 系統(tǒng)特性比較（續(xù)）（4）要取得上述三項優(yōu)勢，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。 上述三項優(yōu)點若要有效，都取決于一點，即 K 要足夠

47、大，因此必須設(shè)置放大器。 把以上四點概括起來，可得下述結(jié)論：結(jié)論結(jié)論2： 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價是，須增設(shè)電壓放大器以及需付出的代價是，須增設(shè)電壓放大器以及檢測與反饋裝置。檢測與反饋裝置。 n例題例題1-3 在例題1-2中，龍門刨床要求 D = 20， s R，因此（1-44）sspcom*nspdb)(RKKRUUKKIlscom*ndbRUUIl4. 電流截止負反饋環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計nIdbl應(yīng)小

48、于電機允許的最大電流，一般取 Idbl =（1.52） INn從調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能上看，希望穩(wěn)態(tài)運行范圍足夠大，截止電流應(yīng)大于電機的額定電流，一般取 Idcr （1.11.2）IN返回目錄返回目錄1.4 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析和設(shè)計動態(tài)分析和設(shè)計本節(jié)提要本節(jié)提要n反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型n反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件n動態(tài)校正PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計n系統(tǒng)設(shè)計舉例與參數(shù)計算 為了分析調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)品質(zhì)，必須首先建立描述系統(tǒng)動態(tài)物理規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，對于連續(xù)的線性定常系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型是常微分方程，經(jīng)過拉氏變換，可用傳遞函數(shù)和動態(tài)結(jié)構(gòu)圖表示。

49、 1.4.1 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài) 數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型 建立系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本步驟如下：（1）根據(jù)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，列出描述該環(huán)節(jié)動態(tài)過程的微分方程；（2）求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；（3）組成系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。1. 電力電子器件的傳遞函數(shù) 構(gòu)成系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)是電力電子變換器和直流電動機。不同電力電子變換器的傳遞函數(shù)，它們的表達式是相同的，都是1)(ssssTKsW(1-45) 只是在不同場合下，參數(shù)Ks和Ts的數(shù)值不同而已。 TL+-MUd0+-E R LneidM圖1-33 他勵直流電動機等效電路 2. 直流電動機的傳遞函數(shù)Et

50、ILRIUddddd0(1-46) 假定主電路電流連續(xù)，則動態(tài)電壓方程為 電路方程電路方程 如果，忽略粘性磨擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電機軸上的動力學(xué)方程為 (1-47) tnGDTTdd3752Le 額定勵磁下的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩分別為 dmeICT nCEe(1-48) (1-49) 式中 包括電機空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負載轉(zhuǎn) 矩，N-m； 電力拖動系統(tǒng)折算到電機軸上的飛 輪慣量，N-m2； 電機額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)， N-m/A； em30CCTLGD2 電樞回路電磁時間常數(shù)，s； 電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)，s。RLTlme2m375CCRGDT 定義下列時間常數(shù) 代入式（1-46）和（1-47）,并考慮

51、式（1-48）和（1-49），整理后得)dd(dd0dtITIREUltERTIIddmdLdmLdLCTI(1-50) (1-51) 式中 為負載電流。 n 微分方程 在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù) 11)()()(0ddsTRsEsUsIl電流與電動勢間的傳遞函數(shù) sTRsIsIsEmdLd)()()(1-52) (1-53) n 傳遞函數(shù)n 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 Id (s)IdL(s)+-E (s) R Tmsb. 式（131）的結(jié)構(gòu)圖E(s)Ud0+-1/RTl s+1Id (s)a. 式（130）的結(jié)構(gòu)圖+圖1-34 額定勵磁下直流電動機動態(tài)結(jié)構(gòu)圖n(s)c.

52、 整個直流電動機的動態(tài)的結(jié)構(gòu)圖 1/CeUd0IdL (s) EId (s)Un+- 1/R Tl s+1 R Tms 由上圖c可以看出，直流電動機有兩個輸入量，一個是施加在電樞上的理想空載電壓，另一個是負載電流。前者是控制輸入量，后者是擾動輸入量。如果不需要在結(jié)構(gòu)圖中顯現(xiàn)出電流，可將擾動量的綜合點移前，再進行等效變換，得下圖a。如果是理想空載，則 IdL = 0，結(jié)構(gòu)圖即簡化成下圖b。 n(s)Ud0 (s)+-1/Ce TmTl s2+Tms+1IdL (s) R (Tl s+1)n 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡化a. IdL 0n(s)1/Ce TmTl s2+Tms+1Ud0 (s)n 動態(tài)結(jié)

53、構(gòu)圖的變換和簡化（續(xù)）b. IdL= 0 直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的其他環(huán)節(jié)還有比例放大器和測速反饋環(huán)節(jié)，它們的響應(yīng)都可以認為是瞬時的，因此它們的傳遞函數(shù)就是它們的放大系數(shù)，即 放大器pnca)()()(KsUsUsW)()()(nfnsnsUsW測速反饋（1-55） （1-54） 3. 控制與檢測環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù) 知道了各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)后，把它們按在系統(tǒng)中的相互關(guān)系組合起來，就可以畫出閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖所示。由圖可見，將電力電子變換器按一階慣性環(huán)節(jié)處理后，帶比例放大器的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以看作是一個三階線性系統(tǒng)。 4. 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖1-36 反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)

54、結(jié)構(gòu)圖n(s)U*n (s)IdL (s) Uct (s)Un (s)+- KsTss+1KP1/Ce TmTl s2+Tms+1 +-R (Tl s+1)Ud0 (s)5. 調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù) 由圖可見，反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是 ) 1)(1()(m2mssTsTTsTKsWl式中 K = Kp Ks / Ce （1-56） 6. 調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù) 設(shè)Idl=0，從給定輸入作用上看，閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是 111)(1)1 () 1)(1(/) 1)(1(/1) 1)(1(/)(sm2sm3smespm2msespm2msespm2msespcsKTTsK

55、TTTsKTTTKCKKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsWllllll（1-57） 1.4.2 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件 由式（1-57）可知，反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特征方程為 0111)(1sm2sm3smsKTTsKTTTsKTTTll（1-58） 它的一般表達式為 0322130asasasa 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 0000030213210aaaaaaaa， 式（1-58）的各項系數(shù)顯然都是大于零的，因此穩(wěn)定條件就只有 0111)(smsmsmKTTTKTTKTTTll

56、ssms)1 ()(TTKTTTTll或整理后得 s2ssm)(TTTTTTKll（1-59） 式（1-59）右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù) Kcr, 當(dāng) K Kcr 時，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。 對于一個自動控制系統(tǒng)來說，穩(wěn)定性是它能否正常工作的首要條件，是必須保證的。 1.4.3 動態(tài)校正動態(tài)校正PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計調(diào)節(jié)器的設(shè)計1. 概概 述述 在設(shè)計閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時，常常會遇到動態(tài)穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)性能指標發(fā)生矛盾的情況（如例題1-5，或例題1-7中要求更高調(diào)速范圍時），這時，必須設(shè)計合適的動態(tài)校正裝置，用來改造系統(tǒng)，使它同時滿足動態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)指標兩方面的要求。2. 動態(tài)校正的方法n串聯(lián)校正；n并聯(lián)校正；n反饋校

57、正。 而且對于一個系統(tǒng)來說，能夠符合要求的校正方案也不是唯一的。 在電力拖動自動控制系統(tǒng)中，最常用的是串聯(lián)校正和反饋校正。串聯(lián)校正比較簡單，也容易實現(xiàn)。n串聯(lián)校正方法：串聯(lián)校正方法：l無源網(wǎng)絡(luò)校正RC網(wǎng)絡(luò)；l有源網(wǎng)絡(luò)校正PID調(diào)節(jié)器。 對于帶電力電子變換器的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，由于其傳遞函數(shù)的階次較低，一般采用PID調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就能完成動態(tài)校正的任務(wù)。n PID調(diào)節(jié)器的類型：調(diào)節(jié)器的類型：n比例微分（PD）n比例積分（PI）n比例積分微分（PID） PID調(diào)節(jié)器的功能n由PD調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，并獲得足夠的快速性，但穩(wěn)態(tài)精度可能受到影響；n由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校

58、正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，卻是以對快速性的限制來換取系統(tǒng)穩(wěn)定的；n用PID調(diào)節(jié)器實現(xiàn)的滯后超前校正則兼有二者的優(yōu)點，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但具體實現(xiàn)與調(diào)試要復(fù)雜一些。 一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以動態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度為主，對快速性的要求可以差一些，所以主要采用PI調(diào)節(jié)器；在隨動系統(tǒng)中，快速性是主要要求，須用 PD 或PID 調(diào)節(jié)器。 3. 系統(tǒng)設(shè)計工具 在設(shè)計校正裝置時，主要的研究工具是伯德圖（Bode Diagram），即開環(huán)對數(shù)頻率特性的漸近線。它的繪制方法簡便，可以確切地提供穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度的信息，而且還能大致衡量閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的性能。正因為如此，伯德圖是自動控制系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用中普遍使用的方

59、法。 在定性地分析閉環(huán)系統(tǒng)性能時，通常將伯德圖分成低、中、高三個頻段，頻段的分割界限是大致的，不同文獻上的分割方法也不盡相同，這并不影響對系統(tǒng)性能的定性分析。下圖繪出了自動控制系統(tǒng)的典型伯德圖。n典型伯德圖典型伯德圖 從圖中三個頻段的特征可以判斷系統(tǒng)的性能，這些特征包括以下四個方面：0L/dBc/s -1-20dB/dec低頻段中頻段高頻段圖1-37 典型的控制系統(tǒng)伯德圖 n 伯德圖與系統(tǒng)性能的關(guān)系n中頻段以-20dB/dec的斜率穿越0dB，而且這一斜率覆蓋足夠的頻帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好；n截止頻率（或稱剪切頻率）越高，則系統(tǒng)的快速性越好；n低頻段的斜率陡、增益高，說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高；n

60、高頻段衰減越快，即高頻特性負分貝值越低，說明系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的能力越強。 以上四個方面常常是互相矛盾的。對穩(wěn)態(tài)精度要求很高時，常需要放大系數(shù)大，卻可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定；加上校正裝置后，系統(tǒng)穩(wěn)定了，又可能犧牲快速性；提高截止頻率可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)，又容易引入高頻干擾；如此等等。 設(shè)計時往往須在穩(wěn)、準、快和抗干擾這四個矛盾的方面之間取得折中，才能獲得比較滿意的結(jié)果。4. 系統(tǒng)設(shè)計要求 在實際系統(tǒng)中，動態(tài)穩(wěn)定性不僅必須保證，而且還要有一定的裕度，以防參數(shù)變化和一些未計入因素的影響。在伯德圖上，用來衡量最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的指標是：相角裕度 和以分貝表示的增益裕度 GM。一般要求： = 30 60； G